一種基于高精度DEM提高InSAR技術(shù)監(jiān)測地表形變精度的方法
【專利摘要】一種基于高精度DEM提高InSAR技術(shù)監(jiān)測地表形變精度的方法，它有五大步驟：步驟一、由雷達(dá)數(shù)據(jù)生成干涉紋圖；步驟二、差分干涉相位圖的生成；步驟三、誤差相位的構(gòu)成及特征分析；步驟四、誤差相位最優(yōu)函數(shù)校正模型的建立；步驟五、根據(jù)步驟二和步驟四的結(jié)果恢復(fù)監(jiān)測區(qū)的地表形變信息。該方法通過提取研究區(qū)不同區(qū)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(biāo)值，基于最小二乘法，分別建立相應(yīng)區(qū)域誤差相位的最優(yōu)函數(shù)校正模型，最后，將模擬的誤差相位從差分干涉圖中去除，進(jìn)而恢復(fù)監(jiān)測區(qū)沿雷達(dá)視線向的形變信息。本發(fā)明在星載合成孔徑雷達(dá)監(jiān)測地表形變技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域具有實(shí)用價(jià)值和廣闊的應(yīng)用前景。
【專利說明】—種基于高精度DEM提高InSAR技術(shù)監(jiān)測地表形變精度的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種基于高精度數(shù)字高程模型(DEM)提高合成孔徑雷達(dá)干涉測量(InSAR)技術(shù)監(jiān)測地表形變精度的方法，屬于星載合成孔徑雷達(dá)監(jiān)測地表形變【技術(shù)領(lǐng)域】，它適用于基于高分辨率雷達(dá)數(shù)據(jù)和外部高精度DEM，根據(jù)誤差相位與研究區(qū)高程之間的某種函數(shù)關(guān)系，建立研究區(qū)的區(qū)域最優(yōu)誤差相位校正模型，恢復(fù)研究區(qū)地面目標(biāo)沿雷達(dá)視線向的形變信息，從而進(jìn)一步提高InSAR技術(shù)監(jiān)測地表形變的能力。
【背景技術(shù)】
[0002]InSAR技術(shù)監(jiān)測地表形變的核心是通過獲取雷達(dá)與地面目標(biāo)之間的相位信息恢復(fù)地面監(jiān)測目標(biāo)的幾何及形變特征，對(duì)地表微小形變具有很強(qiáng)的敏感性。由于雷達(dá)兩次觀測條件的變化，包括雷達(dá)軌道偏差、地物后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(biāo)的雷達(dá)信號(hào)相干性降低，難以完成空間離散分布的雷達(dá)目標(biāo)的相位解纏。此外，雷達(dá)衛(wèi)星的基線誤差、引入的外部DEM數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確以及雷達(dá)衛(wèi)星兩次觀測時(shí)刻大氣波動(dòng)的影響等，這些因素都會(huì)降低InSAR技術(shù)監(jiān)測地表形變結(jié)果的精度。針對(duì)這一問題，當(dāng)前常用的解決方法有兩種:一種是傳統(tǒng)合成孔徑雷達(dá)差分干涉技術(shù)(D-1nSAR);—種是基于具有穩(wěn)定散射特性的相干點(diǎn)目標(biāo)時(shí)間序列分析技術(shù)。
[0003]傳統(tǒng)D-1nSAR技術(shù)的基本思路是，在保證主輔影像配準(zhǔn)誤差在1/8個(gè)像元以下，并對(duì)主輔影像進(jìn)行帶通濾波處理后，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，最終得到的差分干涉圖中的誤差相位主要是由雷達(dá)數(shù)據(jù)兩次獲取期間較大的大氣波動(dòng)引起的。在可獲取外部大氣數(shù)據(jù)的情況下，將大氣層中的水汽含量轉(zhuǎn)換為大氣相位，將其從差分相位圖中消除，進(jìn)而得到監(jiān)測區(qū)地表的形變信息。這種方法假設(shè)軌道基線及外部DEM數(shù)據(jù)完全精確，數(shù)據(jù)在處理過程中產(chǎn)生的誤差忽略不計(jì)，單純依靠外部地面氣象參數(shù)進(jìn)行水汽延遲校正，但現(xiàn)有的大氣水汽監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)以及物理模型并不能對(duì)大氣中的水汽含量沿微波信號(hào)的路徑進(jìn)行足夠準(zhǔn)確的外推；基于具有穩(wěn)定散射特性的相干點(diǎn)目標(biāo)時(shí)間序列分析技術(shù)的基本思路是，基于具有穩(wěn)定散射特性的相干點(diǎn)目標(biāo)，根據(jù)其干涉相位的構(gòu)成及各相位分量的時(shí)空特征，對(duì)相干目標(biāo)的干涉相位進(jìn)行時(shí)間序列分析，估算DEM誤差、大氣波動(dòng)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(zhǔn)確獲取地表的形變信息。這些方法包括永久散射體干涉測量技術(shù)(PSI)、短基線干涉測量法(SBAS)、點(diǎn)目標(biāo)干涉測量分析(IPTA)等，它們對(duì)雷達(dá)數(shù)據(jù)量的要求較高，一般需要25景甚至更多的SAR影像，當(dāng)數(shù)據(jù)量較少且監(jiān)測區(qū)非線性形變梯度較大時(shí)，應(yīng)用中存在一定的局限。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的是，針對(duì)現(xiàn)有方法沒有考慮軌道基線及外部DEM數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確引起的誤差，使得InSAR技術(shù)監(jiān)測地表形變結(jié)果的精度不高，甚至有時(shí)難以恢復(fù)短時(shí)間段內(nèi)地表形變信息的問題，提供了一種基于高精度DEM提高InSAR技術(shù)監(jiān)測地表形變精度的方法，它是一種通過建立差分干涉圖中誤差相位與研究區(qū)高程之間的最優(yōu)函數(shù)校正模型去除誤差相位提高InSAR監(jiān)測地表形變精度的方法。通過推導(dǎo)、分析發(fā)現(xiàn)，差分干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(shù)據(jù)不準(zhǔn)確引起的誤差相位；一是大氣波動(dòng)，即大氣濕分量變化引起的延遲相位，兩者都與研究區(qū)的高程密切相關(guān)。另外，在地形起伏較大、降水豐沛的高山峽谷區(qū)的局部區(qū)域，大氣延遲相位也是地理位置的函數(shù)。于是根據(jù)研究區(qū)誤差相位的分布特征不同，分別提取相應(yīng)區(qū)域內(nèi)的誤差相位、高程信息以及沿距離向/方位向的坐標(biāo)，基于最小二乘法，對(duì)誤差相位與高程、沿距離向/方位向的坐標(biāo)值進(jìn)行函數(shù)擬合，在保證函數(shù)模型簡單、殘差平方和最小的前提下，建立相應(yīng)區(qū)域誤差相位的最優(yōu)多項(xiàng)式校正模型。最后，將模型模擬的誤差相位從差分干涉圖中去除，進(jìn)而較為準(zhǔn)確地恢復(fù)出形變區(qū)域沿雷達(dá)視線向的形變信息。
[0005]技術(shù)解決方案
[0006]本發(fā)明的技術(shù)解決方案見附圖1，包括以下五個(gè)步驟:
[0007](1)由雷達(dá)數(shù)據(jù)生成干涉紋圖；
[0008](2)差分干涉相位圖的生成；
[0009](3)誤差相位的構(gòu)成及特征分析；
[0010](4)誤差相位最優(yōu)函數(shù)校正模型的建立；
[0011](5)根據(jù)步驟二和步驟四的結(jié)果恢復(fù)監(jiān)測區(qū)的地表形變信息。
[0012]本發(fā)明一種基于高精度DEM提高InSAR技術(shù)監(jiān)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(dá)數(shù)據(jù)生成干涉紋圖
[0014]通過星載SAR傳感器獲取的雷達(dá)數(shù)據(jù)，基于相干性進(jìn)行主輔影像選擇。將主輔影像進(jìn)行精確配準(zhǔn)，根據(jù)配準(zhǔn)多項(xiàng)式將輔影像與主影像的配準(zhǔn)誤差控制在1/8個(gè)像元以下，并對(duì)兩者進(jìn)行帶通濾波處理，然后將它們逐像素共軛相乘生成干涉紋圖。
[0015]步驟二:差分干涉相位圖的生成
[0016]基于衛(wèi)星軌道參數(shù)及干涉紋圖的條紋頻率，分別估算平行基線和垂直基線；根據(jù)SAR影像的坐標(biāo)系統(tǒng)及投影等信息，將外部高精度DEM轉(zhuǎn)換到SAR坐標(biāo)系下，結(jié)合衛(wèi)星軌道信息模擬研究區(qū)的地形相位、平地相位，將其從干涉紋圖中去除，得到差分干涉相位圖。
[0017]步驟三:誤差相位的構(gòu)成及特征分析
[0018]經(jīng)過差分處理并對(duì)差分干涉相位圖進(jìn)行相位解纏，解纏后的差分干涉相位圖中任一像素X的差分干涉相位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(quán)利要求】
1.一種基于高精度DEM提高InSAR技術(shù)監(jiān)測地表形變精度的方法，其特征在于:該方法具體步驟如下:步驟一:由雷達(dá)數(shù)據(jù)生成干涉紋圖通過星載SAR傳感器獲取的雷達(dá)數(shù)據(jù)，基于相干性進(jìn)行主輔影像選擇；將主輔影像進(jìn)行精確配準(zhǔn)，根據(jù)配準(zhǔn)多項(xiàng)式將輔影像與主影像的配準(zhǔn)誤差控制在1/8個(gè)像元以下，并對(duì)兩者進(jìn)行帶通濾波處理，然后將它們逐像素共軛相乘生成干涉紋圖；步驟二:差分干涉相位圖的生成基于衛(wèi)星軌道參數(shù)及干涉紋圖的條紋頻率，分別估算平行基線和垂直基線；根據(jù)SAR影像的坐標(biāo)系統(tǒng)及投影信息，將外部高精度DEM轉(zhuǎn)換到SAR坐標(biāo)系下，結(jié)合衛(wèi)星軌道信息模擬研究區(qū)的地形相位、平地相位，將其從干涉紋圖中去除，得到差分干涉相位圖；步驟三:誤差相位的構(gòu)成及特征分析經(jīng)過差分處理并對(duì)差分干涉相位圖進(jìn)行相位解纏，解纏后的差分干涉相位圖中任一像素X的差分干涉相位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(shù)據(jù)不準(zhǔn)確造成的地形誤差相位，Λ (Κ(χ)為平行基線不準(zhǔn)確引起的平地誤差相位，Λ Φ3?ω(χ)為大氣濕延遲引起的誤差相位，Λ w(x)為隨機(jī)的噪聲誤差相位；垂直基線及外部DEM數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確造成的地形誤差相位的計(jì)算公式如下所示:
【文檔編號(hào)】G01S13/90GK103675790SQ201310717105
【公開日】2014年3月26日 申請(qǐng)日期:2013年12月23日 優(yōu)先權(quán)日:2013年12月23日
【發(fā)明者】李曼, 夏耶, 張玲, 郭小方, 葛大慶, 王艷 申請(qǐng)人:中國國土資源航空物探遙感中心