一种升降轨PSInSAR地面沉降监测结果的互检验与时序融合方法

一种升降轨PSInSAR地面沉降监测结果的互检验与时序融合方法
【专利摘要】一种升降轨PSInSAR地面沉降监测结果的互检验与时序融合方法，它有五大步骤：一、数据选取及对升降轨雷达数据分别进行PSInSAR处理；二、升降轨PSInSAR观测值坐标系的统一；三、升降轨PSInSAR观测值参考基准的统一；四、基准偏差补偿后升降轨PSInSAR观测沉降速率的相关性计算及精度互检验；五、升降轨PSInSAR观测形变即沉降累积量序列的时序融合。本发明通过计算主辅轨道观测序列的整体偏差和因起始时间差引起的形变累积量差，实现主辅轨道PSInSAR观测形变累积量数据的时序融合，加密了研究区PSInSAR的观测形变序列，从而准确、精细地恢复出研究区地面沉降的非线性动态变化过程。
【专利说明】-种升降轨PS I nSAR地面沉降监测结果的互检验与时序融 合方法

【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种升降轨PSInSAR地面沉降监测结果的互检验与时序融合方法，属 于合成孔径雷达干涉【技术领域】。它对升降轨雷达数据分别进行PSInSAR数据处理后，将获 取的2组视线向形变量转换为沉降量进行沉降监测精度互检验，在检验InSAR观测的内符 合精度的基础上，完成对所有PSInSAR观测的相干目标累积沉降量的时序融合，从而实现 加密PSInSAR监测地面沉降形变序列的目的，这一方法可以完整刻画出研究区地面沉降的 非线性变化过程。

【背景技术】
[0002] PSInSAR，即永久散射体干涉测量，是一种基于雷达图像的相位数据来提取地面目 标三维空间信息的重要技术。经过近10年的发展，在华北平原、长江三角洲等地区已规模 化应用，这一技术已成为我国平原区地面沉降监测主要的空间技术手段。PSInSAR技术的核 心是基于大量的SAR数据（一般大于20甚至30景），对永久散射体（即PS点）的干涉相 位进行时间序列分析，最终获取每个PS点的线性、非线性形变速率以及形变累积量序列。 这种方法一般对雷达影像个数有严格要求，一方面，只有雷达影像个数达到一定数量才能 筛选出在整个时间跨度内都具有稳定信号的PS点；另一方面，为了提高PS点的估算精度， 也需要大量的雷达数据进行统计分析。于是，通常结合研究区地面沉降速率的大小以及目 前在轨的雷达卫星的波长，选取重复周期合适的雷达卫星，订购该卫星的雷达数据并积累 到PSInSAR技术对数据量的要求，即可真实地获得研究区的地面沉降状况。如果研究区为 城区，可获取的同一模式的雷达数据量较少，但由于该区存在较多相干目标且在长时间间 隔下保持了很高的相干性，此时进行PSInSAR数据处理也可得到较高的监测精度。
[0003] 但是，在地面沉降非线性特征较为明显的地区，由于雷达卫星的重复周期较长，即 在时间域同一模式雷达数据的采样密度较小，或者在相同时间跨度内同一模式雷达数据量 较少，当用PSInSAR技术获取该区的地面沉降状况时，研究区地面沉降的非线性变化特征 并不能完整刻画。相同模式雷达数据中，同一相干目标点P在相邻两时间点mT、nT上的差 分相位可由式⑴表达 ：

【权利要求】
1. 一种升降轨PSInSAR地面沉降监测结果的互检验与时序融合方法，其特征在于：该 方法具体步骤如下： 步骤一：数据选取及对升降轨雷达数据分别进行PSInSAR处理 基于研究区域地面沉降速率的大小，选取雷达波长及重复周期都较为合适的雷达卫星 的升轨数据和降轨数据； 针对雷达卫星的升轨数据和降轨数据，要分别进行PSInSAR处理，分别获取升降轨模 式下PSInSAR观测的地面沉降速率和形变累积量序列；首先，利用多准则相干目标识别算 法，最大化地提取每一轨道下的相干目标，以Delaunay三角网连接该轨道下所有相干目 标，根据相邻相干目标的差分干涉相位差序列，利用二维周期图估算相干点间的形变速率 和高程误差改正，以此为基础，进行该轨道下残余相位的滤波处理，得到不同时刻相干点的 非线性形变和大气估计，最终获取该轨道下每个相干目标的地面沉降速率值和形变序列； 步骤二：升降轨PSInSAR观测值坐标系的统一 为对比升降轨不同模式下PSInSAR观测的结果，必须首先统一它们的坐标系统，使得 升降轨模式下雷达数据获取的地表形变观测值处于相同的参考坐标系中，具有相同的空间 基准； 坐标系统一通过2种方式来实现，即雷达坐标系下的统一和地面坐标下的统一；雷达 坐标系下的统一是指将具有不同角度的SAR图像直接进行精确配准；由于雷达波入射方向 和入射角的差异而造成SAR数据不均匀变形，使得这一配准方式的精度受限；地面坐标下 的统一则是要先进行正射校正，即地理编码，使得在升降轨下获取的雷达图像位于相同的 地面坐标系下，以消除因地形起伏引起的畸变影响，然后进行升降轨雷达图像的精确匹配； 这种方式需要获取研究区的DEM数据，DEM数据的精度决定了地理编码的精度，高程精度优 于10m的DEM数据保证了平坦地区配准精度优于1个像元； 采用地面坐标系统一的方式进行升降轨PSInSAR观测结果的坐标转换；将升降轨雷达 影像分别进行地理编码，并实现升降轨PSInSAR处理获取的沉降速率图的坐标转换；确定 主轨道，在获取位于地面坐标系下主轨道的平均雷达强度图像后，应用多项式纠正模型，即 式（2)，完成辅轨道与主轨道间在地面坐标系下的精确配准，以进一步提高主辅轨道间沉降 速率图的配准精度；
(2) 式中：Λ X、Ay分别为主辅影像X、y方向的相对偏移量；p为多项式阶数，选择3阶多 项式；a、b为多项式系数； 步骤三：升降轨PSInSAR观测值参考基准的统一 受制于雷达波入射角和入射方向的影响，同一相干目标分别在升降轨雷达图像中对应 的位置略有差别，因而，升降轨PSInSAR观测结果在平面上是"浮动的"，它们之间的绝对变 化量取决于参考基准的变化，实现升降轨PSInSAR观测结果参考基准统一的本质是解决不 同参考位置间的整体偏差； 进行参考位置的统一，需以主轨道为基准；首先，在选定主轨道的前提下，提取主轨道 上相干目标的地面沉降速率；其次，对辅轨道的PSInSAR观测数据进行插值处理，生成连续 分布的沉降面；然后，根据主轨道上相干目标的空间位置，提取辅轨道上相应位置的沉降参 数；最后，利用统计方法，即式（3) (4)解算主辅轨道之间的整体偏差，进而完成辅轨道与主 轨道的统一；
式中：Λ V()ff为主辅轨道PSInSAR监测沉降速率间的整体基准偏差；\和\.分别为主辅 轨道下相干目标i的形变即沉降速率；N为统计样本数；&为基准偏差补偿后辅影像中相干 目标的形变即沉降速率； 步骤四：基准偏差补偿后升降轨PSInSAR观测沉降速率的相关性计算及精度互检验 在完成主辅轨道PSInSAR观测值坐标系和参考基准统一的基础上，对主辅轨道 PSInSAR观测样本进行相关性计算，进一步证明主辅轨道间PSInSAR观测结果的不同是由 主辅轨道不同参考位置间的整体偏差造成的； 为检验主辅轨道上PSInSAR观测形变即沉降速率的精度，直接利用提取的主辅轨道上 相同相干目标的PSInSAR观测速率值进行统计比较，以互差的均方差为统计指标，按照式 (5)计算：
(5) 式中％为主轨道第i个相干目标的PSInSAR观测值，t为辅轨道第i个相干目标的 经过基准偏差补偿后的PSInSAR观测值，P为统计样本点个数； 步骤五：升降轨PSInSAR观测形变即沉降累积量序列的时序融合 设主轨道上Μ幅、辅轨道上N幅PSInSAR形变累积量图对应的序列值分别为
(6) (7) 其中，Dm为主轨道上Μ幅PSInSAR形变观测图中相干目标对应的形变累积量序列，Ds 为辅轨道上N幅PSInSAR形变观测图中相干目标对应的形变累积量序列，为主轨道上第 i幅PSInSAR形变观测图中相干目标的形变累积量（i = 0, 1，. . .，M-1)，&为辅轨道上第j 幅PSInSAR形变观测图中相干目标的形变累积量（j = 0, 1，...，N-1)，m为主轨道，s为辅 轨道； 显然，这2组PSInSAR观测序列存在参考基准整体速率偏差和因起始时间差引起的形 变累积量差，需要逐个进行补偿；对辅轨道下的形变序列进行整体速率偏差修正，以求得参 考基准补偿后辅轨道下第j幅形变观测图中相干目标的形变即沉降累积量表达为 < 二 Α?+?/; (pom) (8) 式中，为辅轨道下j幅形变观测图中相干目标经整体速率偏差补偿后的形变累积 量?为辅轨道下j幅形变观测图中相干目标沉降速率偏差补偿前的形变累积量，Λ V()ff为 主辅轨道间整体速率观测值基准偏差，h为辅轨道下生成第j幅形变观测图的两幅雷达图 像获取时刻的时间间隔，单位为年； 在完成速率偏差修正后，需将这2组PSInSAR观测值统一到相同的时间起点，此时，形 变序列的补偿量为辅轨道相对于主轨道观测序列起始时刻的形变量偏差，将之加到序列累 积量上即得到辅轨道下第j幅形变观测图中相干目标经整体速率偏差和因起始时间差引 起的形变累积量差补偿后的形变即沉降累积量，即 d) =ym^T + d) (9) 式中为辅轨道下第j幅形变观测图中相干目标经整体速率偏差和因起始时间差 引起的形变累积量差补偿后的形变即沉降累积量，为辅轨道下下j幅形变观测图中相干 目标经整体速率偏差补偿后的形变累积量，vm为同名相干目标在主轨道下的沉降速率，ΛT 为辅轨道相对主轨道在起始时刻的时间差，单位为年； 在完成相干目标的整体速率偏差补偿和时间偏差补偿后，主辅轨道下的形变累积量序 列统一到相同的时间和空间参考基准上，从而得到相干目标加密后的PSInSAR形变即沉降 观测序列为 D - [d〇，屯，…dM-" …，dM+N-J (10) 式中，D为相干目标加密后PSInSAR形变即沉降累积量观测序列，dji = 1，2, 3, ...，M+N-1)为主轨道相干目标或辅轨道经基准补偿后相干目标的PSInSAR形变累 积量。
【文档编号】G01S7/40GK104111457SQ201410351900
【公开日】2014年10月22日 申请日期:2014年7月23日 优先权日:2014年7月23日
【发明者】王艳, 葛大庆, 李曼, 张玲, 郭小方 申请人:中国国土资源航空物探遥感中心