一種高速鐵路沿線地表形變高分辨率InSAR監(jiān)測方法
【專利摘要】一種高速鐵路沿線地表形變高分辨率InSAR監(jiān)測方法，該方法有四大步驟：步驟一：高分辨率SAR數據選取；步驟二：高分辨率InSAR高速鐵路區(qū)域形變信息提取方法；步驟三：多軌道形變速率結果集成方法；步驟四：高速鐵路線上目標的識別和形變提取方法。本發(fā)明能夠有效地解決高分辨率InSAR完整覆蓋監(jiān)測高速鐵路，以及高速鐵路路基沉降與區(qū)域地面沉降的識別和分離等問題，可以大大提升我國高速鐵路地表形變InSAR精細監(jiān)測水平。
【專利說明】-種高速鐵路沿線地表形變高分辨率I nSAR監(jiān)測方法
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種高速鐵路沿線地表形變高分辨率InSAR監(jiān)測方法，屬于合成孔徑 雷達干涉測量技術（InSAR)領域。它能夠有效地解決高分辨率SAR單軌影像無法完整覆蓋 研究區(qū)，以及高速鐵路路基沉降與區(qū)域地面沉降的識別和分離等問題，可以大大提升我國 高速鐵路地表形變InSAR精細監(jiān)測水平。
【背景技術】
[0002] 雷達干涉測量技術研究的核心目標是測量地物高程（地形測圖）和反演雷達視線 方向上的形變量等參數。以往InSAR技術多以中等分辨率（空間分辨率為20-30m)雷達 數據為主，如ERS、ENVISAT、AL0S和RADARSAT等，其測量結果是分辨率單元內若干個散射 體的綜合，因而從精細程度上難以實現對大型工程、獨立構（建）筑物等地物局部精細測 量。相對于中等分辨率SAR而言，高分辨率InSAR是指利用高分辨率（l-3m，如TerraSAR-X、 Cosmo-skymed)雷達衛(wèi)星數據開展地表形變精細監(jiān)測的InSAR技術，適用于大型構建筑物 和典型地物目標的精細監(jiān)測，極大地拓展了 InSAR技術的應用范圍。
[0003] 對于高速鐵路形變監(jiān)測，中等分辨率InSAR監(jiān)測結果僅能夠準確反映區(qū)域地表變 形場的分布特征，由于受到分辨率的限制，難以實現目標準確定位，因此對于高速鐵路路 基、軌道及其附屬物等穩(wěn)定程度的監(jiān)測精細程度不足。而高分辨率InSAR技術有利于直接 提取單個目標的干涉相位，能夠提供對工程體和周圍環(huán)境的共同監(jiān)測，易于分辨環(huán)境變化 對工程體的影響。目前，針對高速鐵路的高分辨率InSAR形變精細監(jiān)測技術亟待解決以下 難點。
[0004] (1)無論求解高程或者形變量，必須的步驟是相位解纏，這一步驟在差分干涉處理 中稱為解纏，而在時序分析方法中則稱為參數估計，其實質是求解纏繞相位的整周數，基本 過程是求解相鄰點間的相位差，然后按照特定的路徑或網絡以一定的約束條件進行積分， 求解觀測范圍整體的解纏相位，進而反演形變場或高程。相位解纏的前提是干涉圖連續(xù)分 布且變化平緩，滿足相位差小于η的約束條件，整個相位場為無旋場，解纏結果不隨路徑 而變。而實際上干涉圖受噪聲或不連續(xù)相位（如不連續(xù)的陡坡）的影響，難以滿足解纏條 件，因而需要按照給定路徑求解后再進行連接。由于缺少高分辨率的DEM數據，高分辨率條 件下地物高程所引起的相位變化類似于非連續(xù)的陡坡相位，這種條紋密度會隨基線的增大 而密集，增大了相位解纏的難度，且存在與形變混合的可能。因而，如何利用高分辨率SAR 數據同時解算高程和形變相位，提高形變量估計的精度是高分辨率InSAR應用面臨的主要 難題。
[0005] (2)高速鐵路的分布和走向不規(guī)則，往往地跨雷達數據數個軌道、多個圖幅。以目 前在軌的高分辨率SAR衛(wèi)星為例，其掃描成像覆蓋范圍為30-50km。只有利用相鄰平行軌 道高分辨率InSAR聯合觀測才能實現高速鐵路的完整覆蓋監(jiān)測，這涉及到多個相鄰軌道高 分辨率InSAR觀測結果的集成問題，也就是多個軌道處理結果坐標系和參考基準的統(tǒng)一問 題。
[0006] (3)受自然和人為因素的影響，高速鐵路沿線不可避免的會出現地面沉降；同時， 列車的高速運行及其震動對路基和橋梁產生的壓力會引起路基、橋梁等構筑物的垂向變 形。這些因素的共同作用所產生的差異性沉降直接影響著高速列車的運行安全，因此，有效 區(qū)分高鐵沿線區(qū)域性地面沉降和鐵路橋梁本身的沉降對于工程應用而言意義重大。中等分 辨率InSAR區(qū)域性沉降監(jiān)測能準確提取線路周邊沉降區(qū)和漏斗，明確沿線主要沉降區(qū)的分 布。針對高鐵沿線差異性沉降，需研究高分辨率InSAR監(jiān)測結果中路基沉降和區(qū)域地面沉 降的識別與分離。解決這一問題的關鍵在于如何利用高分辨率InSAR有效提取鐵路線上目 標形變量和線路周邊其它地物的形變量。
[0007] 本發(fā)明針對高分辨率InSAR精細監(jiān)測高速鐵路形變所面臨的難點，提供一種解決 高速鐵路沿線地表形變的精細監(jiān)測方法。
【發(fā)明內容】
[0008] 1.目的：本發(fā)明的目的是提供一種高速鐵路沿線地表形變高分辨率InSAR監(jiān)測方 法。它能夠有效地解決高分辨率InSAR完整覆蓋監(jiān)測高速鐵路，以及高速鐵路路基沉降與 區(qū)域地面沉降的識別和分離等問題，可以大大提升我國高速鐵路地表形變InSAR精細監(jiān)測 水平。
[0009] 2.技術方案：本發(fā)明是一種高速鐵路沿線地表形變高分辨率InSAR監(jiān)測方法，該 方法具體步驟如下：
[0010] 步驟一：高分辨率SAR數據選取
[0011] 以TerraSAR - X和C0SM0 - Skymed為代表的高分辨率雷達衛(wèi)星系統(tǒng)為開展InSAR 技術的在高速鐵路的精細化監(jiān)測提供了數據源。高分辨率InSAR相對于中等分辨率InSAR 技術，其總體優(yōu)勢體現在兩個方面，即（i )高密度相干點目標和短周期（4-16天）；（ii ) 對地面點目標的準確定位。高分辨率InSAR監(jiān)測高速鐵路沿線形變過程，其數據選取要滿 足空間上能覆蓋整個高速鐵路分布的相鄰軌道，在時間上數據要連續(xù)接收。
[0012] 步驟二：高分辨率InSAR高速鐵路區(qū)域形變信息提取方法
[0013] 對高速鐵路沿線形變監(jiān)測的基本思路為：針對雷達圖像覆蓋范圍先進行整體 InSAR時序分析解算，進而在形變結果中提取高鐵線路及其周邊變形信息，進行路基形變分 析。這一思路是相對于先單獨提取線路上的目標，進而對其相位進行時序分析解算而言的。 前者具有整體性，后者為局部處理，出現不可靠性的可能增加。在上述基本思路的指導下， 對每一軌道數據集，本發(fā)明將以永久散射體干涉測量（PS InSAR)為主，結合短基線干涉測 量（SBAS InSAR)技術的優(yōu)點，綜合利用長短基線干涉相位序列的二維相位回歸分析，建立 以迭代算法為主的多模型高分InSAR數據處理方法，通過逐次迭代求解地物高程和地表形 變信息。其詳細步驟包括：
[0014] (1)研究區(qū)原始DEM生成
[0015] 地形相位補償是InSAR時序分析處理過程中求取差分相位的基本步驟，解決的途 徑主要有兩種：（i )利用Lidar、TanDEM-X等獲取的DEM數據實現近似同等分辨率差分干 涉處理中的地形相位補償；（ii )利用時間序列分析方法同時解算單個散射體的高程和形 變信息。本發(fā)明中利用后者實現干涉圖地形相位補償，而原始DEM的生成是完成這一過程 的第一步。
[0016] ①利用時間和空間基線都較短的干涉像對生成初始DEM。
[0017] 首先，對數據集中的干涉像對進行干涉處理，本發(fā)明中綜合利用快速傅里葉變換 (FFT)估計和多項式擬合估計的方法去除干涉圖中的軌道誤差和趨勢性干涉條紋。其次，利 用②提供的方法識別相干目標候選點。最后，針對每一相干目標點，通過多次迭代得到相干 目標點處的高程，并插值生成研究區(qū)的原始DEM，
[0018] ②利用點目標識別方法提取相干目標候選點。
[0019] 本發(fā)明中綜合采用幅度離散指數（Amplitude Dispersion Index)和相干系數 (coherence)來篩選得到相干目標候選點。
[0020] 幅度離散指數的計算公式為：
【權利要求】
1. 一種高速鐵路沿線地表形變高分辨率InSAR監(jiān)測方法，該方法具體步驟如下： 步驟一：高分辨率SAR數據選取 以TerraSAR - X和COSMO - Skymed為代表的高分辨率雷達衛(wèi)星系統(tǒng)為開展InSAR技 術的在高速鐵路的精細化監(jiān)測提供了數據源；高分辨率InSAR相對于中等分辨率InSAR技 術，其總體優(yōu)勢體現在兩個方面，即（i )高密度相干點目標和短周期4-16天；（ii )對地 面點目標的準確定位；高分辨率InSAR監(jiān)測高速鐵路沿線形變過程，其數據選取要滿足空 間上能覆蓋整個高速鐵路分布的相鄰軌道，在時間上數據要連續(xù)接收； 步驟二：高分辨率InSAR高速鐵路區(qū)域形變信息提取方法 對高速鐵路沿線形變監(jiān)測的基本思路為：針對雷達圖像覆蓋范圍先進行整體InSAR時 序分析解算，進而在形變結果中提取高鐵線路及其周邊變形信息，進行路基形變分析；這 一思路是相對于先單獨提取線路上的目標，進而對其相位進行時序分析解算而言的，前者 具有整體性，后者為局部處理，出現不可靠性的可能增加；在上述基本思路的指導下，對每 一軌道數據集，將以永久散射體干涉測量即PS InSAR為主，結合短基線干涉測量即SBAS InSAR技術的優(yōu)點，綜合利用長短基線干涉相位序列的二維相位回歸分析，建立以迭代算法 為主的多模型高分InSAR數據處理方法，通過逐次迭代求解地物高程和地表形變信息；其 詳細步驟包括： (1)研究區(qū)原始DEM生成 地形相位補償是InSAR時序分析處理過程中求取差分相位的基本步驟，解決的途徑主 要有兩種：（i )利用Lidar、TanDEM-X獲取的DEM數據實現近似同等分辨率差分干涉處理 中的地形相位補償；（? )利用時間序列分析方法同時解算單個散射體的高程和形變信息； 利用后者實現干涉圖地形相位補償，而原始DEM的生成是完成這一過程的第一步； ① 利用時間和空間基線都較短的干涉像對生成初始DEM ; 首先，對數據集中的干涉像對進行干涉處理，綜合利用快速傅里葉變換估計和多項式 擬合估計的方法去除干涉圖中的軌道誤差和趨勢性干涉條紋；其次，利用②提供的方法識 別相干目標候選點；最后，針對每一相干目標點，通過多次迭代得到相干目標點處的高程， 并插值生成研究區(qū)的原始DEM ; ② 利用點目標識別方法提取相干目標候選點； 綜合采用幅度離散指數Amplitude Dispersion Index和相干系數coherence來篩選 得到相干目標候選點； 幅度離散指數的計算公式為：
(1) 其中，σΑ和％分別為像素幅度值的標準差和均值；給定一適當閾值6』，DJS于閾值 的像元為相干目標候選點； 雷達干涉相位圖的相干系數估計公式為：
根據各像元點在相干圖中的相干系數序列、和給定的相干系數閾值X，如果 mean (/,)>?>，那么則將該像元確定為相干目標候選點； (2)相干目標形變速率和形變序列生成 ① InSAR時序分析數據集選?。? 根據短基線思想構建干涉像對序列，對數據集中的干涉像對進行干涉處理，并利用上 述生成的原始DEM模擬地形相位實現地形相位補償；針對每一差分干涉圖中出現的軌道誤 差和趨勢性干涉條紋，綜合利用快速傅里葉變換估計和多項式擬合估計的方法予以去除， 進而生成用于InSAR時序分析的初始差分干涉圖、相干圖以及所有高分數據的強度圖像， 解纏每一差分干涉圖；綜合采用幅度離散指數和相干系數來篩選相干目標候選點，以降低 高分辨率SAR條件下相干目標數量冗余； ② 迭代修正高程誤差相位求解形變參數； InSAR形變時序分析所構建的二維參數估計模型中，考慮到大氣的空間相關性，對相鄰 兩點求互差以削弱大氣相位的影響；相干目標i和j差分干涉相位的互差為：
上式中，CB為與垂直基線相關的系數，T為時間基線，Λ ε為相對高程誤差，Λν為相 對形變速率，μ m為非線性形變量，α為大氣相位，η為噪聲，k表示干涉圖個數，與干涉圖 序列的組合有關；構建目標函數如下：
將上式從相位互差式（3)中減去，得到殘余相位為：
顯然，當目標函數的參數△ ε和Λν在準確估計時，殘余相位將最小化； InSAR時序分析是在差分干涉圖相位解纏的基礎上進行的，這時式（3)轉換為二維線 性函數，通過建立Delanay三角網或利用冗余網構建更為復雜的連接關系強化對待解算方 程組的約束，利用鄰近法則將所有距離滿足大氣相關距離的相干目標連接起來，在求解完 成相鄰點間的互差后，通過最小二乘或加權平均的方法求解每個目標相對于參考點的高程 值和形變速率場；通過多次迭代修正高程誤差，完成最終的形變速率估計；對于具有顯著 非線性形變過程，仍需對殘余相位進行更為復雜的處理，以提取非線性形變量，因此，這就 需要在上述處理的基礎上對殘余相位進行時域和空域濾波處理，并利用奇異值分解方法求 解非線性形變序列，將線性和非線性分量相加得到每個相干目標的形變序列，完成形變參 數求解； 步驟三：多軌道形變速率結果集成方法 (1) 坐標系統(tǒng)一 多軌道集成的主要難點是解決不同軌道下InSAR形變時序分析結果坐標系和參考基 準的統(tǒng)一問題，為此，需將雷達圖像進行正射校正，使不同軌道下的雷達圖像位于統(tǒng)一的地 面坐標系下，消除因地形起伏以及成像幾何關系引起的畸變等因素的影響；采用唯一的地 面坐標系進行坐標系的統(tǒng)一；首先將每個軌道下雷達強度圖像進行地理編碼，并完成形變 速率圖的坐標轉換；在獲得位于同一地面坐標系下的多軌道雷達強度圖像后，應用多項式 回歸完成相鄰主輔軌道重疊區(qū)域的精確配準，配準函數如式￠)，從而實現相鄰軌道的無縫 拼接；在此基礎上，最終完成多軌道形變速率圖的坐標系的統(tǒng)一；
式中：Δχ，Ay分別為主輔軌道X，y方向的像對偏移量；p為多項式階數；a, b為多項 式系數；由于所有處理結果已經做了地理編碼，相鄰軌道圖像在同名點只有略微的偏移，利 用式（6)進行精確配準時一般取常數項即可，在相鄰主輔軌道重疊區(qū)域的精確配準時只取 常數項； (2) 參考基準統(tǒng)一 由于入射角的差異，同一相干目標在相鄰軌道中的形變速率有所差別；即使在同一軌 道下，由于參考基準的差異也會導致不同分塊的處理結果產生偏差，因而，根據主影像上相 干目標的空間位置，提取同一坐標系下經過配準的輔影像上對應的相干目標形變參數，進 行整體偏差求解；在統(tǒng)計重疊區(qū)域的所有同名點后，按照式（7)和（8)估計相鄰軌道之間形 變速率的整體偏差，參與統(tǒng)計的相干目標均為滿足相關模型的點；在此過程中選擇一個中 間軌道作為主軌道，其余均相對于該軌道進行基準偏差補償；
式中：Λ V()ff為軌道間基準偏差；心，.和分別為主輔軌道上相干目標i的形變速率； 化為改正后輔影像相干目標形變速率；完成整體偏差估計后，對主輔軌道重疊區(qū)內相干目 標形變參數用式（9)求解：
(9) 其中，g為基準統(tǒng)一后相干象元i的形變速率；^和及分別為權重因子；由相干目標i 距離參考位置的距離而定；由于相鄰軌道重疊區(qū)域結果具有很高的相關性，利用相關系數 公式（10)進行評估，因此在參考基準統(tǒng)一過程中采用先校正主軌道形變速率，再通過線性 關系式（11)校正其它軌道；
SubM = a · Subs+b (11) (3)多軌道集成成果的精度檢驗 為檢驗多軌道集成成果的拼接效果，直接利用相鄰軌道重疊區(qū)域相干目標點進行統(tǒng)計 比較，以互差的均方差為統(tǒng)計指標，按照下式計算：
式中A為降軌觀測值，Yi為經過基準偏差補償后的升軌觀測值，m為統(tǒng)計樣本點個 數； 步驟四：高速鐵路線上目標的識別和形變提取方法 相干目標的分布具有如下特點： (i )線上相干目標成對或多對出現，橫向間距為5-10m左右，沿高鐵線路方向的間距 為 50m ; (ii )地物高程較之周圍地物有差異，普遍超過周圍地物3-5m; (iii)形變特征與周圍地物的沉降相似，具有連續(xù)性；在沉降較大的地區(qū)，線上相干目 標隨之較大，在一般地區(qū)，線上目標形變量普遍較小，且呈現較為隨機的變化特征； 與之對應的地物及其特征為： (i )相干目標由高鐵線上高壓線架的組件與橋梁板面共同作用，構成散射單元，其反 射特征與pole效應有關； (ii ) 一組高壓線架橫向間距設計值為11. 3m，沿線路方向間距為49. 5m，與相干目標的 空間分布特征相同； (iii )高壓線架的高度為2-3m，橋墩高度5-6m，普遍高于地面10m左右；與高分InSAR 解算出的高程估計值基本對應； 根據高速鐵路線上目標的空間位置、分布密度和特征，結合高速鐵路線上地物特點，能 確定相干目標由高鐵線上絎架、橫梁和立柱與橋梁板面共同作用反射構成；由于高壓線架 與橋梁板面固定，可視為剛體，那么由線上相干目標干涉相位獲取的形變信息反映的就是 高鐵線路整體的變化特征，因而，對于路基形變的識別和提取的關鍵即提取路基上的相干 目標；針對路基形變，根據線路的分布提取沿線沉降場，進而進行高鐵線上目標識別，通過 沉降序列的變化和周圍地物的差異分析變形的主要誘因。
【文檔編號】G01S13/90GK104111456SQ201410351232
【公開日】2014年10月22日 申請日期:2014年7月23日 優(yōu)先權日:2014年7月23日
【發(fā)明者】葛大慶, 張玲, 李曼, 劉斌, 郭小方 申請人:中國國土資源航空物探遙感中心