一种基于角反射器的边坡形变监测环境影响校正方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及一种基于角反射器的边坡形变监测环境影响校正方法，属于地面雷达 监测技术领域。
【背景技术】
[0002] 常规监测技术，如测斜仪、引伸计、GI^S或地形调查等只提供在滑坡区有限数量点 的位移信息，而地面合成孔径雷达干设测量技术已经证明其对面位移的监测能力，广泛用 于冰川、火山等滑坡监测和灾害预警。另外，地面雷达干设测量技术由于不受光照、气候条 件等的影响，弥补了星载雷达受搭载平台和卫星参数影响精度不高的不足，能生成高精度 的数字高程模型。地面雷达采用步进频率微波信号作为传播信号，容易受到湿度、溫度、气 压等大气因素的影响。如何消除环境影响，成为地面雷达实现高精度测量的关键所在。
[0003] 环境影响是雷达干设测量中主要误差来源，国内外进行了大量的试验和研究。 Noferini等人分析了大气水汽含量在时空上的变化对地面干设测量的影响，提出了用外 部辅助数据和永久散射体技术两种校正方法，并成功应用于意大利CitrineValley的 山体滑坡监测（2009 年，LuziG,，NoferiniLMecattid等，在《I邸ETransactionson GeoscienceandRemoteSensing》第 47 卷第 2 期发表文章"UsingaGroundBased SARInterferometerandaTerrestrialLaserScannertoMonitoraSnow-Covered Slope:ResultsfromanExperimentalDataCollectioninTyrol(Austria)"。） MontiGuarnier等人采取统计分析的手段，得到地面雷达干设测量受大气影响引起的相位 变化，并进行相应的补偿（2011 年，lanniniLandMontiGuarnieriA，在《Geoscience andRemoteSensingLetters》第 3 卷第 8 其月发表文章"AtmosphericPhaseScreenin Ground-BasedRadar:StatisticsandCompensation"。）国内学者张祥等人分析了小范围 监测区域短时间内的大气扰动变化，实现对其扰动误差的校正（2011年，张祥、陆必应、宋 千等，在《雷达科学与技术》第9卷第6期发表文章"地基SAR差分干设测量大气扰动误差 校正"。）徐亚明、周校等提出一种基于离散稳定点的全局环境改正方法，但只适用于小范围 区域（2013年，徐亚明、周校、王鹏、邢诚等，在《大地测量与地球动力学》第33卷第3期上发 表文章"地基雷达干设测量的环境改正方法研究"。）华远锋、李连友等研究了测定大气参数 校正法和选取稳定点校正法的影响因素，分析了它们的优缺点，实验表明运两种方法在短 时间近距离观测中可有效改正环境影响（2013年，华远峰、李连友、胡伍生、金旭辉、孙腾科 等，在《东南大学学报（自然科学版)》第43卷18期上发表文章"地面雷达静态微变形测量 环境影响改正方法研究"。） 纵观前文提到的地面雷达干设测量气象影响校正方法，每一种都有自身独特的优势， 但也都存在较为明显的不足： ①PS技术能同时解决空间时间去相关和大气效应问题，但要求数据量大、数据处理复 杂、只适用于空间变化较平滑且存在持续变形的小范围区域等。
[0004] ②已有的大气折射模型校正方法，将传播路径上的大气变化简单视作均匀的，只 适合小区域、短距离观测。
[0005] ③利用外部辅助数据进行校准，可靠性取决于外部数据的精度和插值算法，而与 SAR影像分辨率相当的辅助数据难W获取。
【发明内容】
[0006] 针对上述现有技术存在的问题及不足，本发明提供一种基于角反射器的边坡形变 监测环境影响校正方法。该校正方法结合了地面雷达干设测量原理和泰森多边形法则，综 合运用实验分析和程序设计方法，可W有效地对环境影响进行校正。所W此方法可W作为 地面雷达监测环境影响校正的核屯、技术，能实现高精度观测和滑坡灾害预警，从而便于进 一步将地面雷达用于边坡监测。本发明通过W下技术方案实现。
[0007] 地面雷达监测技术原理： 地面雷达采用了合成孔径雷达、干设测量和步进频率连续波等先进技术W获取高精 度、高分辨率的变形信息。其中，步进频率连续波和合成孔径雷达技术用于提高雷达影像的 距离向分辨率和方位向分辨率，干设测量技术用于提取变形信息。
[0008] (a)合成孔径雷达技术 合成孔径雷达技术利用合成孔径雷达的相位信息提取目标大范围、高精度、全天候的 =维变化信息。地面雷达监测设备的天线沿轨道扫描时，相当于增大了天线孔径，提高了角 度向分辨率，可达到4. 4mrad。
[0009] (b)干设测量技术 对于目标物的每一次测量都包括两方面信息：振幅|l(n)I和相位（l)n。干设测量技术 主要通过雷达不同时间得到的目标物反射波的相位信息的差异进行分析，从而演算出位移 变化量。
[0010] 经过雷达的第一次发射和接收雷达波，定位目标所在的位置和雷达波相位信息。 通过第二次发射和接收雷达波，确定该时刻目标的位置和雷达波相位信息。通过两次接收 雷达波的相位信息精确计算目标的径向位移变化。
[0011] (C)步进频率连续波技术 在同时发射n组连续频率的电磁波，每组电磁波的脉冲持续时间为T，该组连续的电磁 波就是步进频率的电磁波。
[0012] 它为雷达提供了很高的距离向分辨率。雷达能够提供的频率带宽最大为 藻薦来梦，通过，攤二機I纖得到的距离向分辨率A巧0. 5m。依据运个分辨率，将雷达监测区 域沿径向每0. 5m分割成一个监测单元。通过该项技术得到的是一个一维切面图，称为距离 向切面图。在运个切面上，按照距离向分辨率（0. 5m)进行分割。
[0013] 泰森多边形法则原理： 从几何角度来看，两基站的分界线是两点之间连线的铅直等分线，将全平面分为两个 半平面，各半平面中任何一点与本半平面内基站的间隔都要比到另一基站间隔小。当基站 数量在二个W上时，全平面会划分为多个包罗一个基站的区域，区域中任何一点都与本区 域内基站间隔最近，是W运些个区域可W看作是基站的覆盖区域，我们将运种由多个点将 平面划分成的图称为泰森多边形，又称为Voronoi图。
[0014] 泰森多边形的特性是： ① 每个泰森多边形内仅含有一个基站； ② 泰森多边形区域内的点到相应基站的距离最近； ③ 位于泰森多边形边上的点到其两边的基站的距离相等。
[0015] 永久散射体技术原理： 角反射器具有高反射强度、高相关性和高质量相位，观测周期内保持稳定，相位变化完 全由环境影响引起，可W作为观测场景内的稳定点，即梁鑑=0,则黎角反射热信噪比 高，估计信噪比高，在雷达信噪比图像上呈红色。根据安置前后的图像对比，准确识别出所 有角反射器的位置。
[0016] 一种基于角反射器的边坡形变监测环境影响校正方法，其具体步骤如下： 步骤1、根据前期观测数据，选择稳定位置，实地踏勘，安置角反射器，角反射在雷达信 噪比图像上呈现红色，经安置前后的图像对比，识别出所有角反射器在雷达影像上的位置， 并记录其几何位置、估计信噪比、热信噪比和相关性信息； 步骤2、将通过步骤1得到的角反射器和目标点的雷达监测数据进行定标、聚焦、干设 和差分处理，获得角反射器和目标点的位移值，目标点的位移值|^^毅&:。胃涕薇&;;，其中義^;@;^ 为目标点环境引起的位移，为目标点的有效位移，根据永久散射体技术原理，角反射器 的位移幾=玲，其中为角反射器环境引起的位移； 步骤3、根据泰森多边形法则，W角反射器点和目标点在雷达二维坐标系下的坐标值为 数据基础，借助编程，得到Voronoi图，获得距离目标点最近的角反射器点和目标点的几何 位置关系，根据步骤2获得的目标点的位移减去距离目标点最近的步骤2得到的角反射器 位移，采用单个角反射器对目标点进行环境影响校正，获得目标点的有效位移； 步骤4、在单个角反射器校正后，存在较大偏差时，根据角反射器点和目标点的几何位 置关系，进行权重配置，采取多个角反射器加权平均的方式，进行环境影响校正。
[0017] 所述步骤1的具体过程为： 1. 1、首先安置地面雷达设备，采集安置角反射器前的数据； 1. 2、对1. 1采集的数据进行定标、聚焦； 地面雷达干设测量采集单元获取的数据不能称之为图像，它是一维的信号数据，因 此必须对数据进行定标和聚焦处理，运样可W得到距离向分辨率0.5m，方位向分辨率 4. 4mrad的二维扇形图像； 1.