一种集成多轨道、长条带CTInSAR的区域性地面沉降监测方法
【专利摘要】一种集成多轨道、长条带CTInSAR的区域性地面沉降监测方法，它有七大步骤：步骤一：长条带雷达数据分块与配准；步骤二：差分干涉纹图集生成；步骤三：轨道残余相位去除；步骤四：CTInSAR时序分析；步骤五：长条带相邻分块检验与校正；步骤六：多轨道坐标系统统一；步骤七：多轨道信息检验与参考基准统一。本发明解决了InSAR在大区域形变调查与监测中遇到的两个主要问题，一是如何减弱形变信息提取过程中基线误差、大气波动以及相位解缠噪声等在空间域随范围增大而表现明显的低频特性的误差影响；二是如何将相邻轨道的形变监测结果在空间位置上进行精确配准，并统一不同轨道间形变测量的参考基准。
【专利说明】-种集成多轨道、长条带CTInSAR的区域性地面沉降监测 方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种集成多轨道、长条带CTInSAR (Coherent Target SAR Interferometry，相干目标合成孔径雷达干涉测量）的区域性地面沉降监测方法，属于合 成孔径雷达干涉测量（InSAR)技术应用领域。它克服了大区域CTInSAR数据处理过程中误 差传播与基准偏差的问题，达到了区域性地面沉降的高精度调查与监测。
【背景技术】
[0002] 当前我国存在大范围的地面沉降，华北平原、长江三角洲、汾渭谷地三大主要沉降 区的影响范围超过数万平方公里，且有进一步扩展连片分布的特点。其他地区如江汉平原、 松嫩平原、下辽河以及珠江三角洲等也有不同程度的地面沉降发生。传统的主要地面沉降 监测手段（水准测量、基岩标、分层标和GPS监测网等）均面临空间覆盖有限、监测频率低、 监测点密度低、观测时间长且难以同步等问题。星载InSAR技术是根据星载雷达图像的相 位数据来获取地面形变信息的一门技术，能满足调查监测精度要求的同时，具有大覆盖范 围、快速重访、高监测点位密度等特点，且易于组织，人为干扰少。
[0003] 大区域地面沉降场调查与监测要求雷达数据具备二维方向上的完整覆盖，而单个 图幅重复轨InSAR主要解决局部地区（几百至几千平方公里）地表形变场的高精度连续监 测，以常用的ENVISAT ASAR扫描模式的数据来说，单个图幅覆盖范围在lOOkmXIOOkm，涉 及几万平方公里大区域的地面沉降监测必然需要多轨道、长条带的InSAR成果集成。多轨 道集成包含相邻平行轨道集成（如图1所示）以及升降轨模式集成，其中相邻平行轨道集 成是解决大范围覆盖的主要技术途径。
[0004] 多轨道、长条带集成方法基于单图幅CTInSAR时序分析技术，实现大区域地面沉 降监测。但随着空间覆盖范围的增大，InSAR数据处理过程中误差因素也随之增大。这些 误差主要包括基线误差、大气波动以及相位解缠噪声（相位不连续）等在空间域表现为低 频特性的因素。随着覆盖范围的增大，低频信号的累加效应表现明显，影响了沉降场监测结 果的准确性，往往使得沉降场观测结果中附加某种趋势信号。
[0005] 另一个问题是不同轨道（入射角）下InSAR成果具有不同的坐标系和参考基准。 无论采用何种时序分析方法，每个轨道下的形变监测结果都存在于独立的坐标系中（雷达 坐标系），其形变场参考基准也不相同。不同轨道下SAR数据均与各自独立的主图像进行精 确配准，因而，其观测结果位于不同主图像的坐标系内。斜距成像的特点决定了不同入射的 雷达图像存在不同的变形（扭曲、旋转等），特别是在地形起伏较大的地区。即使同一景雷 达图像内，其象元的分辨率也存在差别。此外，InSAR技术所获取的形变量均是相对于某一 个特定的参考基准而言的，其参考基准是在时序分析过程中选择的某一特定相干目标，其 活动状况往往未知。这使得不同轨道下的形变场存在参考基准偏差，涉及到整体偏差补偿 问题。
[0006] 因此，为解决区域性地面沉降InSAR监测中存在的问题，本专利通过将长条带雷 达数据分块，各分块独立完成CTInSAR时序分析，获取各分块高精度地面沉降监测成果，有 效地降低了长条带合成孔径雷达数据的干涉处理误差，并通过对同一条带不同分块和多轨 道不同条带下形变监测结果的检验与校正，最终达到大区域地面沉降的全覆盖、同时段调 查与监测。
【发明内容】
[0007] 1、目的
[0008] 本发明的目的是为了获取全覆盖、同时段的高精度区域性地面沉降信息，解决了 InSAR在大区域形变调查与监测中遇到的两个主要问题，一是如何减弱形变信息提取过程 中基线误差、大气波动以及相位解缠噪声等在空间域随范围增大而表现明显的低频特性的 误差影响；二是如何将相邻轨道的形变监测结果在空间位置上进行精确配准，并统一不同 轨道间形变测量的参考基准。
[0009] 2、技术方案
[0010] 本发明是一种集成多轨道、长条带CTInSAR的区域性地面沉降监测方法，建立了 满足低相干条件下区域性地面沉降监测的CTInSAR技术，方法具体步骤如下：
[0011] 步骤一：长条带雷达数据分块与配准
[0012] 符合InSAR测量要求的星载SAR数据通常以长条带方式获取，数据通常为单视复 数数据（single look complex digital image, SLC)，记录了目标在影像上的散射强度以 及雷达回波的相位信息。
[0013] 假设同一长条带获得m个重轨数据，在对长条带数据进行处理时，首先选择一幅 主影像M，对其进行方位向上的分块裁切，得到η个分块分别为M franrel、Mfranre2、……、Mfra_， 每个分块称为一个Frame，每个Frame在雷达影像的方位向尽量与距离向保持相同地面距 离范围，相邻分块之间保留20%的重叠区域。
[0014] 将其他SAR数据做为辅影像分别以MfMel、Mframe2、……、M fra_为主影像进行精密 配准，得到η个frame配准后的SLC数据集[M，Sp S2,……，Sm_J。针对每个frame的SLC数 据集执行步骤二至步骤四。
[0015] 步骤二：差分干涉纹图集生成
[0016] 考虑空间基线与时间基线对SAR图像对造成的失相干影响，选择具有较短空间基 线与时间基线的图像对两两进行组合，生成差分干涉纹图集。
[0017] 每个图像对主副影像共轭相乘得到干涉纹图，干涉纹图的相位组成包括：
【权利要求】
步骤三：轨道残余相位去除 地形相位与平地相位的计算均与基线长度相关，而轨道的精度直接影响干涉相对空间 基线的计算；由于轨道的不准确性形成的残余相位，即Orbit ramp或Orbit residual;应 用精密轨道参数修正初始轨道参数能有效降低这种因素的影响，但当干涉图范围扩大时， 二维平面上轨道残余相位的积累将使得形变图上附加一种趋势，这种趋势随着数据覆盖范 围的增大而变化；基于最小二乘进行趋势面拟合进而去除轨道残余相位，首先依据先验知 识挑选出差分干涉纹图集中有明显残余相位的干涉纹图，针对有误差的干涉纹图首先进行 相位解缠，通过提取解缠相位图中一定采样间隔的解缠相位，利用二次或者高次函数进行 相位回归，进而拟合趋势面；这里选择二次函数式（5)作为拟合函数进行相位回归；
式中以hr)为采样点解缠相位；(x，y)为采样点图像坐标；为多项式系数；基于最 小二乘原则，计算出％，从差分相位ctdiff中减去拟合的轨道残余相位； 步骤四：CTInSAR时序分析 当SLC数据集中数据量较少时即m〈20,依据相干目标频谱变化小这一特性进行相干目 标的选择；点目标的实际几何尺寸往往小于雷达分辨单元，与分布目标具有不同的信号特 征，不具备斑点噪声的特性，相位稳定，因而将其视为相干目标；由于点目标稳定的后向散 射特性，在获取原始信号过程中各个子视图像上表现出相似的后向散射特征，不同距离向 和方位向的子带宽内的散射强度大致相同，因而将SLC图像作反变换，生成复数个子视图， 将子视图作谱相关分析，根据其相关性的大小来识别点目标；设各子视图内的某像元的信 号七⑷=a ig(n)，l彡i彡L为视数，g(n)为该像元信号，按照能量比标准衡量L个子视 信号的整体相似性为：
依据上述相干目标时序分析方法，通过相干目标时序分析模型迭代补偿DEM误差、通 过滤波减小大气相位以及噪声的影响，获取到各相干目标点的地面沉降量； 步骤五：长条带相邻分块检验与校正 对长条带中的每个frame重复步骤二至步骤四，得到条带下各分块地面沉降信息；长 条带的每个frame获取的形变信息图的参考基准位置不同，需要对连续frame的参考基准 进行整体偏差补偿；整体偏差估算依赖于重叠部分相干目标形变参数的统计分析，依据同 名点按照式（12)统计连续frame之间形变速率的整体偏差，参与统计的相干目标均为满足 相关模型的点；在此过程中选择连续frame中的一个作为基准，其余均相对于该frame进行 基准偏差补偿，一般情况下，在每个frame时序分析过程中，根据时间基线的变化关系，将 在不同时间间隔下稳定区域内的相干目标作为参考基准，以此降低frame之间形变参数的 整体偏差； 以两块连续frame之间的检验、校正，选择其中一个frame作为基准，依据frame之间 重叠区域同名点的统计信息进行基准偏差的整体补偿
式（12)和（13)中：Δ p ^为frame之间基准偏差；P mi为基准frame重叠区中相干目 标i的形变量；P si为需调整frame重叠区中相干目标i的形变量；N表示两个frame包含 的同名点个数；A为调整的frame中所有相干目标改正后的形变向量； 对于重叠区域内的各相干点目标形变量P i的取值采用距离加权平均方法求解：
式中Pmi和Psi分别为基准frame和调整frame第i个相干目标的权，P mi和么分别为 重叠区内第i个相干目标在基准frame和调整frame中的形变量，D为重叠区长度，Dmi和 Dsi分别为基准frame和调整frame中相干目标距离重叠区内各自影像方位向边缘的距离； 步骤六：多轨道坐标系统统一 通过对不同轨道下的多个长条带InSAR地面沉降信息集成进而获取大覆盖范围的监 测成果，首先需要对不同的轨道数据进行坐标系统一，具有相同的空间坐标基准； 首先需要获取研究区的DEM数据，根据外部DEM将雷达图像与监测成果进行正射校正， 即地理编码，使得不同轨道下的雷达图像位于相同的地面坐标系下，消除因地形起伏以及 成像几何关系引起的畸变因素的影响；高程精度优于l〇m的DEM数据保证了平坦地区配准 精度优于一个像元，依据卫星参数将DEM模拟至SAR坐标系，建立初始坐标变换表，再将DEM 模拟的影像与SAR图像进行精密配准改进坐标变换表，通过反向变换，将雷达坐标系下各 轨道地面形变信息地理编码至DEM所在的地面坐标系内； 步骤七：多轨道信息检验与参考基准统一 位于相同地面坐标系的不同轨道形变信息集成过程中，受制于雷达成像入射角的影 响，不能像长条带连续frame重叠区内的相干目标在相邻frame中基本一致，相邻轨道下相 干目标是完全不同的，选择其中一条轨道为主轨道，相邻另一条为辅轨道，首先通过反距离 加权插值方法将辅轨道上相干目标分析结果进行空间域插值为面，设辅轨道重叠区内共有 η个相干目标点，其插值后平面各点坐标（x，y)的沉降速率值通过下式计算得出：
式中Pi为第i个相干目标点的沉降量，φ为点（x，y)到第i个相干目标点的距离；再 利用主轨道上重叠区内相干点目标位置提取其在辅轨道上插值面上的形变值P s ;根据相 同相干点目标在主轨道的沉降值P m和在辅轨道的沉降值P 3进行检验与校正，检验与校正 方法同长条带相邻分块的检验与校正。
【文档编号】G01C5/00GK104122553SQ201410353927
【公开日】2014年10月29日 申请日期:2014年7月23日 优先权日:2014年7月23日
【发明者】葛大庆, 张玲, 王艳, 郭小方, 王毅 申请人:中国国土资源航空物探遥感中心