一种基于船载InSAR平台的河湖库沿岸形变检测装置及方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种基于船载InSAR平台的河湖库沿岸形变检测装置及方法，本发明专利技术利用船舶作为InSAR平台，可以根据需要随时采集数据，解决了常规InSAR的数据源问题和时间分辨率问题，由于双天线同时成像也消除了时间去相干的影响；另外，本发明专利技术能够通过设计不同的航线，有效减少InSAR数据处理过程中，空间基线的影响，降低InSAR数据处理的难度，提高数据处理精度和效率；而且本发明专利技术由于成像距离短，且成像环境一致，能够极大降低InSAR数据处理中大气的影响，减少形变中的大气误差影响。

【技术实现步骤摘要】
一种基于船载InSAR平台的河湖库沿岸形变检测装置及方法
本专利技术涉及地表形变检测领域，特别是涉及一种河湖库沿岸的形变检测方法。
技术介绍
河流、湖泊和水库沿岸形变检测是一项关系到安全的大事，目前检测采用的主要是利用GNSS技术、测量机器人等常规测量设备进行外部监测，并埋设一些内观的设备，这种技术在一些水利水电工程中已经实现自动化监测，基本能够达到监测的要求，但是由于其前期建设和后期维护成本高昂，且只能局限于大坝和重点区域的监测，同时内观设备一旦失灵，就很难继续监测，其推广和应用受到制约。InSAR技术在地表微小形变检测方面达到了厘米甚至毫米级的精度，成为当前地表形变检测的重要手段之一，其在水利行业的形变监测方面应用也取得了一些成果，但是InSAR技术应用的进一步拓展也受到了很多影响因素的制约。首先，数据源问题，利用高分辨率星载SAR数据进行InSAR形变监测，通常需要多景数据，特别对于水利系统条带状的监测范围，由于存在着条带区域与影像范围占比小的矛盾，数据利用率很低，导致数据成本急速加剧；其次，相干性问题，星载数据采用重复轨道模式实现InSAR观测，成像之间存在着一定的时间间隔，而时间去相干是影响InSAR相干性的关键因素之一；第三，大气影响，重复轨道InSAR由于卫星轨道的限制，两次成像之间存在着较长的时间间隔，使得成像时的大气条件也存在着差异，而不同的大气条件对InAR的监测误差存在着较大的影响。本专利技术提出一种利用船载双天线InSAR技术进行沿岸形变监测方法，该方法解决目前InSAR技术在水利行业形变监测中的存在的主要问题，在保持InSAR高精度形变检测优势的前提下，克服地基InSAR观测区域的局限性、机载InSAR的高风险性，提高监测的灵活性，也会降低监测成本，非常适合在水利工程中的应用。
技术实现思路
本专利技术主要解决的技术问题是提供一种形变检测的方法，能够方便、高效解决河流、湖泊和水库的沿岸微小形变检测问题。不同于以往利用InSAR进行形变检测的方法，本专利技术将常规的自上向侧下的InSAR数据采集模式改变为由下向侧上方数据采集模式，相应解决成像模式修改导致的各种问题，并且解决低速非稳平台成像问题，通过灵活的船舶航行路线设计，结合研制的形变检测数学模型，科学的解决了河流、湖泊和水库的沿岸形变高精度检测问题。本专利技术避免了常规InSAR自上向下的成像模式导致的由于树木遮挡降低目标的相干性问题，本专利技术采用不同的成像模式，可以直接对地表进行成像，从而可以得到真实的沿岸地表形变；本专利技术利用船舶作为InSAR平台，可以根据需要随时采集数据，解决了常规InSAR的数据源问题和时间分辨率问题，由于双天线同时成像也消除了时间去相干的影响；另外，本专利技术能够通过设计不同的航线，有效减少InSAR数据处理过程中，空间基线的影响，降低InSAR数据处理的难度，提高数据处理精度和效率；而且本专利技术由于成像距离短，且成像环境一致，能够极大降低InSAR数据处理中大气的影响，减少形变中的大气误差影响。为解决上述技术问题，本专利技术采用的一个技术方案是：提供一种基于船载InSAR(雷达差分干涉测量)平台的河湖库沿岸形变检测装置，其特征在于，将双天线SAR(合成孔径雷达)安装在通用的三轴自稳平台上，以保证船舶在行驶过程中，SAR传感器位姿的稳定性，如果船舶航行很稳定，也可以无需自稳平台；将安装有双天线SAR的自稳平台固定到船舶上，使SAR天线指向侧方，根据待测区域的范围，调整SAR传感器的高度和天线方向，使得SAR波束向侧方或者侧上方发射，且使SAR波束成像区域能够有效覆盖待测范围，以有效获取地表反射信号，同时避开高大树木树冠的遮挡影响，数据采集方式如图1所示；一种基于船载InSAR平台的河湖库沿岸形变检测方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1、船载平台沿着河、湖和库岸行驶，与岸线保持一定距离，便于SAR成像，航行轨迹无需与岸线平行，在此过程中，双天线SAR不断发射和接受微波信号，收集一侧的沿岸回波数据，直至完成待测目标范围内数据采集。步骤2、根据形变检测周期的需要，在设定间隔时间后，再次利用该设备对目标进行数据采集，采集过程同步骤1，这样既可获取两次时间间隔内沿岸地表变化数据，如果需要获取多时间间隔内的沿岸地表形变，重复步骤1采集相应的数据，以获取一定时间范围内沿岸地表形变的变化信息；步骤3、图像配准。配准方法可以采用一主影像配准模式和多主影像配准模式，一主影像配准模式以其中的一景影像为基准，其它影像与该影像进行配准，多主影像配准不局限于一个影像，而是多个影像之间相互配准，配准精度必须优于1个像元，得到配准后的影像；步骤4、相干点目标提取。InSAR成像为自下向上的成像模式，该模式与常规的自顶上向下的侧视模式不同，成像模式的改变，地物的相干条件也会发生变化，并且由于河湖库沿岸地表覆盖丰富，相干性相对较差，为此需要采用提取相干点目标，后续处理针对相干点进行。步骤5、将配准后的图像进行差分干涉处理，计算目标的差分相位。首先将每次双天线采集的图像进行干涉处理及去平，然后对干涉的结果进行差分处理。步骤6、差分相位解缠。对步骤5计算得到的差分相位进行相位解缠处理，得到解缠后的真实差分相位；步骤7、根据基线数据和SAR成像的几何条件，建立基于解缠后差分相位的形变解算数学模型。在上述的一种基于船载InSAR平台的河湖库沿岸形变检测方法，步骤3中具体的配准方法如下；步骤3.1、像元级匹配：由于采用双天线系统，可以设定一个粗匹配偏移量，在匹配图像上选取匹配窗口，根据该偏移量在待图像上选取搜索窗口，然后根据配准评价指标计算两个窗口的相似程度，通过移动搜索窗得到最佳配准点。对于所有的配准点，经过一致性检验剔除粗差，最终达到像元级的配准精度，具体步骤如下：(1)待配准点的选取根据需要匹配的点数以及粗匹配偏移量得出的重叠区域大小，在匹配影像上均匀划分窗口，以窗口的中心点作为待匹配的点。(2)配准评价指标的计算对于每一个待匹配点，根据搜索范围(一般为30*30个像元)和匹配窗口的大小，在搜索窗口内计算配准评价参数。通常为了加快计算速度，选择相关系数作为配准的指标，相关系数最大的点即为匹配点。其中：corr为相关系数；gi,j,gi+r.j+c匹配和待匹配影像对应点处的振幅强度；m，n为匹配窗的大小，r，c为粗匹配偏移量。(3)匹配点一致性检验利用窗口来进行相关估计的配准结果存在偏差，SAR影像斑点噪声也会导致相关性最大的点不一定是最佳匹配点。为此需对匹配点进行一致性检验，保证多数点的偏移量保持一致，去除其中的明显误差。设定相关系数阈值，将相关系数大于该阈值的匹配点的偏移量按照最小距离法进行聚类，得到聚类中心的值，同时以聚类中心为球心，所有小于某个半径的点的个数定义为“聚集度”。如果“聚集度”小于给定的阈值(如总的有效匹配点数目的一半)，则表示配准失败，否则，大于半径的点为粗差点予以剔除。通过一致性检验的点的偏移量即为像素级配准的结果，否则返回(1)。步骤3.2、子像元级配准，采用像元过采样匹配法。具体步骤如下：(1)对已获得的每一个控制点采用双线性插值等方法对相应主图像、辅图像块作过采样处理。插值的间隔为0.01个像元。(2)进行最大相干估算。相干估计计本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于船载InSAR(雷达差分干涉测量)平台的河湖库沿岸形变检测装置，其特征在于，将双天线SAR(合成孔径雷达)安装在通用的三轴自稳平台上，以保证船舶在行驶过程中，SAR传感器位姿的稳定性，如果船舶航行很稳定，也可以无需自稳平台；将安装有双天线SAR的自稳平台固定到船舶上，使SAR天线指向侧方，根据待测区域的范围，调整SAR传感器的高度和天线方向，使得SAR波束向侧方或者侧上方发射，且使SAR波束成像区域能够有效覆盖待测范围，以有效获取地表反射信号，同时避开高大树木树冠的遮挡影响。

【技术特征摘要】
1.一种基于船载InSAR(雷达差分干涉测量)平台的河湖库沿岸形变检测装置，其特征在于，将双天线SAR(合成孔径雷达)安装在通用的三轴自稳平台上，以保证船舶在行驶过程中，SAR传感器位姿的稳定性，如果船舶航行很稳定，也可以无需自稳平台；将安装有双天线SAR的自稳平台固定到船舶上，使SAR天线指向侧方，根据待测区域的范围，调整SAR传感器的高度和天线方向，使得SAR波束向侧方或者侧上方发射，且使SAR波束成像区域能够有效覆盖待测范围，以有效获取地表反射信号，同时避开高大树木树冠的遮挡影响。2.一种基于船载InSAR平台的河湖库沿岸形变检测方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1、船载平台沿着河、湖和库岸行驶，与岸线保持一定距离，便于SAR成像，航行轨迹无需与岸线平行，在此过程中，双天线SAR不断发射和接受微波信号，收集一侧的沿岸回波数据，直至完成待测目标范围内数据采集；步骤2、根据形变检测周期的需要，在设定间隔时间后，再次利用该设备对目标进行数据采集，采集过程同步骤1，这样既可获取两次时间间隔内沿岸地表变化数据，如果需要获取多时间间隔内的沿岸地表形变，重复步骤1采集相应的数据，以获取一定时间范围内沿岸地表形变的变化信息；步骤3、图像配准；配准方法可以采用一主影像配准模式和多主影像配准模式，一主影像配准模式以其中的一景影像为基准，其它影像与该影像进行配准，多主影像配准不局限于一个影像，而是多个影像之间相互配准，配准精度必须优于1个像元，得到配准后的影像；步骤4、相干点目标提取；InSAR成像为自下向上的成像模式，该模式与常规的自顶上向下的侧视模式不同，成像模式的改变，地物的相干条件也会发生变化，并且由于河湖库沿岸地表覆盖丰富，相干性相对较差，为此需要采用提取相干点目标，后续处理针对相干点进行；步骤5、将配准后的图像进行差分干涉处理，计算目标的差分相位；首先将每次双天线采集的图像进行干涉处理及去平，然后对干涉的结果进行差分处理；步骤6、差分相位解缠；对步骤5计算得到的差分相位进行相位解缠处理，得到解缠后的真实差分相位；步骤7、根据基线数据和SAR成像的几何条件，建立基于解缠后差分相位的形变解算数学模型。3.根据权利要求2所述的一种基于船载InSAR平台的河湖库沿岸形变检测方法，其特征在于，步骤3中具体的配准方法如下；步骤3.1、像元级匹配：由于采用双天线系统，可以设定一个粗匹配偏移量，在匹配图像上选取匹配窗口，根据该偏移量在待图像上选取搜索窗口，然后根据配准评价指标计算两个窗口的相似程度，通过移动搜索窗得到最佳配准点；对于所有的配准点，经过一致性检验剔除粗差，最终达到像元级的配准精度，具体步骤如下：(1)待配准点的选取根据需要匹配的点数以及粗匹配偏移量得出的重叠区域大小，在匹配影像上均匀划分窗口，以窗口的中心点作为待匹配的点；(2)配准评价指标的计算对于每一个待匹配点，根据搜索范围(一般为30*30个像元)和匹配窗口的大小，在搜索窗口内计算配准评价参数；通常为了加快计算速度，选择相关系数作为配准的指标，相关系数最大的点即为匹配点；其中：corr为相关系数；gi,j,gi+r.j+c匹配和待匹配影像对应点处的振幅强度；m，n为匹配窗的大小，r，c为粗匹配偏移量；(3)匹配点一致性检验利用窗口来进行相关估计的配准结果存在偏差，SAR影像斑点噪声也会导致相关性最大的点不一定是最佳匹配点；为此需对匹配点进行一致性检验，保证多数点的偏移量保持一致，去除其中的明显误差；设定相关系数阈值，将相关系数大于该阈值的匹配点的偏移量按照最小距离法进行聚类，得到聚类中心的值，同时以聚类中心为球心，所有小于某个半径的点的个数定义为“聚集度”；如果“聚集度”小于给定的阈值(如总的有效匹配点数目的一半)，则表示配准失败，否则，大于半径的点为粗差点予以剔除；通过一致性检验的点的偏移量即为像素级配准的结果，否则返回(1)；步骤3.2、子像元级配准，采用像元过采样匹配法；具体步骤如下：(1)对已获得的每一个控制点采用双线性插值等方法对相应主图像、辅图像块作过采样处理；插值的间隔为0.01个像元；(2)进行最大相干估算；相干估计计算公式如下：其中，γ为相干系数；V1(i，j)、V2(i，j)分别表示两幅复图像窗口内的像素值，*表示复共轭；与像元级的配准相似，采用基于窗口的搜索方法，寻找可靠的相对偏移量估算值；与像元级配准不同的是，在这一步中要选择相对较小的窗口，但窗口的数目增多，以便进行相应的数据拟合；由于窗口大小变小，为了防止出现最大相干偏差，还需要适当的增大搜索窗的大小多次计算，如果相对偏移量保持稳定，表明这个估算值可靠，否则开始新的一轮搜索；(3)选取最大相干系数的匹配位置即该控制点亚像元配准位置；步骤3.3、配准函数的确定及辅图像的重采样：在完成子像素级别配准后，就会得到一系列同名点对，采用二次多项式来获取匹配和待匹配影像之间的变换关系，其变换公式如下：式中，(x,y)为匹配影像上的行列号，(X,Y)为对应的待匹配影像的行列号；在实际配准的过程中，同名点数目往往远大于6对，采用最小二乘平差解求未知系数：平差得到：得到拟合函数之后，对辅图像进行重采样，采用四点立方卷积插值核进行待匹配图像的重采样，得到匹配图像，四点立方卷积核(α＝1)...

【专利技术属性】
技术研发人员：罗天文，赵先进，郝卫峰，向国兴，潘斌，吴恒友，
申请(专利权)人：贵州省水利水电勘测设计研究院，武汉大学，
类型：发明
国别省市：贵州,52