专利名称：地表形变的监测方法和装置及数据处理设备的制作方法
技术领域：
本发明涉及勘测领域，具体而言，涉及一种地表形变的监测方法和装置及数据处理设备。
背景技术：
矿产资源的过度开采容易破坏矿区地下地质结构，引发地表塌陷、滑坡、崩塌、泥石流、地裂缝、地面沉降和地面积水等事故，甚至导致矿区透水事故，造成严重的安全隐患甚至人员伤亡。通过对矿区长期、动态的沉降监测，对矿区沉降规律进行分析，可及时掌握矿区地质环境的破坏程度，从而针对实际情况制定相应的应急处理方案。同时，矿区的地表形变数据信息可为矿区的规划、治理和发展提供数据支撑，有利于促进矿山地质灾害环境的一体化管理。因此，矿区沉降监测是矿区开采和可持续发展的重要组成部分，对预防潜在地质灾害具有重要意义。 目前，针对矿区地表形变监测的主要手段有传统的水准测量、全球定位系统(Global Position System,简称GPS)测量和电子测距测量等,这几种监测方法空间分辨率低、不适合用于对矿区进行快速、准确、大范围的监测；而且需要大量的人力、物力的支持，需要测量人员进入监测区域内进行野外作业，不仅监测难度大、效率低下，而且还存在安全隐患；台站分布和观测周期受到地形和气候等环境因素的影响大，监测不精确。针对现有技术中对矿区沉降监测成本高而且监测精度低的问题，目前尚未提出有效的解决方案。
发明内容
本发明提供了一种地表形变的监测方法和装置及数据处理设备，以至少解决现有技术中对矿区沉降监测成本高而且监测精度低问题。为了实现上述目的，根据本发明的一个方面，提供了一种地表形变的监测方法。根据本发明的地表形变的监测方法包括获取目标区域的卫星雷达影像；获取目标区域的卫星雷达影像的像素；对像素进行复数运算以得到目标区域的干涉图；以及获取干涉图中的地表形变数据。进一步地，获取目标区域的卫星雷达影像包括获取目标区域的多幅不同的卫星雷达影像，获取目标区域的卫星雷达影像的像素包括获取目标区域的多幅不同的卫星雷达影像的像素。进一步地，在获取目标区域的多幅卫星雷达影像之后和获取目标区域的多幅卫星雷达影像的像素之前，上述方法还包括获取多幅卫星雷达影像中的坐标数据；计算获取的多幅卫星雷达影像中的坐标数据之间的偏移量；以及利用偏移量配准获取的多幅卫星雷达影像，获取目标区域的卫星雷达影像的像素包括获取目标区域的配准后的多幅卫星雷达影像的像素。进一步地，对像素进行复数运算以得到目标区域的干涉图包括通过像素获取多幅卫星雷达影像的相位差；以及对相位差进行灰度化计算以获取干涉图。进一步地，获取干涉图中的地表形变数据包括去除干涉图中的地形相位、平地相位和相位噪声以获取地表形变数据。进一步地，去除干涉图中的地形相位、平地相位和相位噪声以获取地表形变数据包括利用二轨法或三轨法去除地形相位；利用基于地理定位的去平地效应方法去除平地相位；以及通过矢量滤波方法去除相位噪声。进一步地，在获取目标区域的卫星雷达影像之后以及在获取目标区域的卫星雷达影像的像素之前，上述方法还包括获取基础数据资料，其中，基础数据资料为与目标区域地形相关的数据；结合基础数据资料对卫星雷达影像进行纠正处理以获取正射卫星雷达影像，获取目标区域的卫星雷达影像的像素包括获取目标区域的正射卫星雷达影像的像素。为了实现上述目的，根据本发明的另一个方面，提供了一种地表形变的监测装置，该装置用于执行本发明提供的任意一种地表形变的监测方法。根据本发明的另一方面，提供了一种地表形变的监测装置。该监测装置包括第一获取单元，用于获取目标区域的卫星雷达影像；第二获取单元，用于获取目标区域的卫星雷达影像的像素；第一计算单元，用于对像素进行复数运算以得到目标区域的干涉图；以及第三获取单元，用于获取干涉图中的地表形变数据。进一步地，第一获取单元还用于获取目标区域的多幅不同的卫星雷达影像，第二获取单元还用于获取目标区域的多幅不同的卫星雷达影像的像素。进一步地，上述装置还包括第四获取单元，用于获取多幅卫星雷达影像中的坐标 数据；第二计算单元，用于计算获取的多幅卫星雷达影像中的坐标数据之间的偏移量；以及第五获取单元，用于利用偏移量配准获取的多幅卫星雷达影像，第二获取单元还用于获取目标区域的配准后的多幅卫星雷达影像的像素。进一步地，第一计算单元包括获取子单元，用于通过像素获取多幅卫星雷达影像的相位差；以及计算子单元，用于对相位差进行灰度化计算以获取干涉图。进一步地，第三获取单元还用于去除干涉图中的地形相位、平地相位和相位噪声以获取地表形变数据。进一步地，第三获取单元包括第一去除子单元，用于利用二轨法或三轨法去除地形相位；第二去除子单元，用于利用基于地理定位的去平地效应方法去除平地相位；以及第三去除子单元，用于通过矢量滤波方法去除相位噪声。进一步地，上述装置还包括第六获取单元，用于获取基础数据资料，其中，基础数据资料为与目标区域地形相关的数据；纠正单元，用于结合基础数据资料对卫星雷达影像进行纠正处理以获取正射卫星雷达影像，第二获取单元还用于获取目标区域的正射卫星雷达影像的像素。根据本发明的再一方面，提供了一种数据处理设备。该数据处理设备包括本发明提供的任一种地表形变的监测装置。通过本发明，由于接收来自卫星的卫星雷达影像数据，并通过卫星雷达影像数据中的像素数据得到干涉图，干涉图中包含着表征地表形变的数据信息和其他数据信息，在去除其他信息后，即可得到地表形变的数据信息，该方法借助了卫星数据，取样的准确度大大高于实地勘测而投入成本低于实地勘测，然后通过数据处理系统的运算得出地表形变的结果，计算的准确度同样大大高于人工的计算，因此解决了对矿区沉降监测成本高而且监测精度低的问题，进而达到了快速准确地检测矿区沉降的效果。
构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中图I是根据本发明实施例的地表形变的监测装置的结构框图；图2是根据本发明第一优选实施例的地表形变的监测装置的结构框图；
图3是根据本发明第二优选实施例的地表形变的监测装置的结构框图；图4是根据本发明第三优选实施例的地表形变的监测装置的结构框图；图5是根据本发明第四优选实施例的地表形变的监测装置的结构框图；图6是根据本发明实施例的地表形变的监测方法的流程图；以及图7是根据本发明优选实施例的地表形变的监测方法的流程图。
具体实施例方式需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。本发明实施例提供了一种地表形变的监测装置，以下对本发明实施例所提供的地表形变的监测装置进行介绍。图I是根据本发明实施例的地表形变的监测装置的结构框图。如图I所示，该地表形变的监测装置包括第一获取单元11、第二获取单元12、第一计算单元13和第三获取单元14。第一获取单元11用于获取目标区域的卫星雷达影像。第二获取单元12用于获取目标区域的卫星雷达影像的像素。第一计算单元13用于对像素进行复数运算以得到目标区域的干涉图。第三获取单元14用于获取干涉图中的地表形变数据。以上四个单元的功能均可以通过CPU来实现。在本实施例中，由于接收来自卫星的卫星雷达影像数据，并通过卫星雷达影像数据中的像素数据得到干涉图，从该干涉图中即可得到地表形变的数据信息，借助卫星数据，取样的准确度大大高于实地勘测而投入成本低于实地勘测，然后通过数据处理系统的运算得出地表形变的结果，计算的准确度同样大大高于人工的计算，因此解决了对矿区沉降监测成本高而且监测精度低的问题，进而达到了快速准确地检测矿区沉降的效果。为了使得监测结果更加准确，可以以多幅卫星雷达影像为依据进行监测，优选地，第一获取单元还用于获取目标区域的多幅不同的卫星雷达影像，第二获取单元还用于获取目标区域的多幅不同的卫星雷达影像的像素。图2是根据本发明第一优选实施例的地表形变的监测装置的结构框图。该实施例可以作为图I所示实施例的优选实施方式。如图2所示，该地表形变的监测装置除了包括第一获取单元11、第二获取单元12、第一计算单元13和第三获取单元14之外，还包括第四获取单元15、第二计算单元16和第五获取单元17。第四获取单元15用于获取多幅卫星雷达影像中的坐标数据。第二计算单元16用于计算获取的多幅卫星雷达影像中的坐标数据之间的偏移量。第五获取单元17用于利用偏移量配准获取的多幅卫星雷达影像。第二获取单元12还用于获取目标区域的配准后的多幅卫星雷达影像的像素。本实施例的各单元的功能也可以通过CPU来实现。
在该实施例中，通过获取多幅卫星雷达影像中的坐标数据，对多幅卫星雷达影像进行配准，并获取配准后的卫星雷达影像中的像素，提高了监测的准确性。图3是根据本发明第二优选实施例的地表形变的监测装置的结构框图。该实施例可以作为图2所示实施例的优选实施方式。如图3所示，该地表形变的监测装置包括第一获取单元11、第二获取单元12、第一计算单元13、第三获取单元14、第四获取单元15、第二计算单元16和第五获取单元17，其中，第一计算单元13包括获取子单元131和计算子单元132。获取子单元131用于通过像素获取多幅卫星雷达影像的相位差。计算子单元132用于对相位差进行灰度化计算以获取干涉图。本实施例的各子单元的功能可以通过CPU来实现。在该实施例中，通过获取不同卫星雷达影像的相位差，通过计算得出干涉图，为获取地表形变数据提供了基础。图4是根据本发明第三优选实施例的地表形变的监测装置的结构框图。该实施例可以作为图I所示实施例的优选实施方式。如图4所示，该地表形变的监测装置包括第一获取单元11、第二获取单元12、第一计算单元13和第三获取单元14，其中，第三获取单元14包括第一去除子单元141、第二去除子单元142和第三去除子单元143。在本实施例中，第三获取单元还用于去除干涉图中的地形相位、平地相位和相位噪声以获取地表形变数据。在去除干涉图中的地形相位、平地相位和相位噪声后，剩余的数据即为地表形变数据。第一去除子单元141用于利用二轨法或三轨法去除地形相位。第二去除子单元142用于利用基于地理定位的去平地效应方法去除平地相位。第三去除子单元143用于通过矢量滤波方法去除相位噪声。本实施例中的子单元的功能均可以通过CPU实现。在该实施例中，从获取的干涉图中去除地形相位、平地相位和相位噪声，剩余的即为地表形变数据，因此去除以上地形相位、平地相位和相位噪声即可获取地表形变数据。图5是根据本发明第四优选实施例的地表形变的监测装置的结构框图。该实施例可以作为上述任意一个实施例的优选实施方式，下面以作为图I所示实施例的优选实施方式为例。如图5所示，该地表形变的监测装置除了包括第一获取单元11、第二获取单元12、第一计算单元13和第三获取单元14之外，还包括第六获取单元18和纠正单元19。
第六获取单元18用于获取基础数据资料，其中，基础数据资料为与目标区域地形相关的数据。纠正单元19用于结合基础数据资料对卫星雷达影像进行纠正处理以获取正射卫
星雷达影像。
本实施例的单元的功能可通过CPU实现。在本实施例中，第二获取单元还用于获取目标区域的正射卫星雷达影像的像素。在该实施例中，通过结合目标区域的基础数据对卫星雷达影像进行纠正，可以获得更加精确的影像，从而提高了监测的精度。本发明实施例提供了一种数据处理设备，该设备可以包括本发明实施例提供的任一种地表形变的监测装置。本发明实施例还提供了一种地表形变的监测方法。图6是根据本发明实施例的地表形变的监测方法的流程图。如图6所示，该地表形变的监测方法包括如下的步骤S602至步骤S608。步骤S602，获取目标区域的卫星雷达影像。在给定目标区域的坐标范围之后，优选比例尺合适、图像稳定、技术先进、而且可靠的卫星数据销售商，完善图像处理设备，收集矿区的卫星雷达影像。用于监测的卫星雷达影像主要来自欧空局的ENVISAT卫星、日本宇航局的ALOS卫星和德国宇航局的TerraSAR-X卫星。此时，还可以进一步获取目标区域的正射卫星雷达影像。首先，获取基础数据资料，其中，基础数据资料为与目标区域地形相关的数据，然后，结合基础数据资料对卫星雷达影像进行纠正处理就可以获取正射卫星雷达影像。具体地，将基础数据和卫星雷达影像数据相结合后，对结合得到的数据进行纠正控制点选取，接着判断纠正处理结果是否满足要求，如果不满足则重新选取；如果满足，则进行正射纠正处理，正射纠正是通过在像片上选取一些地面控制点，并利用原来已经获取的该像片范围内的数字高程模型(DEM)数据，对影像同时进行倾斜改正和投影差改正，正射纠正处理改正了因地形起伏和传感器误差而引起的像点位移。通过正射纠正处理，即可获取正射卫星雷达影像。 在本实施例中，获取目标区域的多幅卫星雷达影像。由于目前3D技术还不够成熟，通过一幅卫星雷达影像来完成本实施例的准确度低于借助多幅卫星雷达影像时的效果。因而，优选地，获取多幅卫星雷达影像中的坐标数据，并计算获取的多幅卫星雷达影像中的坐标数据之间的偏移量，从而可以利用偏移量配准获取的多幅卫星雷达影像。卫星雷达影像的配准是干涉影像处理中的重要步骤。由于地形对相位的影响非常敏感，如果多幅卫星雷达影像所对应的同名点有所错开，将会产生很大的测量误差。因此，要求多幅卫星雷达影像的配准精度一定要达到亚像元级的水平。配准过程中很重要的一步是计算卫星雷达影像所对应的同名点的相对偏移量，一旦确定了卫星雷达影像同名点之间的相对偏移量，以两幅卫星雷达影像为例，就可以对一幅卫星雷达影像进行插值重采样，完成两幅卫星雷达影像的配准。根据所选取的两幅卫星雷达影像数据，采用同名点自动匹配算法得到匹配点，该算法大致包括三个步骤(1)把主、辅影像的重叠区域等分成若干网格，在每个网格上提取唯一角点作为特征点，使用从主影像中提取的特征点，应用相关性分析在辅影像对应的区域中搜索同名点，接着使用从辅助影像中提取的特征点来对主影像中的区域进行相似搜索，最后合并交叉搜索获得的同名点对。然后根据同名点对的情况，采用最小二乘原理来回溯搜索最佳变换函数类型和相应变换参数，大概包括两步(a)使用同名点对，并采用最小二乘原理依次计算同名点对在采用仿射变换、二次多项式变换和三次多项式变换下的总的中误差和对应变换参数；(b)对所得的3个总的中误差进行排序，选择总的中误差最小的对应变换函数和对应变换参数；
(2)通过分层回溯逐层加密控制点来求得最佳变换函数类型和相应变换参数。处理步骤包括(a)首先细化格网并提取特征点，对新获取的特征点重新进行交叉搜索来更新同名点对；(b)应用最小二乘原理，对已有的同名点对使用步骤(I)获取的最佳变换函数进行重新计算来获取新的变换函数和对应变换参数；(C)应用新的变换函数重复迭代(2a)、(2b)，直至格网细分到预定要求(一般3 5次细分)；(3)在原始影像分辨率下修正同名点坐标， 即把不同分辨率尺度上的同名点对坐标映射到原始影像的分辨率尺度上，在获取的同名点坐标邻域范围内进行最佳坐标值搜索，进而获得最终匹配点。将这些匹配点作为控制点进行二阶多项式拟合来确定两幅卫星雷达影像中任何一个匹配位置的相对偏移量，即可以确定几何变换模型，最后根据相对偏移量，以一幅卫星雷达影像为准，用双线性插值法对另一幅卫星雷达影像作插值重采样，从而完成配准操作，这样的配准操作也叫做精确配准。精确配准后控制点残差的方均根误差为0. I 0. 2像元且有效控制点一般至少在20以上，基本均匀分布在卫星雷达影像中。步骤S604，获取目标区域的卫星雷达影像的像素(像元)。当获取目标区域的多幅不同的卫星雷达影像时，获取目标区域的配准后的多幅不同的卫星雷达影像的像素。在获取到正射卫星雷达影像时，还可以获取目标区域的正射卫星雷达影像的像素。步骤S606，对像素进行复数运算以得到目标区域的干涉图。精确配准后的两幅主、辅卫星雷达影像的对应像元分别以复数表示为S1 =| ZZ1 卜州,N2 = U2 el(>-U1和U2为像元接收信号的幅值部分，C^1和小2为相位部分。将两幅图对应的像元共轭相乘得到U = I ./, I^2 爲_4)u为干涉图像像元，其幅值数据是对应像元的幅值乘积，相位数据是对应像元的相位之差，反映了两次成像时卫星传感器天线到反射目标的距离差。从干涉图像中获得的相位是被限制在(-31，3i)的范围内的真实相位的主值，还需要进行相位展开处理才能恢复出完整的真实相位。相位展开处理可以采用基于最小二乘的相位展开，这个算法是基于干涉相位图中的像元差值而不是像元值本身的相位展开方法，它的计算结果是通过使展开相位的梯度与缠绕相位的梯度之间的均方差达到最小而确定的。在该真实相位的基础上，去除干涉图中的地形相位、平地相位和相位噪声以获取地表形变数据。干涉图中不仅包含因地形起伏引起的干涉相位，还包含由地表位移引起的形变相位，通过对干涉图进行差分处理(去除地形影响)来获取地表微量形变。对于一幅干涉图而言，形变相位的干涉影像是通过已配准的主、从卫星雷达数字影像的共轭相乘所得到的IF (r, n) = M(r, n) S (r, n) *式中(r，n)表示像素坐标；M和S分别为复数形式的主影像和辅影像；IF为复数
形式的干涉影像，而其相位△ 0可以写成以下的形式
权利要求
1.一种地表形变的监测方法,其特征在于,包括 获取目标区域的卫星雷达影像； 获取所述目标区域的卫星雷达影像的像素； 对所述像素进行复数运算以得到所述目标区域的干涉图；以及 获取所述干涉图中的地表形变数据。
2.根据权利要求I所述的地表形变的监测方法，其特征在于， 获取目标区域的卫星雷达影像包括 获取所述目标区域的多幅不同的卫星雷达影像， 获取所述目标区域的卫星雷达影像的像素包括 获取所述目标区域的多幅不同的卫星雷达影像的像素。
3.根据权利要求2所述的地表形变的监测方法，其特征在于， 在获取目标区域的多幅卫星雷达影像之后和获取所述目标区域的多幅卫星雷达影像的像素之前，所述方法还包括 获取所述多幅卫星雷达影像中的坐标数据； 计算获取的多幅卫星雷达影像中的坐标数据之间的偏移量；以及 利用所述偏移量配准所述获取的多幅所述卫星雷达影像， 获取所述目标区域的卫星雷达影像的像素包括 获取所述目标区域的配准后的多幅卫星雷达影像的像素。
4.根据权利要求3所述的地表形变的监测方法，其特征在于，对所述像素进行复数运算以得到所述目标区域的干涉图包括 通过所述像素获取所述多幅卫星雷达影像的相位差；以及 对所述相位差进行灰度化计算以获取所述干涉图。
5.根据权利要求I所述的地表形变的监测方法，其特征在于，获取所述干涉图中的地表形变数据包括 去除所述干涉图中的地形相位、平地相位和相位噪声以获取所述地表形变数据。
6.根据权利要求5所述的地表形变的监测方法，其特征在于，去除所述干涉图中的地形相位、平地相位和相位噪声以获取所述地表形变数据包括 利用二轨法或三轨法去除所述地形相位； 利用基于地理定位的去平地效应方法去除所述平地相位；以及 通过矢量滤波方法去除所述相位噪声。
7.根据权利要求I至6任一项所述的地表形变的监测方法，其特征在于， 在获取目标区域的卫星雷达影像之后以及在获取所述目标区域的卫星雷达影像的像素之前，所述方法还包括 获取基础数据资料，其中，所述基础数据资料为与目标区域地形相关的数据； 结合所述基础数据资料对所述卫星雷达影像进行纠正处理以获取正射卫星雷达影像， 获取所述目标区域的卫星雷达影像的像素包括 获取所述目标区域的正射卫星雷达影像的像素。
8.一种地表形变的监测装置，其特征在于，包括 第一获取单元，用于获取目标区域的卫星雷达影像；第二获取单元，用于获取所述目标区域的卫星雷达影像的像素； 第一计算单元，用于对所述像素进行复数运算以得到所述目标区域的干涉图；以及 第三获取单元，用于获取所述干涉图中的地表形变数据。
9.根据权利要求8所述的地表形变的监测装置，其特征在干， 所述第一获取单元还用于获取所述目标区域的多幅不同的卫星雷达影像， 所述第二获取单元还用于获取所述目标区域的多幅不同的卫星雷达影像的像素。
10.根据权利要求9所述的地表形变的监测装置，其特征在干， 所述装置还包括 第四获取单元，用于获取所述多幅卫星雷达影像中的坐标数据； 第二计算单元，用于计算获取的多幅卫星雷达影像中的坐标数据之间的偏移量；以及 第五获取单元，用于利用所述偏移量配准所述获取的多幅所述卫星雷达影像， 所述第二获取单元还用于获取所述目标区域的配准后的多幅卫星雷达影像的像素。
11.根据权利要求10所述的地表形变的监测装置，其特征在于，所述第一计算单元包括 获取子単元，用于通过所述像素获取所述多幅卫星雷达影像的相位差；以及 计算子単元，用于对所述相位差进行灰度化计算以获取所述干涉图。
12.根据权利要求8所述的地表形变的监测装置，其特征在于，所述第三获取单元还用于去除所述干涉图中的地形相位、平地相位和相位噪声以获取所述地表形变数据。
13.根据权利要求12所述的地表形变的监测装置，其特征在于，所述第三获取单元包括 第一去除子単元，用于利用ニ轨法或三轨法去除所述地形相位； 第二去除子単元，用于利用基于地理定位的去平地效应方法去除所述平地相位；以及 第三去除子単元，用于通过矢量滤波方法去除所述相位噪声。
14.根据权利要求8至13任一项所述的地表形变的监测装置，其特征在干， 所述装置还包括 第六获取单元，用于获取基础数据资料，其中，所述基础数据资料为与目标区域地形相关的数据； 纠正单元，用于结合所述基础数据资料对所述卫星雷达影像进行纠正处理以获取正射卫星雷达影像， 所述第二获取单元还用于获取所述目标区域的正射卫星雷达影像的像素。
15.ー种数据处理设备，其特征在于，包括权利要求8至14任一项所述的地表形变的监测装置。
全文摘要
本发明公开了一种地表形变的监测方法和装置及数据处理设备，该地表形变的监测方法包括获取目标区域的卫星雷达影像；获取目标区域的卫星雷达影像的像素；对像素进行复数运算以得到目标区域的干涉图；以及获取干涉图中的地表形变数据。通过本发明，由于接收来自卫星的卫星雷达影像数据，并通过卫星雷达影像数据中的像素数据得到干涉图，干涉图中包含着表征地表形变的数据信息和其他数据信息，在去除其他信息后，即可得到地表形变的数据信息，进而达到了快速准确地检测矿区沉降的效果。
文档编号G01S13/89GK102680972SQ20121018195
公开日2012年9月19日 申请日期2012年6月4日 优先权日2012年6月4日
发明者孟淑英, 张志峰, 张敦芳, 李程, 王瑞国, 白璐, 黄健 申请人:中国神华能源股份有限公司, 神华地质勘查有限责任公司