一种融合多源SAR影像工矿区三维地表形变监测及解算方法技术

本发明专利技术公开了一种融合多源SAR影像工矿区三维地表形变监测及解算方法。该方法基于形变前后不同轨道SAR影像数据，分别通过融合D‑InSAR技术和Offset‑tracking技术获取不同雷达卫星视线向上的形变信息，融合MAI技术和Offset‑tracking技术获取不同雷达卫星方位向上的形变信息，在此基础上，考虑视线向和方位向形变信息监测精度不同，采用Helmert方差分量估计的方式确定权重，建立三维地表形变转换模型并解算，获取工矿区三维形变场。本发明专利技术可以解决InSAR技术监测工矿区地表形变时容易受失相干、可监测形变梯度小等因素限制的问题；其次，通过多源SAR影像更加全面的监测出地表真实形变情况。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种融合多源SAR影像工矿区三维地表形变监测及解算方法。
技术介绍
工矿区地表形变严重危害着地面建筑设施和自然环境，影响着人类的生存环境、生命财产安全和当地经济发展。对矿区地表形变进行全面监测，深入研究形变形成机理与变化规律，对合理开采地下矿产资源，控制工矿区可持续发展具有重要意义。传统大地水准测量、GPS监测矿区地表形变得到的都是一个点的形变信息，随着测绘手段的发展和地面沉降监测应用范围的进一步扩展，其缺点也越来越突出。星载合成孔径雷达干涉测量(InterferometricSyntheticApertureRadar，InSAR)技术是近年来发展起来的空间对地观测新技术，其原理是基于形变前后的两景SAR影像的差分干涉相位获取地表形变信息，如D-InSAR、MAI技术。在矿区地表形变监测的应用中国内外均取得若干成功案例，监测精度已达到毫米级。但受SAR影像波长、入射角、地面分辨率等参数的影响，InSAR技术仅对一定形变梯度范围内的形变具有监测能力。由于工矿区地表随着开采的进行出现不同程度的地表形变，短时间内可能达到米级，严重超出了以差分干涉相位信息为基础的常规InSAR技术的监测能力，导致SAR影响失相干。其次，InSAR技术只能获取一维或者二维地表形变信息，而不是直接、全面反映地表形变特征的三维形变场。偏移量跟踪技术(Offset-Tracking)是以幅度信息为基础的通过对两幅SAR影像进行精密配准，获取配准点之间偏移量来计算形变，不需要进行相位解缠，对SAR图像的相干性不敏感，可以弥补上述常规基于干涉相位信息技术受失相干以及可监测形变梯度小等因素限制的不足。除此之外，越来越多的不同平台在轨SAR卫星可以为同一地区提供多方向形变监测结果，使得基于多源SAR影像三维地表形变监测更容易实现。与此同时不同轨道SAR影像对同一地区进行监测，可以获取更全面的地表形变信息。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提出一种融合多源SAR影像工矿区三维地表形变监测及解算方法，以克服传统InSAR技术受大梯度形变、失相干以及只能提供单一方向地表形变信息的限制，利于全面真实的反映出工矿区形变场的形变特征。为了实现上述目的，本专利技术采用如下技术方案：一种融合多源SAR影像工矿区三维地表形变监测及解算方法，包括如下步骤：a获取多源SAR影像干涉对的相干图；b对相干图进行平滑处理；c结合上述相干图并融合D-InSAR技术和Offset-tracking技术获取雷达视线向形变信息；d结合上述相干图并融合MAI技术和Offset-tracking技术获取雷达方位向形变信息；e利用步骤c和步骤d得到的雷达视线向形变信息和雷达方位向形变信息，采用Helmert方差分量估计建立三维地表形变模型并进行解算。优选地，所述步骤a具体为：将收集的覆盖研究区多源SAR影像进行成像、多视处理后，基于精密轨道数据进行粗配置处理，计算出初始偏移量；再采用基于相关系数的配准方法，拟合出偏移量多项式，在最小二乘准则下计算出多项式系数后通过重采样处理完成精密配准；将各自配准后的SAR影像分别进行共轭相乘，获取各自差分干涉相位图的同时计算出SAR影像的相干图。优选地，所述步骤c具体为：c.1根据InSAR技术在实际应用中最大可监测形变梯度理论，确定D-InSAR可监测相干性阈值；c.2利用步骤c.1得到的相干性阈值和步骤b中的相干图，对研究区内相干值大于步骤c.1中阈值的区域采用D-InSAR技术进行地表形变监测获取雷达视线向形变信息；c.3对于研究区内相干值小于c.1中阈值的区域采用Offset-tracking技术进行处理，获取距离向形变信息后进一步转换为雷达视线向形变信息；c.4将步骤c.2和步骤c.3中分别获取的雷达视线向形变信息按照像元位置进行融合，从而获取整个研究区雷达视线向地表形变信息；c.5重复上述步骤c.1-步骤c.4，从而对不同轨道SAR影像数据分别进行处理，实现不同雷达视线向形变信息的监测。优选地，所述步骤c.1中D-InSAR可监测相干性阈值的确定过程如下：理论上可监测最大形变梯度模型的计算公式如下：其中，dmax最大形变梯度，λ为波长，u为像元大小；实际可监测最大形变梯度与相干性的关系：Dmax＝dmax+0.002(γ-1)；其中，Dmax为实际可监测最大形变梯度，γ为相干值；由公式看出，随着相干值的减小，存在一个较小相干值使得Dmax变为0，即监测不出形变信息；以此为基础计算出各传感器实际可监测最大形变梯度的临界相干值作为阈值。优选地，所述步骤d具体为：d.1根据MAI技术和Offset-tracking技术监测精度与相干性的关系，选取两种技术监测精度高低变化时临界相干值作为相干性阈值；d.2根据步骤d.1确定出的相干性阈值和步骤b中的相干图，对研究区内相干值大于d.1中阈值的区域采用MAI技术进行地表方位向形变监测获取雷达方位向形变信息；d.3对于研究区内相干值小于d.1中阈值的区域采用Offset-tracking技术进行处理，获取研究区内剩余区域雷达方位向形变信息；d.4将步骤d.2和步骤d.3分别获取的雷达方位向形变信息进行融合，从而获取整个研究区雷达方位向地表形变信息；d.5重复上述步骤d.1-步骤d.4，从而对不同轨道SAR影像数据进行处理，实现不同雷达方位向形变信息的监测。优选地，所述步骤d.1中相干性阈值的大小为0.8。优选地，所述步骤e具体为：获取多源SAR影像雷达视线向形变信息和雷达方位向形变信息后，将不同分辨率监测结果重采样至相同分辨率；采用Helmert方差分量估计的方法逐像元进行迭代处理，计算出每个像元的权重，建立三维地表形变解算模型并进行解算。优选地，所述步骤e中建立三维地表形变解算模型并进行解算的过程如下：三维地表形变解算模型表示为：R＝Bd；其中，d＝(du,de,dn)T表示三维地表形变信息，du表示垂直方向形变信息，de表示东西方向形变信息，dn表示南北方向形变信息；表示雷达坐标系中不同方向形变信息,表示轨道1视线向形变信息,表示轨道2视线向形变信息,表示轨道1方位向形变信息,表示轨道2方位向形变信息；B为三维形变模型系数矩阵；根据SAR卫星对地观测原理示意图表示为：其中，α1表示轨道1雷达方位角，α2表示轨道2雷达方位角，θ1表示轨道1雷达入射角，θ2表示轨道2雷达入射角；根据最小二乘原理，解算出地表三维形变信息：d＝(BTPB)-1BTPR；其中，P为两个不同轨道视线向和方位向形变量所对应的权阵；根据Helmert方差分量估计公式，将方差分量和观测值残差之间的关系式表示为：Sθ＝Wθ；式中，表示两类观测量的单位权中误差；而Wθ和S分别为：式中，Ni＝BiTPiBi,i＝1,2；P1和P2分别表示两类观测量的权阵；tr表示矩阵求迹运算；V1和V2分别表示两类观测量的改正数；给定初始权阵P，第一次平差后根据Helmert方差分量估计公式对θ进行估计，然后按照下式重新计算权重：其中，和分别表示两类观测量权阵的估值；令再次进行迭代计算，直到重新定权，进而计算出三维形变信息。本专利技术具有如下优点：本专利技术方法基于多源SAR影像数据对工矿区地表形变进行监测，可以更全面真实地获得工矿区地表形本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种融合多源SAR影像工矿区三维地表形变监测及解算方法，其特征在于，包括如下步骤：a获取多源SAR影像干涉对的相干图；b对相干图进行平滑处理；c结合上述相干图并融合D‑InSAR技术和Offset‑tracking技术获取雷达视线向形变信息；d结合上述相干图并融合MAI技术和Offset‑tracking技术获取雷达方位向形变信息；e利用步骤c和步骤d得到的雷达视线向形变信息和雷达方位向形变信息，采用Helmert方差分量估计建立三维地表形变模型并进行解算。

【技术特征摘要】
1.一种融合多源SAR影像工矿区三维地表形变监测及解算方法，其特征在于，包括如下步骤：a获取多源SAR影像干涉对的相干图；b对相干图进行平滑处理；c结合上述相干图并融合D-InSAR技术和Offset-tracking技术获取雷达视线向形变信息；d结合上述相干图并融合MAI技术和Offset-tracking技术获取雷达方位向形变信息；e利用步骤c和步骤d得到的雷达视线向形变信息和雷达方位向形变信息，采用Helmert方差分量估计建立三维地表形变模型并进行解算。2.根据权利要求1所述的一种融合多源SAR影像工矿区三维地表形变监测及解算方法，其特征在于，所述步骤a具体为：将收集的覆盖研究区多源SAR影像进行成像、多视处理后，基于精密轨道数据进行粗配置处理，计算出初始偏移量；再采用基于相关系数的配准方法，拟合出偏移量多项式，在最小二乘准则下计算出多项式系数后通过重采样处理完成精密配准；将各自配准后的SAR影像分别进行共轭相乘，获取各自差分干涉相位图的同时计算出SAR影像的相干图。3.根据权利要求1所述的一种融合多源SAR影像工矿区三维地表形变监测及解算方法，其特征在于，所述步骤c具体为：c.1根据InSAR技术在实际应用中最大可监测形变梯度理论，确定D-InSAR可监测相干性阈值；c.2利用步骤c.1得到的相干性阈值和步骤b中的相干图，对研究区内相干值大于步骤c.1中阈值的区域采用D-InSAR技术进行地表形变监测获取雷达视线向形变信息；c.3对于研究区内相干值小于c.1中阈值的区域采用Offset-tracking技术进行处理，获取距离向形变信息后进一步转换为雷达视线向形变信息；c.4将步骤c.2和步骤c.3中分别获取的雷达视线向形变信息按照像元位置进行融合，从而获取整个研究区雷达视线向地表形变信息；c.5重复上述步骤c.1-步骤c.4，从而对不同轨道SAR影像数据分别进行处理，实现不同雷达视线向形变信息的监测。4.根据权利要求3所述的一种融合多源SAR影像工矿区三维地表形变监测及解算方法，其特征在于，所述步骤c.1中D-InSAR可监测相干性阈值的确定过程如下：理论上可监测最大形变梯度模型的计算公式如下：其中，dmax最大形变梯度，λ为波长，u为像元大小；实际可监测最大形变梯度与相干性的关系：Dmax＝dmax+0.002(γ-1)；其中，Dmax为实际可监测最大形变梯度，γ为相干值；由公式看出，随着相干值的减小，存在一个较小相干值使得Dmax变为0，即监测不出形变信息；以此为基础计算出各传感器实际可监测最大形变梯度的临界相干值作为阈值。5.根据权利要求1所述的一种融合多源SAR影像工矿区三维地表形变监测及解算方法，其特征在于，所述步骤d具体为：d.1根据MAI技术和Offset-tracking技术监测精度与相干性的关系，选取两种技术监测精度高低变化时临界相干值作为相干性阈值；d.2根据步骤d.1确定出的相干性阈值和步骤b中的相干图，对研究区内相干值大于d.1中阈值的区域采用MAI技术进行地表方位向形变监测获取雷达方位向形变信息；d.3对于研究区内相干值小于d.1中阈值的区域采用Offset-tracking...

【专利技术属性】
技术研发人员：王志伟，于胜文，陶秋香，刘国林，高腾飞，
申请(专利权)人：山东科技大学，
类型：发明
国别省市：山东;37