一種集成多軌道、長條帶CTInSAR的區域性地面沉降監測方法
【專利摘要】一種集成多軌道、長條帶CTInSAR的區域性地面沉降監測方法，它有七大步驟：步驟一：長條帶雷達數據分塊與配準；步驟二：差分干涉紋圖集生成；步驟三：軌道殘余相位去除；步驟四：CTInSAR時序分析；步驟五：長條帶相鄰分塊檢驗與校正；步驟六：多軌道坐標系統統一；步驟七：多軌道信息檢驗與參考基準統一。本發明解決了InSAR在大區域形變調查與監測中遇到的兩個主要問題，一是如何減弱形變信息提取過程中基線誤差、大氣波動以及相位解纏噪聲等在空間域隨范圍增大而表現明顯的低頻特性的誤差影響；二是如何將相鄰軌道的形變監測結果在空間位置上進行精確配準，并統一不同軌道間形變測量的參考基準。
【專利說明】-種集成多軌道、長條帶CTInSAR的區域性地面沉降監測 方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及一種集成多軌道、長條帶CTInSAR (Coherent Target SAR Interferometry，相干目標合成孔徑雷達干涉測量）的區域性地面沉降監測方法，屬于合 成孔徑雷達干涉測量（InSAR)技術應用領域。它克服了大區域CTInSAR數據處理過程中誤 差傳播與基準偏差的問題，達到了區域性地面沉降的高精度調查與監測。
【背景技術】
[0002] 當前我國存在大范圍的地面沉降，華北平原、長江三角洲、汾渭谷地三大主要沉降 區的影響范圍超過數萬平方公里，且有進一步擴展連片分布的特點。其他地區如江漢平原、 松嫩平原、下遼河以及珠江三角洲等也有不同程度的地面沉降發生。傳統的主要地面沉降 監測手段（水準測量、基巖標、分層標和GPS監測網等）均面臨空間覆蓋有限、監測頻率低、 監測點密度低、觀測時間長且難以同步等問題。星載InSAR技術是根據星載雷達圖像的相 位數據來獲取地面形變信息的一門技術，能滿足調查監測精度要求的同時，具有大覆蓋范 圍、快速重訪、高監測點位密度等特點，且易于組織，人為干擾少。
[0003] 大區域地面沉降場調查與監測要求雷達數據具備二維方向上的完整覆蓋，而單個 圖幅重復軌InSAR主要解決局部地區（幾百至幾千平方公里）地表形變場的高精度連續監 測，以常用的ENVISAT ASAR掃描模式的數據來說，單個圖幅覆蓋范圍在lOOkmXIOOkm，涉 及幾萬平方公里大區域的地面沉降監測必然需要多軌道、長條帶的InSAR成果集成。多軌 道集成包含相鄰平行軌道集成（如圖1所示）以及升降軌模式集成，其中相鄰平行軌道集 成是解決大范圍覆蓋的主要技術途徑。
[0004] 多軌道、長條帶集成方法基于單圖幅CTInSAR時序分析技術，實現大區域地面沉 降監測。但隨著空間覆蓋范圍的增大，InSAR數據處理過程中誤差因素也隨之增大。這些 誤差主要包括基線誤差、大氣波動以及相位解纏噪聲（相位不連續）等在空間域表現為低 頻特性的因素。隨著覆蓋范圍的增大，低頻信號的累加效應表現明顯，影響了沉降場監測結 果的準確性，往往使得沉降場觀測結果中附加某種趨勢信號。
[0005] 另一個問題是不同軌道（入射角）下InSAR成果具有不同的坐標系和參考基準。 無論采用何種時序分析方法，每個軌道下的形變監測結果都存在于獨立的坐標系中（雷達 坐標系），其形變場參考基準也不相同。不同軌道下SAR數據均與各自獨立的主圖像進行精 確配準，因而，其觀測結果位于不同主圖像的坐標系內。斜距成像的特點決定了不同入射的 雷達圖像存在不同的變形（扭曲、旋轉等），特別是在地形起伏較大的地區。即使同一景雷 達圖像內，其象元的分辨率也存在差別。此外，InSAR技術所獲取的形變量均是相對于某一 個特定的參考基準而言的，其參考基準是在時序分析過程中選擇的某一特定相干目標，其 活動狀況往往未知。這使得不同軌道下的形變場存在參考基準偏差，涉及到整體偏差補償 問題。
[0006] 因此，為解決區域性地面沉降InSAR監測中存在的問題，本專利通過將長條帶雷 達數據分塊，各分塊獨立完成CTInSAR時序分析，獲取各分塊高精度地面沉降監測成果，有 效地降低了長條帶合成孔徑雷達數據的干涉處理誤差，并通過對同一條帶不同分塊和多軌 道不同條帶下形變監測結果的檢驗與校正，最終達到大區域地面沉降的全覆蓋、同時段調 查與監測。
【發明內容】
[0007] 1、目的
[0008] 本發明的目的是為了獲取全覆蓋、同時段的高精度區域性地面沉降信息，解決了 InSAR在大區域形變調查與監測中遇到的兩個主要問題，一是如何減弱形變信息提取過程 中基線誤差、大氣波動以及相位解纏噪聲等在空間域隨范圍增大而表現明顯的低頻特性的 誤差影響；二是如何將相鄰軌道的形變監測結果在空間位置上進行精確配準，并統一不同 軌道間形變測量的參考基準。
[0009] 2、技術方案
[0010] 本發明是一種集成多軌道、長條帶CTInSAR的區域性地面沉降監測方法，建立了 滿足低相干條件下區域性地面沉降監測的CTInSAR技術，方法具體步驟如下：
[0011] 步驟一：長條帶雷達數據分塊與配準
[0012] 符合InSAR測量要求的星載SAR數據通常以長條帶方式獲取，數據通常為單視復 數數據（single look complex digital image, SLC)，記錄了目標在影像上的散射強度以 及雷達回波的相位信息。
[0013] 假設同一長條帶獲得m個重軌數據，在對長條帶數據進行處理時，首先選擇一幅 主影像M，對其進行方位向上的分塊裁切，得到η個分塊分別為M franrel、Mfranre2、……、Mfra_， 每個分塊稱為一個Frame，每個Frame在雷達影像的方位向盡量與距離向保持相同地面距 離范圍，相鄰分塊之間保留20%的重疊區域。
[0014] 將其他SAR數據做為輔影像分別以MfMel、Mframe2、……、M fra_為主影像進行精密 配準，得到η個frame配準后的SLC數據集[M，Sp S2,……，Sm_J。針對每個frame的SLC數 據集執行步驟二至步驟四。
[0015] 步驟二：差分干涉紋圖集生成
[0016] 考慮空間基線與時間基線對SAR圖像對造成的失相干影響，選擇具有較短空間基 線與時間基線的圖像對兩兩進行組合，生成差分干涉紋圖集。
[0017] 每個圖像對主副影像共軛相乘得到干涉紋圖，干涉紋圖的相位組成包括：
【權利要求】
步驟三：軌道殘余相位去除 地形相位與平地相位的計算均與基線長度相關，而軌道的精度直接影響干涉相對空間 基線的計算；由于軌道的不準確性形成的殘余相位，即Orbit ramp或Orbit residual;應 用精密軌道參數修正初始軌道參數能有效降低這種因素的影響，但當干涉圖范圍擴大時， 二維平面上軌道殘余相位的積累將使得形變圖上附加一種趨勢，這種趨勢隨著數據覆蓋范 圍的增大而變化；基于最小二乘進行趨勢面擬合進而去除軌道殘余相位，首先依據先驗知 識挑選出差分干涉紋圖集中有明顯殘余相位的干涉紋圖，針對有誤差的干涉紋圖首先進行 相位解纏，通過提取解纏相位圖中一定采樣間隔的解纏相位，利用二次或者高次函數進行 相位回歸，進而擬合趨勢面；這里選擇二次函數式（5)作為擬合函數進行相位回歸；
式中以hr)為采樣點解纏相位；(x，y)為采樣點圖像坐標；為多項式系數；基于最 小二乘原則，計算出％，從差分相位ctdiff中減去擬合的軌道殘余相位； 步驟四：CTInSAR時序分析 當SLC數據集中數據量較少時即m〈20,依據相干目標頻譜變化小這一特性進行相干目 標的選擇；點目標的實際幾何尺寸往往小于雷達分辨單元，與分布目標具有不同的信號特 征，不具備斑點噪聲的特性，相位穩定，因而將其視為相干目標；由于點目標穩定的后向散 射特性，在獲取原始信號過程中各個子視圖像上表現出相似的后向散射特征，不同距離向 和方位向的子帶寬內的散射強度大致相同，因而將SLC圖像作反變換，生成復數個子視圖， 將子視圖作譜相關分析，根據其相關性的大小來識別點目標；設各子視圖內的某像元的信 號七⑷=a ig(n)，l彡i彡L為視數，g(n)為該像元信號，按照能量比標準衡量L個子視 信號的整體相似性為：
依據上述相干目標時序分析方法，通過相干目標時序分析模型迭代補償DEM誤差、通 過濾波減小大氣相位以及噪聲的影響，獲取到各相干目標點的地面沉降量； 步驟五：長條帶相鄰分塊檢驗與校正 對長條帶中的每個frame重復步驟二至步驟四，得到條帶下各分塊地面沉降信息；長 條帶的每個frame獲取的形變信息圖的參考基準位置不同，需要對連續frame的參考基準 進行整體偏差補償；整體偏差估算依賴于重疊部分相干目標形變參數的統計分析，依據同 名點按照式（12)統計連續frame之間形變速率的整體偏差，參與統計的相干目標均為滿足 相關模型的點；在此過程中選擇連續frame中的一個作為基準，其余均相對于該frame進行 基準偏差補償，一般情況下，在每個frame時序分析過程中，根據時間基線的變化關系，將 在不同時間間隔下穩定區域內的相干目標作為參考基準，以此降低frame之間形變參數的 整體偏差； 以兩塊連續frame之間的檢驗、校正，選擇其中一個frame作為基準，依據frame之間 重疊區域同名點的統計信息進行基準偏差的整體補償
式（12)和（13)中：Δ p ^為frame之間基準偏差；P mi為基準frame重疊區中相干目 標i的形變量；P si為需調整frame重疊區中相干目標i的形變量；N表示兩個frame包含 的同名點個數；A為調整的frame中所有相干目標改正后的形變向量； 對于重疊區域內的各相干點目標形變量P i的取值采用距離加權平均方法求解：
式中Pmi和Psi分別為基準frame和調整frame第i個相干目標的權，P mi和么分別為 重疊區內第i個相干目標在基準frame和調整frame中的形變量，D為重疊區長度，Dmi和 Dsi分別為基準frame和調整frame中相干目標距離重疊區內各自影像方位向邊緣的距離； 步驟六：多軌道坐標系統統一 通過對不同軌道下的多個長條帶InSAR地面沉降信息集成進而獲取大覆蓋范圍的監 測成果，首先需要對不同的軌道數據進行坐標系統一，具有相同的空間坐標基準； 首先需要獲取研究區的DEM數據，根據外部DEM將雷達圖像與監測成果進行正射校正， 即地理編碼，使得不同軌道下的雷達圖像位于相同的地面坐標系下，消除因地形起伏以及 成像幾何關系引起的畸變因素的影響；高程精度優于l〇m的DEM數據保證了平坦地區配準 精度優于一個像元，依據衛星參數將DEM模擬至SAR坐標系，建立初始坐標變換表，再將DEM 模擬的影像與SAR圖像進行精密配準改進坐標變換表，通過反向變換，將雷達坐標系下各 軌道地面形變信息地理編碼至DEM所在的地面坐標系內； 步驟七：多軌道信息檢驗與參考基準統一 位于相同地面坐標系的不同軌道形變信息集成過程中，受制于雷達成像入射角的影 響，不能像長條帶連續frame重疊區內的相干目標在相鄰frame中基本一致，相鄰軌道下相 干目標是完全不同的，選擇其中一條軌道為主軌道，相鄰另一條為輔軌道，首先通過反距離 加權插值方法將輔軌道上相干目標分析結果進行空間域插值為面，設輔軌道重疊區內共有 η個相干目標點，其插值后平面各點坐標（x，y)的沉降速率值通過下式計算得出：
式中Pi為第i個相干目標點的沉降量，φ為點（x，y)到第i個相干目標點的距離；再 利用主軌道上重疊區內相干點目標位置提取其在輔軌道上插值面上的形變值P s ;根據相 同相干點目標在主軌道的沉降值P m和在輔軌道的沉降值P 3進行檢驗與校正，檢驗與校正 方法同長條帶相鄰分塊的檢驗與校正。
【文檔編號】G01C5/00GK104122553SQ201410353927
【公開日】2014年10月29日 申請日期:2014年7月23日 優先權日:2014年7月23日
【發明者】葛大慶, 張玲, 王艷, 郭小方, 王毅 申請人:中國國土資源航空物探遙感中心