基于dinsar的高壓輸電鐵塔頂端傾斜位移監測方法
【專利摘要】本發明公開了一種基于DINSAR的高壓輸電鐵塔頂端傾斜位移監測方法，通過對不同時刻的兩幅SAR圖像共軛相乘得到干涉相位圖，再將干涉相位圖中的高壓輸電鐵塔沿著距離向依次排列，形成一個初始干涉相位圖，利用FFT計算初始干涉相位圖中干涉條紋頻率，并剔除高壓輸電鐵塔的豎直高度相位，得到殘留相位圖，對殘留相位圖進行相位解纏，得到因高壓輸電鐵塔頂端傾斜位移引起的真實差分干涉相位，最后根據真實差分干涉相位計算高壓輸電鐵塔的頂端傾斜位移；這樣使本發明具有實時監控、測量精度高、監測面積大和成本低的特點。
【專利說明】
基于DINSAR的高壓輸電鐵塔頂端傾斜位移監測方法
技術領域
[00011本發明屬于DINSAR圖像處理技術領域，更為具體地講，涉及一種基于DINSAR技術 的高壓輸電鐵塔頂端傾斜位移監測方法。
【背景技術】
[0002] 星載干涉合成孔徑雷達（INSAR)技術最初主要是用于地形測繪，獲取高精度高程 (DEM)數據。差分INSAR(DINSAR)技術是在INSAR的基礎上拓展得到，主要用于地表形變探 測。星載DINSAR系統數據處理主要步驟包括:復圖像配準、干涉圖生成、干涉相位濾波、干涉 圖去平地效應、干涉相位解纏以及地表形變獲取等。
[0003] DINSAR的基本原理是通過對同一區域不同時刻獲取的兩幅圖像，通過干涉獲取相 位差，此相位差包含地形高低起伏引起的相位和不同時刻之間地形形變引起的相位兩部 分，通過結合已知的DEM數據剔除掉地形起伏引起的相位，從而獲取地形形變的相位。
[0004] 然而目前傳統的DINSAR模型是假定地面沒有疊掩的情況下提取地表的形變信息。 對于高壓輸電鐵塔等豎直放置在地面的線狀物體而言，由于豎直放置在地面的幾何特性， 在SAR圖像上鐵塔的頂端會和地面的某點疊掩在同一個像素上，因此無法通過傳統的 DINSAR方法提取輸電鐵塔的傾斜位移。
【發明內容】
[0005] 本發明的目的在于克服現有技術的不足，提供一種基于DINSAR的高壓輸電鐵塔頂 端傾斜位移監測方法，以解決現有DINSAR技術不能提取不同時刻豎直放置在地面的線狀物 體如高壓輸電鐵塔的頂端傾斜位移的問題。
[0006] 為實現上述發明目的，本發明一種基于DINSAR的高壓輸電鐵塔頂端傾斜位移監測 方法，其特征在于，包括以下步驟：
[0007] (1)、在同一監測點，利用星載DINSAR系統分別獲取高壓輸電鐵塔在不同時刻的兩 幅SAR圖像，再將兩幅不同時刻SAR圖像共輒相乘得到干涉相位圖，最后從干涉相位圖中提 取出每個高壓輸電鐵塔所在的像素矩形區域；
[0008] (2)、將所有的高壓輸電鐵塔所在的像素矩形區域沿著距離向依次排列，形成一個 初始干涉相位圖；
[0009] (3)、利用FFT計算初始干涉相位圖中干涉條紋頻率，根據干涉條紋頻率剔除高壓 輸電鐵塔的豎直高度相位，得到殘留相位圖；
[0010] (4)、對殘留相位圖中每個高壓輸電鐵塔進行相位解纏，得到每個高壓輸電鐵塔因 頂端傾斜位移引起的真實差分干涉相位；
[0011] (5)、根據真實差分干涉相位計算高壓輸電鐵塔的頂端傾斜位移。
[0012] 其中，所述步驟(3)中，獲取殘留相位圖的方法為：
[0013] 設初始干涉相位圖由η Xη個像素點組成;對初始干涉相位圖中所有行的像素點的 像素值對應疊加取平均后成一行，即1 X η個像素點，然后對此行做FFT變換，在變換后的頻 譜中尋找頻率值最大的頻點，即為干涉條紋頻率;再對變換后的頻譜進行圓周位移，使干涉 條紋頻率位移到0頻處，得到位移后的頻譜;最后通過對位移后的頻譜做IFFT變換，從而可 以剔除高壓輸電鐵塔的豎直高度相位，IFFT變換后的圖像作為殘留相位圖；
[0014] 所述步驟(4)中，對殘留相位圖中每個高壓輸電鐵塔進行相位解纏的方法為：
[0015] 設殘留相位圖中每個高壓輸電鐵塔區域由lXm個像素點組成，每個像素點的像素 值即為該像素點的像素殘留相位值，且殘留相位纏繞在(_皿）的主值之間，其中，m = n/k，k 表示殘留相位圖中高壓輸電鐵塔的個數；
[0016]設高壓輸電鐵塔區域的最左端第一個像素點的真實差分干涉相位為0,然后從左 至右逐一判斷，若此像素殘留相位值與相鄰左邊像素殘留相位值之差大于-η，則將此差值 與此像素相鄰左邊的真實差分干涉相位之和作為此像素點的真實差分干涉相位，反之，若 此差值小于4，則將加與此像素相鄰左邊的真實差分干涉相位之和作為此像素點的真實差 分干涉相位，最終得到最右端所在像素點的真實差分干涉相位，并作為該高壓輸電鐵塔頂 端傾斜位移引起的真實差分干涉相位。
[0017] 所述步驟(5)中，根據真實差分干涉相位計算高壓輸電鐵塔的頂端傾斜位移需利 用以下公式來計算：
[0018]
[0019] 其中，| CiC21表示鐵塔的頂端傾斜位移，Φ 為高壓輸電鐵塔頂端傾斜位移引起 的真實差分干涉相位，Θ為衛星的入射角，λ為發射雷達的電磁波波長。
[0020] 本發明的發明目的是這樣實現的：
[0021] 本發明基于DINSAR的高壓輸電鐵塔頂端傾斜位移監測方法，通過對不同時刻的兩 幅SAR圖像共輒相乘得到干涉相位圖，再將干涉相位圖中的高壓輸電鐵塔沿著距離向依次 排列，形成一個初始干涉相位圖，利用FFT計算初始干涉相位圖中干涉條紋頻率，并剔除高 壓輸電鐵塔的豎直高度相位，得到殘留相位圖，對殘留相位圖進行相位解纏，得到因高壓輸 電鐵塔頂端傾斜位移引起的真實差分干涉相位，最后根據真實差分干涉相位計算高壓輸電 鐵塔的頂端傾斜位移;這樣使本發明具有實時監控、測量精度高、監測面積大和成本低的特 點。
【附圖說明】
[0022] 圖1是本發明基于DINSAR的高壓輸電鐵塔頂端傾斜位移監測方法流程圖；
[0023]圖2是鐵塔未發生傾斜時，干涉相位圖上鐵塔頂端到底端的豎直高度相位示意圖； [0024]圖3是鐵塔發生傾斜時，干涉相位圖上鐵塔頂端到底端的干涉相位示意圖；
[0025] 圖4是將高壓輸電鐵塔在距離向并排放后的初始干涉相位示意圖；
[0026] 圖5是從初始干涉相位圖中剔除高壓輸電鐵塔豎直高度相位后的殘留相位圖； [0027]圖6是未發生傾斜的高壓輸電鐵塔進行相位解纏后的真實差分干涉相位圖；
[0028]圖7是發生傾斜的高壓輸電鐵塔進行相位解纏后的真實差分干涉相位圖；
[0029]圖8是本發明改進的DINSAR幾何模型；
[0030] 圖9是高壓輸電鐵塔的實際傾斜方向、距離向和方位向的分量示意圖；
[0031] 圖10是表1所選區域的星載SAR圖像的幅度圖；
[0032] 圖11是表1所選區域的不同時刻兩幅SAR圖像的干涉相位圖；
[0033] 圖12是從圖10所示干涉相位圖得到的初始干涉相位圖。
[0034] 圖13是表1所選區域的不同時刻兩幅SAR圖像的相干系數圖。
【具體實施方式】
[0035] 下面結合附圖對本發明的【具體實施方式】進行描述，以便本領域的技術人員更好地 理解本發明。需要特別提醒注意的是，在以下的描述中，當已知功能和設計的詳細描述也許 會淡化本發明的主要內容時，這些描述在這里將被忽略。
[0036] 實施例
[0037] 為了方便描述，先對【具體實施方式】中出現的相關專業術語進行說明：
[0038] SAR(Synthetic Aperture Radar):合成孔徑雷達；
[0039] INSAR( Interferometric Synthetic Aperture Radar):干涉合成孔徑雷達；
[0040] DINSAR(Differential Interferometric Synthetic Aperture Radar):差分干 涉合成孔徑雷達；
[0041 ] DEM(Digital Elevation Model):數字高程模型；
[0042] FFT(Fast Fourier Transformation)快速傅里葉變換；
[0043] IFFT( Inverse Fast Fourier Transformation)快速傅里葉反變換；
[0044] 圖1是本發明基于DINSAR技術的高壓輸電鐵塔頂端傾斜位移監測方法流程圖。
[0045] 在本實施例中，如圖1所示，本發明一種基于DINSAR的高壓輸電鐵塔頂端傾斜位移 監測方法，包括以下步驟：
[0046] S1、在同一監測點，利用星載DINSAR系統分別獲取高壓輸電鐵塔在不同時刻的兩 幅SAR圖像，再將兩幅不同時刻SAR圖像在復數域共輒相乘取相位部分得到干涉相位圖，最 后從干涉相位圖中提取出每個高壓輸電鐵塔所在的像素矩形區域。
[0047] 在本實施例中，設兩幅SAR圖像由5000X5000個像素點組成;對兩幅SAR圖像同一 行同一列像素上的復數值進行共輒相乘取相位部分作為干涉相位圖中此行此列的像素相 位值，此干涉相位圖亦由5000X5000個像素點組成，然后從此干涉相位圖中，提取出每個高 壓輸電鐵塔所在的像素矩陣區域，設每個鐵塔區域由100X25個像素點組成，總共提取出4 個高壓輸電鐵塔區域。
[0048] 將鐵塔未發生傾斜時，干涉相位圖上鐵塔頂端到底端的干涉相位逐漸遞增，由于 干涉相位在(-3ΠΤ)主值區間內，故以一定頻率呈現周期性遞增趨勢，將此相位命名為豎直高 度相位，如圖2所示;鐵塔發生傾斜時，干涉相位圖上鐵塔頂端到底端的干涉相位則包括鐵 塔的豎直高度相位和鐵塔傾斜位移引起的差分相位之和，此干涉相位亦在(-M)主值區間 內，以另一不同頻率呈現周期性遞增或遞減趨勢，如圖3所示。
[0049] S2、將所有的高壓輸電鐵塔所在的像素矩形區域沿著距離向依次排列，形成一個 初始干涉相位圖。
[0050] 在本實施例中，將4個高壓輸電鐵塔區域沿著距離向依次排列，形成100X100的像 素矩陣區域，即作為初始干涉相位圖。
[0051 ]在本實施例中，如圖4所示，初始干涉相位圖中假定鐵塔1，2，4未發生傾斜，鐵塔3 有傾斜。
[0052] S3、對初始干涉相位圖中所有行的像素點的像素值對應疊加取平均后成一行，利 用FFT計算此行的干涉條紋頻率，然后根據干涉條紋頻率剔除高壓輸電鐵塔的豎直高度相 位，得到殘留相位圖；
[0053] 在本實施例中，將初始干涉相位圖中100X 100個像素點的像素值對應疊加成一 行，即為1 X 1〇〇，然后對此行做FFT變換，在變換后的頻譜中尋找頻率值最大的頻點，即為干 涉條紋頻率;再對變換后的頻譜進行圓周位移，使干涉條紋頻率位移到〇頻處，得到位移后 的頻譜;最后通過對位移后的頻譜做IFFT變換，從而可以剔除高壓輸電鐵塔的豎直高度相 位，而IFFT變換后的圖像作為殘留相位圖，此殘留相位為僅由輸電鐵塔傾斜位移引起的干 涉相位，由于未做解纏，此相位亦在(_皿)主值區間內，以一定頻率呈現周期性遞增或遞減 趨勢，如圖5所示。
[0054] S4、對殘留相位圖中每個高壓輸電鐵塔區域進行相位解纏，得到每個高壓輸電鐵 塔因頂端傾斜位移引起的真實差分干涉相位；
[0055] 在本實施例中，殘留相位圖由IX 100個像素點組成，殘留相位圖中共有4個高壓輸 電鐵塔區域，每個高壓輸電鐵塔區域由1 X25個像素點組成，且殘留相位纏繞在(-μ)的主 值之間；
[0056] 對殘留相位圖中的每個高壓輸電鐵塔區域進行相位解纏，解纏方法如下：
[0057]設高壓輸電鐵塔區域的最左端第一個像素點的真實差分干涉相位為0,然后從左 至右逐一判斷，若此像素殘留相位值與相鄰左邊像素殘留相位值之差大于I，則將此差值 與此像素相鄰左邊的真實差分干涉相位之和作為此像素點的真實差分干涉相位，反之，若 此差值小于4，則將加與此像素相鄰左邊的真實差分干涉相位之和作為此像素點的真實差 分干涉相位，最終得到最右端所在像素點的真實差分干涉相位，并作為該高壓輸電鐵塔頂 端傾斜位移引起的真實差分干涉相位。
[0058]如圖6所示，高壓輸電鐵塔1，2,4未發生傾斜，其殘留相位圖進行相位解纏后得到 的真實差分干涉相位為0。如圖7所示，輸電鐵塔3發生傾斜，其殘留相位圖進行相位解纏后 得到的真實差分干涉相位，其中最右端位置值為輸電鐵塔頂端傾斜位移引起的真實差分干 涉相位。
[0059] S5、根據真實差分干涉相位計算高壓輸電鐵塔的頂端傾斜位移；
[0060] 在本實施例中，如圖8所示，設Q0是鐵塔傾斜前的位置，C20是傾斜后的位置，衛星 距鐵塔頂端位置的距離分別是^和^，衛星的入射角為0，d'是由于疊掩為&在地面的投影 點，C 2D丄出心AAR數據的衛星的高度為是800km，鐵塔的高度約20m~50m，鐵塔頂端的傾斜 位移一般為厘米到分米級，在這個尺度下，根據真實差分干涉相位計算高壓輸電鐵塔的頂 端傾斜位移為：
[0061]
[0062]其中，| CiC21表示鐵塔的頂端傾斜位移，Φ 為高壓輸電鐵塔頂端傾斜位移引起 的真實差分干涉相位，Θ為衛星的入射角，λ為發射雷達電磁波的波長。此方法僅是計算鐵塔 傾斜位移方向的距離向分量，即如圖9所示，為鐵塔的實際傾斜方向和距離向，方位向的分 量示意圖。
[0063] 實例
[0064] 表1是選取的某一研究區域的SAR數據參數。
[0065]
[0067] 表 1
[0068] 圖10是表1所選區域的星載SAR圖像的幅度圖。
[0069] 圖11是表1所選區域的不同時刻兩幅SAR圖像的干涉相位圖。
[0070] 圖12是從圖10所示干涉相位圖得到的初始干涉相位圖。
[0071] 圖13是表1所選區域的不同時刻兩幅SAR圖像的相干系數圖。
[0072] 在實施例中，我們研究了四個高壓輸電鐵塔的傾斜信息。其中，圖10，11，12，13中 橢圓圈里為鐵塔。在圖10,13中，我們可以看到鐵塔的相干性是遠高于其他區域。這是因為 鐵塔具有比其他區域更強的散射值。在圖11中，鐵塔的干涉相位也比其它區域要穩定些。除 此之外，在此實施例中，由于鐵塔高度限制和僅僅微小的傾斜位移，干涉圖并未出現明顯的 條紋。基于改進的DINSAR方法，我們獲得了圖11中這四個鐵塔頂端的位移(從左至右)分別 是+0 · 018m，+0 · 01m，+0 · 028m and+0 · 01m。（ "+"代表衛星和鐵塔的距離變小。則相反）。根 據鐵塔的安全標準，若鐵塔頂端位移超〇. 2m~0.3m，這些鐵塔將有可能倒塌需要做預警。因 此實施例中研究區域的鐵塔目前是安全的。
[0073]此外，高壓輸電鐵塔還可以用類似于高壓輸電鐵塔的線狀物體替代，均屬于本發 明所述范疇。
[0074]盡管上面對本發明說明性的【具體實施方式】進行了描述，以便于本技術領域的技術 人員理解本發明，但應該清楚，本發明不限于【具體實施方式】的范圍，對本技術領域的普通技 術人員來講，只要各種變化在所附的權利要求限定和確定的本發明的精神和范圍內，這些 變化是顯而易見的，一切利用本發明構思的發明創造均在保護之列。
【主權項】
1. 一種基于DINSAR技術的高壓輸電鐵塔頂端傾斜位移監測方法，其特征在于，包括w 下步驟： (1) 、在同一監測點，利用星載DINSAR系統分別獲取高壓輸電鐵塔在不同時刻的兩幅 SAR圖像，再將兩幅不同時刻SAR圖像共輛相乘得到干設相位圖，最后從干設相位圖中提取 出每個高壓輸電鐵塔所在的像素矩形區域； (2) 、將所有的高壓輸電鐵塔所在的像素矩形區域沿著距離向依次排列，形成一個初始 干設相位圖； (3) 、利用FFT計算初始干設相位圖中干設條紋頻率，根據干設條紋頻率剔除高壓輸電 鐵塔的豎直高度相位，得到殘留相位圖； (4) 、對殘留相位圖中每個高壓輸電鐵塔進行相位解纏，得到每個高壓輸電鐵塔因頂端 傾斜位移引引起的真實差分干設相位； 巧）、根據真實差分干設相位計算高壓輸電鐵塔的頂端傾斜位移。2. 根據權利要求1所述的基于DINSAR技術的高壓輸電鐵塔傾斜位移監測方法，其特征 在于，所述步驟(3)中，獲取殘留相位圖的方法為： 設初始干設相位圖由η X η個像素點組成;對初始干設相位圖中所有行的像素點的像素 值對應疊加取平均后成一行，即IXn個像素點，然后對此行做FFT變換，在變換后的頻譜中 尋找頻率值最大的頻點，即為干設條紋頻率;再對變換后的頻譜進行圓周位移，使干設條紋 頻率位移到0頻處，得到位移后的頻譜;最后通過對位移后的頻譜做IFFT變換，從而可W剔 除高壓輸電鐵塔的豎直高度相位，IFFT變換后的圖像作為殘留相位圖。3. 根據權利要求1所述的基于DINSAR技術的高壓輸電鐵塔頂端傾斜位移監測方法，其 特征在于，所述步驟(4)中，對殘留相位圖中每個高壓輸電鐵塔進行相位解纏的方法為： 設殘留相位圖中每個高壓輸電鐵塔區域由IXm個像素點組成，且殘留相位纏繞在(-31 π)的主值之間，其中，m = n/k，k表示殘留相位圖中高壓輸電鐵塔的個數； 設高壓輸電鐵塔區域的最左端第一個像素點的真實差分干設相位為0,然后從左至右 逐一判斷，若此像素殘留相位值與相鄰左邊像素殘留相位值之差大于-η，則將此差值與此 像素相鄰左邊的真實差分干設相位之和作為此像素點的真實差分干設相位，反之，若此差 值小于-31，則將如與此像素相鄰左邊的真實差分干設相位之和作為此像素點的真實差分干 設相位，最終得到最右端所在像素點的真實差分干設相，并作為該高壓輸電鐵塔頂端傾斜 位移引起的真實差分干設相位。4. 根據權利要求1所述的基于DINSAR技術的高壓輸電鐵塔頂端傾斜位移監測方法，其 特征在于，所述步驟(4)中，根據真實差分干設相位計算高壓輸電鐵塔的頂端傾斜位移需利 用W下公式來計算：其中，I ClC2 I表示鐵塔的頂端傾斜位移，Φ tDwer為高壓輸電鐵塔頂端傾斜位移引起的真 實差分干設相位，0為衛星的入射角，λ為發射雷達的電磁波波長。5. 根據權利要求1所述的基于DINSAR技術的高壓輸電鐵塔頂端傾斜位移監測方法，其 特征在于，其特征在于，所述的高壓輸電鐵塔還可w用類似于高壓輸電鐵塔的線狀物體替 代。
【文檔編號】G01C9/00GK105974411SQ201610278753
【公開日】2016年9月28日
【申請日】2016年4月28日
【發明人】陳彥, 吳寶龍, 童玲
【申請人】電子科技大學