一種基於高精度DEM提高InSAR技術監測地表形變精度的方法
2023-09-17 09:46:05 5
一種基於高精度DEM提高InSAR技術監測地表形變精度的方法
【專利摘要】一種基於高精度DEM提高InSAR技術監測地表形變精度的方法，它有五大步驟：步驟一、由雷達數據生成幹涉紋圖；步驟二、差分幹涉相位圖的生成；步驟三、誤差相位的構成及特徵分析；步驟四、誤差相位最優函數校正模型的建立；步驟五、根據步驟二和步驟四的結果恢復監測區的地表形變信息。該方法通過提取研究區不同區域的誤差相位和高程值或誤差相位、高程以及沿距離/方位向的坐標值，基於最小二乘法，分別建立相應區域誤差相位的最優函數校正模型，最後，將模擬的誤差相位從差分幹涉圖中去除，進而恢復監測區沿雷達視線向的形變信息。本發明在星載合成孔徑雷達監測地表形變技術應用領域具有實用價值和廣闊的應用前景。
【專利說明】—種基於高精度DEM提高InSAR技術監測地表形變精度的方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種基於高精度數字高程模型(DEM)提高合成孔徑雷達幹涉測量(InSAR)技術監測地表形變精度的方法，屬於星載合成孔徑雷達監測地表形變【技術領域】，它適用於基於高解析度雷達數據和外部高精度DEM，根據誤差相位與研究區高程之間的某種函數關係，建立研究區的區域最優誤差相位校正模型，恢復研究區地面目標沿雷達視線向的形變信息，從而進一步提高InSAR技術監測地表形變的能力。
【背景技術】
[0002]InSAR技術監測地表形變的核心是通過獲取雷達與地面目標之間的相位信息恢復地面監測目標的幾何及形變特徵，對地表微小形變具有很強的敏感性。由於雷達兩次觀測條件的變化，包括雷達軌道偏差、地物後向散射特性變化以及噪聲的影響，使得兩次獲取的地面目標的雷達信號相干性降低，難以完成空間離散分布的雷達目標的相位解纏。此外，雷達衛星的基線誤差、引入的外部DEM數據不準確以及雷達衛星兩次觀測時刻大氣波動的影響等，這些因素都會降低InSAR技術監測地表形變結果的精度。針對這一問題，當前常用的解決方法有兩種:一種是傳統合成孔徑雷達差分幹涉技術(D-1nSAR);—種是基於具有穩定散射特性的相干點目標時間序列分析技術。
[0003]傳統D-1nSAR技術的基本思路是，在保證主輔影像配準誤差在1/8個像元以下，並對主輔影像進行帶通濾波處理後，通過主輔影像共軛相乘及差分處理去除平地相位和地形相位，最終得到的差分幹涉圖中的誤差相位主要是由雷達數據兩次獲取期間較大的大氣波動引起的。在可獲取外部大氣數據的情況下，將大氣層中的水汽含量轉換為大氣相位，將其從差分相位圖中消除，進而得到監測區地表的形變信息。這種方法假設軌道基線及外部DEM數據完全精確，數據在處理過程中產生的誤差忽略不計，單純依靠外部地面氣象參數進行水汽延遲校正，但現有的大氣水汽監測網絡以及物理模型並不能對大氣中的水汽含量沿微波信號的路徑進行足夠準確的外推；基於具有穩定散射特性的相干點目標時間序列分析技術的基本思路是，基於具有穩定散射特性的相干點目標，根據其幹涉相位的構成及各相位分量的時空特徵，對相干目標的幹涉相位進行時間序列分析，估算DEM誤差、大氣波動與軌道誤差以及噪聲等，逐步將這些非形變相位分離，從而準確獲取地表的形變信息。這些方法包括永久散射體幹涉測量技術(PSI)、短基線幹涉測量法(SBAS)、點目標幹涉測量分析(IPTA)等，它們對雷達數據量的要求較高，一般需要25景甚至更多的SAR影像，當數據量較少且監測區非線性形變梯度較大時，應用中存在一定的局限。
【發明內容】
[0004]本發明的目的是，針對現有方法沒有考慮軌道基線及外部DEM數據不準確引起的誤差，使得InSAR技術監測地表形變結果的精度不高，甚至有時難以恢復短時間段內地表形變信息的問題，提供了一種基於高精度DEM提高InSAR技術監測地表形變精度的方法，它是一種通過建立差分幹涉圖中誤差相位與研究區高程之間的最優函數校正模型去除誤差相位提高InSAR監測地表形變精度的方法。通過推導、分析發現，差分幹涉圖中的誤差相位主要由兩部分組成:一是軌道基線和外部DEM數據不準確引起的誤差相位；一是大氣波動，即大氣溼分量變化引起的延遲相位，兩者都與研究區的高程密切相關。另外，在地形起伏較大、降水豐沛的高山峽谷區的局部區域，大氣延遲相位也是地理位置的函數。於是根據研究區誤差相位的分布特徵不同，分別提取相應區域內的誤差相位、高程信息以及沿距離向/方位向的坐標，基於最小二乘法，對誤差相位與高程、沿距離向/方位向的坐標值進行函數擬合，在保證函數模型簡單、殘差平方和最小的前提下，建立相應區域誤差相位的最優多項式校正模型。最後，將模型模擬的誤差相位從差分幹涉圖中去除，進而較為準確地恢復出形變區域沿雷達視線向的形變信息。
[0005]技術解決方案
[0006]本發明的技術解決方案見附圖1，包括以下五個步驟:
[0007](1)由雷達數據生成幹涉紋圖；
[0008](2)差分幹涉相位圖的生成；
[0009](3)誤差相位的構成及特徵分析；
[0010](4)誤差相位最優函數校正模型的建立；
[0011](5)根據步驟二和步驟四的結果恢復監測區的地表形變信息。
[0012]本發明一種基於高精度DEM提高InSAR技術監測地表形變精度的方法，該方法具體步驟如下:
[0013]步驟一:由雷達數據生成幹涉紋圖
[0014]通過星載SAR傳感器獲取的雷達數據，基於相干性進行主輔影像選擇。將主輔影像進行精確配準，根據配準多項式將輔影像與主影像的配準誤差控制在1/8個像元以下，並對兩者進行帶通濾波處理，然後將它們逐像素共軛相乘生成幹涉紋圖。
[0015]步驟二:差分幹涉相位圖的生成
[0016]基於衛星軌道參數及幹涉紋圖的條紋頻率，分別估算平行基線和垂直基線；根據SAR影像的坐標系統及投影等信息，將外部高精度DEM轉換到SAR坐標系下，結合衛星軌道信息模擬研究區的地形相位、平地相位，將其從幹涉紋圖中去除，得到差分幹涉相位圖。
[0017]步驟三:誤差相位的構成及特徵分析
[0018]經過差分處理並對差分幹涉相位圖進行相位解纏，解纏後的差分幹涉相位圖中任一像素X的差分幹涉相位Λ φ^(χ)可由形變相位Λ Φ^(χ)和誤差相位Λ Φ60(χ)兩部分組成，其中誤差相位Λ Φ60(χ)可由如下公式表示。
[0019]
【權利要求】
1.一種基於高精度DEM提高InSAR技術監測地表形變精度的方法，其特徵在於:該方法具體步驟如下:步驟一:由雷達數據生成幹涉紋圖通過星載SAR傳感器獲取的雷達數據，基於相干性進行主輔影像選擇；將主輔影像進行精確配準，根據配準多項式將輔影像與主影像的配準誤差控制在1/8個像元以下，並對兩者進行帶通濾波處理，然後將它們逐像素共軛相乘生成幹涉紋圖；步驟二:差分幹涉相位圖的生成基於衛星軌道參數及幹涉紋圖的條紋頻率，分別估算平行基線和垂直基線；根據SAR影像的坐標系統及投影信息，將外部高精度DEM轉換到SAR坐標系下，結合衛星軌道信息模擬研究區的地形相位、平地相位，將其從幹涉紋圖中去除，得到差分幹涉相位圖；步驟三:誤差相位的構成及特徵分析經過差分處理並對差分幹涉相位圖進行相位解纏，解纏後的差分幹涉相位圖中任一像素X的差分幹涉相位Λ Φ^(χ)由形變相位Λ Φ^(χ)和誤差相位Λ (χ)兩部分組成，其中誤差相位Λ Φ (χ)由如下公式表示:Δ Φ error (χ)= Δ Φ ε _h (χ) + Δ Φ b (χ) + Λ Φ atm (χ) + Δ w (χ) (1)其中，Λ Φ E_h(x)為垂直基線及外部DEM數據不準確造成的地形誤差相位，Λ (Κ(χ)為平行基線不準確引起的平地誤差相位，Λ Φ3?ω(χ)為大氣溼延遲引起的誤差相位，Λ w(x)為隨機的噪聲誤差相位；垂直基線及外部DEM數據不準確造成的地形誤差相位的計算公式如下所示:
【文檔編號】G01S13/90GK103675790SQ201310717105
【公開日】2014年3月26日 申請日期:2013年12月23日 優先權日:2013年12月23日
【發明者】李曼, 夏耶, 張玲, 郭小方, 葛大慶, 王豔 申請人:中國國土資源航空物探遙感中心