本發(fā)明屬于合成孔徑雷達(dá)干涉應(yīng)用技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種提高星載雙站差分insar提取形變精度的方法。

背景技術(shù)：

地球表層是各個圈層及宇宙空間的界面，受自然因素或人為因素作用，造成的地表高程變化或者發(fā)生位移的現(xiàn)象稱為地表形變，地表形變量超出一定界限會演變成地質(zhì)災(zāi)害，對人類生命和財產(chǎn)安全帶來嚴(yán)重?fù)p失。認(rèn)識地表形變規(guī)律是預(yù)防和減輕自然災(zāi)害重要基礎(chǔ)，也是地球動力學(xué)模型的關(guān)鍵約束，因此地表形變監(jiān)測具有重要的科學(xué)價值和現(xiàn)實(shí)意義。

傳統(tǒng)的地表形變測量手段包括水準(zhǔn)測量、gps測量、激光雷達(dá)測量等地面測量手段，這些手段可以獲得高精度的地表形變信息，但是覆蓋區(qū)域小，消耗大量人力和物力，只能開展小范圍的地表變化的監(jiān)測?；谛l(wèi)星的地表形變測量技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)大區(qū)域的地表形變的監(jiān)測，目前主要有兩種方法，一種是通過對衛(wèi)星不同時間獲得的地表高程進(jìn)行相減得到地表的形變信息，另外一種是使用sar差分干涉測量技術(shù)利用相位信息獲得地表的形變信息。這兩種方法都得到了廣泛的應(yīng)用，尤其是sar傳感器可以全天時、全天候的工作，在氣象條件復(fù)雜的地區(qū)可以有效提取大區(qū)域地表的形變信息。

tandem-x/terrasar-x雙站雷達(dá)是德國宇航局2010年發(fā)射的新型雷達(dá)系統(tǒng)，也是世界上首個星載雙站雷達(dá)系統(tǒng)，其特點(diǎn)是可以同時獲得地面的兩幅雷達(dá)影像。neckel等人于2013年在期刊《cryosphere》第7期發(fā)表“recentmassbalanceofthepurogangriicecap,centraltibetanplateau,bymeansofdifferentialx-bandsarinterferometry”一文，提出可以通過星載雙站差分insar方法來獲得區(qū)域的形變信息的概念，這種處理方法只需要對外部地形相位進(jìn)行一次減法運(yùn)算，相對于利用tandem-x/terrasar-x雙站雷達(dá)數(shù)據(jù)得到的數(shù)字地表高程減去早期獲得的數(shù)字地表高程的方法，降低了高程相位的變化梯度變化帶來的解纏誤差，并且如果差分干涉相位位于一個相位周期內(nèi)時可以不需要解纏，大大簡化了處理的復(fù)雜度。但是該方法沒有涉及到雙站差分insar的相位模型，并且其認(rèn)為形變相位只與高程變化有關(guān)，這個對于單站sar的重復(fù)軌道差分干涉而言：φdint(i，j)＝-4πδr(i，j)/λ，假設(shè)是成立的。但對于星載雙站差分insar而言，其差分干涉相位不僅與高程變化相關(guān)，而且與電磁波入射角度有關(guān)。對于星載雙站insar差分處理而言需要建立有效的星載雙站insar差分相位模型和空變的星載雙站insar差分相位與地表形變之間變換因子提高形變估計的準(zhǔn)確程度。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明主要解決的技術(shù)問題是針對星載雙站差分insar提取形變信息方法存在的上述不足，建立了星載雙站差分insar相位模型，基于此得到空變的雙站差分insar相位與地表形變之間的變換因子，提供一種提高星載雙站差分insar提取形變精度的方法，從而實(shí)現(xiàn)對地表形變的準(zhǔn)確監(jiān)測。

本發(fā)明通過以下步驟實(shí)現(xiàn)：

步驟一、基于星載雙站sar數(shù)據(jù)和外部地形，利用常規(guī)的干涉處理技術(shù)獲得雙站差分insar的差分干涉相位。

在讀入星載雙站sar獲得的兩幅影像和輔助參數(shù)之后，對地面同一目標(biāo)在主圖像和輔圖像上像元進(jìn)行匹配、計算兩幅影像之間的配準(zhǔn)多項(xiàng)式、對輔圖像進(jìn)行重采樣、生成干涉相位圖、模擬外部地形相位，并得到雙站差分insar的差分干涉相位。這幾部分的處理過程完全與傳統(tǒng)的單站雷達(dá)差分干涉數(shù)據(jù)處理相同，這幾部分的數(shù)據(jù)處理不在本發(fā)明范圍內(nèi)。例外的是常規(guī)的干涉處理流程中的電磁波往返系數(shù)為2，對于雙站差分insar需要修改為1，而且得到的雙站差分insar的差分干涉相位的代表的是高程向形變導(dǎo)致的干涉相位，而非常規(guī)干涉測量中的視線向的形變引起的干涉相位。雙站差分insar的差分干涉相位模型表示如下：

其中φdint(i，j)是位于圖像第i行第j列的雙站insar的差分干涉相位值，λ為sar傳感器的波長，b(i)是第i行的干涉基線長度，α(i)是第i行的干涉基線相對水平面的夾角度數(shù)，θ(i。j)是圖像第i行第j列像元所對應(yīng)的wgs84橢球上位置點(diǎn)的入射角度，r(j)是圖像第j列像元所對應(yīng)斜距大小，h(i，j)是圖像第i行第j列像元所對應(yīng)sar圖像獲取時間的高程值，dem(i，j)是圖像第i行第j列像元所對應(yīng)外部地形數(shù)據(jù)獲取時間的高程值。

步驟2，基于sar衛(wèi)星軌道數(shù)據(jù)和sar傳感器的成像幾何，逐像元計算星載雙站差分insar干涉相位與地表形變對應(yīng)的變換因子。

1.衛(wèi)星的軌道可以表示為衛(wèi)星位置相對于時間的高次多項(xiàng)式，一般可以采用5次的多項(xiàng)式，通過此多項(xiàng)式計算出每一圖像像元對應(yīng)的主衛(wèi)星和輔衛(wèi)星的位置和速度，通過計算兩個衛(wèi)星的位置差得到基線大小b(i)和干涉基線相對水平面的夾角度數(shù)α(i)；

2.對于圖像第i行第j列的像元k，利用已知的第一個像元的斜距大小和距離向采樣率獲得其對應(yīng)的斜距大小r(j)；

3.為了方便數(shù)據(jù)處理標(biāo)準(zhǔn)化，選取常用的地球wgs84橢球體模型的表面作為參考面，采用sar傳感器的成像幾何即多普勒方程、距離方程以及橢球方程來進(jìn)行計算像元k對應(yīng)的參考面的位置，結(jié)合衛(wèi)星的位置計算得到圖像第i行第j列像元所對應(yīng)的wgs84橢球上位置點(diǎn)的入射角度θ(i，j)；

4.通過sar傳感器參數(shù)得到其波長大小，依據(jù)變換因子的計算公式(2)計算星載雙站insar差分干涉相位與地表形變之間變換因子。

步驟3，對步驟1中獲得的雙站差分干涉相位進(jìn)行解纏得到解纏相位并逐像元計算圖像各像元對應(yīng)的地表形變大小。

如果雙站差分干涉相位位于(-π，π]之間，沒有纏繞則不需要解纏。

如果雙站差分干涉相位超出(-π，π]之間，采用已有的商業(yè)軟件或者開源軟件如snaphu進(jìn)行相位解纏。

利用下式計算圖像各像元對應(yīng)的地表形變大小。

相對于采用固定的差分干涉相位與地表形變之間變換因子而言，式(3)可以得到更為精確的結(jié)果。

步驟4，為了方便處理結(jié)果的后續(xù)使用，可以將處理結(jié)果統(tǒng)一到地理坐標(biāo)系下。利用基于衛(wèi)星軌道數(shù)據(jù)和sar傳感器的成像幾何和外部地形數(shù)據(jù)對圖像各像元進(jìn)行地理編碼處理，將上述步驟中獲得的地表形變大小對應(yīng)到相應(yīng)的地理位置，此部分處理為常規(guī)處理，不在本發(fā)明范圍內(nèi)。

本發(fā)明的有益效果是：

本發(fā)明方法較已有的星載雙站差分insar技術(shù)具有以下優(yōu)勢：通過星載雙站差分insar差分相位模型得到空變的雙站差分insar相位與地表形變之間的變換因子，建立了利用星載雙站差分干涉相位獲得地表高程向形變的方法，對于存在形變的區(qū)域可以降低由于忽略空間變化的變換因子帶來的地表形變估計誤差。

附圖說明

上述僅是本發(fā)明技術(shù)方案的概述，為了能夠更清楚了解本發(fā)明的技術(shù)手段，以下結(jié)合附圖與具體實(shí)施方式對本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)說明。

圖1是本發(fā)明的提高星載雙站差分insar提取地表形變精度技術(shù)流程圖；

圖2是格拉丹東冰川區(qū)域的tandem-x/terrasar-x雷達(dá)強(qiáng)度圖；

圖3是星載雙站雷達(dá)干涉處理對應(yīng)的空變的變換因子分布圖；

圖4是tandem-x/terrasar-x地理編碼處理后的地表形變示意圖。

具體實(shí)施方式

下面以長江源頭的格拉丹東冰川區(qū)域?yàn)槔?，結(jié)合附圖對本發(fā)明的進(jìn)行詳細(xì)闡述，以使本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)和特征能更易于被本領(lǐng)域技術(shù)人員理解，從而對本發(fā)明的保護(hù)范圍做出更為清楚明確的界定。

參閱圖1，本發(fā)明公開了一種提高星載雙站差分insar提取形變精度的方法，包括以下步驟：

步驟一、基于星載雙站sar數(shù)據(jù)和外部地形，利用常規(guī)的干涉處理技術(shù)獲得雙站差分insar的差分干涉相位。

1.數(shù)據(jù)的選擇

選擇覆蓋工作區(qū)域的星載雙站tandem-x/terrasar-x數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)獲取日期為2014年4月4日，景中心經(jīng)度為北緯33.5度，中心緯度為東經(jīng)91.2度，分辨率為3米，數(shù)據(jù)為cossc格式，截取覆蓋冰川區(qū)域數(shù)據(jù)幅寬24公里，高20公里。

圖2是格拉丹東冰川區(qū)域的tandem-x/terrasar-x雷達(dá)強(qiáng)度圖，各個冰川和末端在圖上清晰可見。

2.利用常規(guī)的干涉處理流程，也可以采用已有的干涉處理軟件包括gamma、sarscape等商業(yè)軟件或者roipac等開源軟件，讀入星載雙站tandem-x/terrasar-x數(shù)據(jù)的兩幅影像和輔助參數(shù)，因?yàn)閠andem-x/terrasar-x數(shù)據(jù)前期的處理已經(jīng)完成對地面同一目標(biāo)在主圖像和輔圖像上像元進(jìn)行匹配，因此可以直接對輔圖像進(jìn)行重采樣，采樣完成后生成干涉相位圖，在利用外部的地形模擬生成外部地形相位，通過復(fù)數(shù)共軛乘法得到雙站差分insar的差分干涉相位。

與常規(guī)的干涉處理流程中的電磁波往返系數(shù)為2不同，對于雙站差分insar需要修改為1，而且得到的雙站差分insar的差分干涉相位的代表的是高程向形變導(dǎo)致的干涉相位，而非常規(guī)干涉測量中的視線向的形變引起的干涉相位。雙站差分insar的差分干涉相位表示如下：

其中φdint(i，j)是位于圖像第i行第j列的雙站insar的差分干涉相位值，λ為sar傳感器的波長，b(i)是第i行的干涉基線長度，α(i)是第i行的干涉基線相對水平面的夾角度數(shù)，θ(i，j)是圖像第i行第j列像元所對應(yīng)的wgs84橢球上位置點(diǎn)的入射角度，r(j)是圖像第j列像元所對應(yīng)斜距大小，h(i，j)是圖像第i行第j列像元所對應(yīng)sar圖像獲取時間的高程值，dem(i，j)是圖像第i行第j列像元所對應(yīng)外部地形數(shù)據(jù)獲取時間的高程值。

步驟2，基于sar衛(wèi)星軌道數(shù)據(jù)和sar傳感器的成像幾何，逐像元計算空變的雙站差分干涉相位與地表形變對應(yīng)的變換因子。

1.衛(wèi)星的軌道可以表示為衛(wèi)星位置相對于時間的高次多項(xiàng)式，一般可以采用5次的多項(xiàng)式，通過此多項(xiàng)式計算出每一圖像像元對應(yīng)的主衛(wèi)星和輔衛(wèi)星的位置和速度，通過計算兩個衛(wèi)星的位置差得到基線大小b(i)和干涉基線相對水平面的夾角度數(shù)α(i)；

2.對于圖像第i行第j列的像元k，利用已知的第一個像元的斜距大小和距離向采樣率獲得其對應(yīng)的斜距大小r(j)：

其中r1為距離向上第一個像元的斜距大小，rsr為sar傳感器的距離向采樣率，可以從sar數(shù)據(jù)的參數(shù)文件中獲得，c為光速。

3.為了方便數(shù)據(jù)處理標(biāo)準(zhǔn)化，選取常用的地球wgs84橢球體模型的表面作為參考面，采用sar傳感器的成像幾何即多普勒方程、距離方程以及橢球方程來進(jìn)行計算像元k對應(yīng)的參考面的位置p1(i，j)(b.kampes,“delftobject-orientedradarinterferometricsoftware.”1999；p.a.rosen,等,“updatedrepeatorbitinterferometrypackagereleased,”eos,trans.am.geophys.union,vol.85,no.5,pp.47–47,feb.2004.)，結(jié)合衛(wèi)星的位置p2(i，j)計算得到圖像第i行第j列像元所對應(yīng)的wgs84橢球上位置點(diǎn)的入射角度θ(i，j)：

4.通過sar傳感器參數(shù)得到其波長大小，依據(jù)變換因子的計算公式(4)計算空變的星載雙站insar差分相位與地表形變之間變換因子。

圖3是此星載雙站雷達(dá)干涉處理對應(yīng)的空變的變換因子分布圖，對于不同的雷達(dá)基線分布和地形區(qū)域，變換因子的分布圖不同，均需要重新計算。

步驟3，對步驟1中獲得的雙站差分干涉相位進(jìn)行解纏得到解纏相位并逐像元計算圖像各像元對應(yīng)的地表形變大小。

如果雙站差分干涉相位位于(-π，π]之間，沒有纏繞則不需要解纏。

如果雙站差分干涉相位超出(-π，π]之間，采用已有的商業(yè)軟件或者開源軟件如snaphu進(jìn)行相位解纏。

理論上對于形變量為0的區(qū)域，其差分干涉相位也為0，但是由于相位解纏可能帶來一個常數(shù)的偏移值，需要進(jìn)行偏移量的校正。

然后利用下式計算圖像各像元對應(yīng)的地表形變大小。

對于本例而言，如果采用固定的差分干涉相位與地表形變之間變換因子，帶來的高程誤差在4米左右。

步驟4，為了方便處理結(jié)果的后續(xù)使用，可以將處理結(jié)果統(tǒng)一到地理坐標(biāo)系下。利用基于衛(wèi)星軌道數(shù)據(jù)和sar傳感器的成像幾何和外部地形數(shù)據(jù)對圖像各像元進(jìn)行地理編碼處理，將上述步驟中獲得的地表形變大小對應(yīng)到相應(yīng)的地理位置。

圖4是此tandem-x/terrasar-x地理編碼處理后的地表形變示意圖。

以上所述僅為本發(fā)明的實(shí)施例，并非因此限制本發(fā)明的專利范圍，凡是利用本發(fā)明說明書及附圖內(nèi)容所作的等效結(jié)構(gòu)或等效流程變換，或直接或間接運(yùn)用在其他相關(guān)的技術(shù)領(lǐng)域，均同理包括在本發(fā)明的專利保護(hù)范圍內(nèi)。