基于SAR强度影像的矿区大量级三维时序形变估计方法及装置制造方法及图纸

本发明专利技术提供了一种基于SAR强度影像的矿区大量级三维时序形变估计方法及装置，首先基于设定的时空基线阈值从单个雷达成像几何学SAR强度影像集中生成SAR强度影像对；利用已有的AOT‑SAP方法分别处理各SAR强度影像对，获得矿区地表多时域三维形变观测值；分别建立相邻SAR影像期间矿区地表三维形变速率与多时域三维形变观测值之间的函数模型；利用稳健估计求解矿区地表三维大量级时序形变。本发明专利技术克服传统方法至少需要两个以上不同雷达成像几何学SAR强度影像集的苛刻限制，有效地提高了稳健性，减少了矿区地表大量级三维时序形变监测的成本，同时也大大地拓宽了SAR技术在矿区的应用前景。

Method and device for estimating large amount of three-dimensional time series deformation of mining area based on SAR intensity image

The invention provides a large number of 3D deformation timing estimation method and device of SAR intensity image mining area based on the first baseline threshold is set based on a single radar imaging geometry from SAR intensity images to generate SAR images of concentrated strength respectively; each SAR intensity images based on AOT SAP existing methods, to obtain multi surface mining domain 3D deformation observation; SAR images were established adjacent mining area during the function model between the 3D surface deformation rate and time domain 3D deformation observation; using robust estimation, solving 3D large deformation time series mining surface. The invention overcomes the limitation of traditional method is overcome at least two different radar imaging geometry SAR intensity images set, effectively improve the robustness and reduce the mine surface deformation monitoring of large 3D time cost, but also greatly broaden the application prospect of SAR technology in mining area.

【技术实现步骤摘要】
基于SAR强度影像的矿区大量级三维时序形变估计方法及装置
本专利技术涉及一种基于SAR强度影像的矿区大量级三维时序形变估计方法及装置。
技术介绍
矿区地表三维时序形变监测对于理解矿区开采沉陷动态机理以及评估矿区潜在地质灾害起着重要作用。偏移量追踪(offsettracking，OT)技术能够从两景配准的SAR强度影像中获取地表沿着雷达视线方向和方位方向的二维大量级形变(比如几米或者几十米)。2011年，Casu等提出了一种名为OT-SBAS(smallbaselinesubset)方法(参见文献1CasuF,ManconiA,PepeA,etal.Deformationtime-seriesgenerationinareascharacterizedbylargedisplacementdynamics:TheSARamplitudepixel-offsetSBAStechnique[J].IEEETransactionsonGeoscienceandRemoteSensing,2011,49(7):2752-2763.)，该方法利用SAR偏移量追踪算法，实现了单个雷达成像几何学SAR影像集的地表二维(沿着视线向和方位向)大量级时序形变监测。然而，该方法无法获取传统意义上的沿着垂直、东西和南北方向的三维大量级时序形变。为了克服该局限，Raucoules等于2013年提出基于OT-SBAS方法(参见文献2RaucoulesD,DeMicheleM,MaletJP,etal.Time-variable3Dgrounddisplacementsfromhigh-resolutionsyntheticapertureradar(SAR).ApplicationtoLaValettelandslide(SouthFrenchAlps)[J].RemoteSensingofEnvironment,2013,139:198-204.)和两个显著不同的雷达成像几何学SAR强度影像集，实现了地表大量级三维时序形变获取方法。然而，Raucoules的方法存在着两个明显的局限：1)对于像矿区地表形变这样的大量级、高度非线性的时序形变而言，两个显著不同雷达成像几何学SAR强度影像集必须是时间同步才能保证监测的结果可靠。遗憾地是，受限于当前较少的可用卫星数量和太阳同步的轨道配置，该要求在实际生产中几乎不可能满足。2)偏移量追踪算法获取的形变观测值常常含有粗差(通常定义为超过3倍中误差的误差)，而Raucoules的方法使用传统的等权最小二乘方法估计大量级三维时序形变。由于等权最小二乘方法稳健性较差，所以，其估计的时序形变精度受粗差影响较大，从而大大地削弱了三维时序形变的精度。
技术实现思路
本专利技术提供了一种基于SAR强度影像的矿区大量级三维时序形变估计方法及装置，其目的在于克服上述现有技术中的局限，利用实际应用过程中容易获取的单一雷达成像几何学SAR强度影像集，并结合AOT-SAP方法和三维形变速率估计值获取矿区地表大量级三维时序形变。一种基于SAR强度影像的矿区大量级三维时序形变估计方法，包括以下步骤：步骤1：根据SAR数据特征和待监测矿区地形设定SAR强度影像对的时空基线阈值，对待监测矿区单个雷达成像几何学SAR数据集生成时空基线小于时空基线阈值的SAR强度影像对；已有的方法至少需要两个同步的不同雷达成像几何学SAR数据，本方案只需要一个雷达成像几何学SAR数据即可。比如，监测某矿区从2016年1月到2017年1月的时间间隔为1个月的大量级时序形变，传统方法需要24景(每月两景)来自于两个不同雷达成像几何学的SAR影像，而本专利技术只需要12景(每月1景)，成本大约下降了50％；待监测矿区单个雷达成像几何学SAR数据集的数量为M+1，生成的SAR强度影像对的数量为G；步骤2：利用AOT-SAP方法分别处理步骤1中生成的SAR强度影像对，获得待监测矿区在垂直方向LW＝[LW1,LW2,…,LWG]、东西方向LE＝[LE1,LE2,…,LEG]和南北方向LN＝[LN1,LN2,…,LNG]的三维多时域观测值；所述AOT-SAP方法是指一种基于两景SAR强度影像的矿区地表大量级三维形变估计方法，该方法是申请号为201710038785.5的中国专利，公开日为2017-05-31；步骤3：设置相邻SAR影像期间矿区地表在垂直、东西和南北方向的三维形变速率，构建三维多时域观测值与三维形变速率之间的函数方程组；其中，VW＝[VW1,VW2,…,VWM],VE＝[VE1,VE2,…,VEM]和VN＝[VN1,VN2,…,VNM]分别为相邻SAR影像期间矿区地表在垂直方向、东西方向和南北方向的三维形变速率；B为SAR强度影像对辅影像和主影像获取时间差的系数矩阵，其维度为G×M；对于B的任意第k行，第IMk个元素前的所有元素均为0，从第IMk到第ISk-1个元素，依次为：第ISk-1个元素以后的所有元素均为0；其中，IMk和ISk分别为生成第k个SAR强度影像对的主、辅影像获取时间索引，根据SAR强度影像对的组成情况获得；步骤4：求解步骤3中函数方程组中的三维形变速率估计值：和步骤5：利用步骤4获得的三维形变率估计值估计待监测矿区在垂直方向、东西方向和南北方向上相对于第一景SAR影像获取时刻的三维大量级时序形变(W(tk)，E(tk)，N(tk))；其中，tk表示SAR影像的获取时间，k＝1,2,…,M+1，W(t0)＝E(t0)＝N(t0)≡0。进一步地，采用最小二乘法求解步骤3中函数方程组中的三维形变速率估计值。进一步地，采用稳健估计法求解步骤3中函数方程组中的三维形变速率估计值。一种基于SAR强度影像的矿区大量级三维时序形变估计装置，包括：SAR强度影像对生成单元，用于根据SAR数据特征和待监测矿区地形设定SAR强度影像对的时空基线阈值，对待监测矿区单个雷达成像几何学SAR数据集生成时空基线小于时空基线阈值的SAR强度影像对；三维多时域观测值获取单元，利用AOT-SAP方法分别处理生成的SAR强度影像对，获得待监测矿区在垂直方向LW＝[LW1,LW2,…,LWG]、东西方向LE＝[LE1,LE2,…,LEG]和南北方向LN＝[LN1,LN2,…,LNG]的三维多时域观测值；函数方程组构建单元，通过设置相邻SAR影像期间矿区地表在垂直、东西和南北方向的三维形变速率，构建三维多时域观测值与三维形变速率之间的函数方程组；三维形变速率估计值计算单元，计算函数方程组中的三维形变速率估计值；三维大量级时序形变求解单元，利用三维形变率估计值估计待监测矿区相对于第一景SAR影像获取时刻的三维大量级时序形变(W(tk)，E(tk)，N(tk))；所述三维大量级时序形变求解公式如下：其中，tk表示SAR影像的获取时间，k＝1,2,…,M+1，W(t0)＝E(t0)＝N(t0)≡0。进一步地，所述三维形变速率估计值计算单元采用稳健估计法进行计算。有益效果本专利技术提供了一种基于SAR强度影像的矿区大量级三维时序形变估计方法及装置，该方法首先基于设定的时空基线阈值从单个雷达成像几何学SAR强度影像集中生成SAR强度影像对；利用已有的AOT-SAP方法分别处理各本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于SAR强度影像的矿区大量级三维时序形变估计方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1：根据SAR数据特征和待监测矿区地形设定SAR强度影像对的时空基线阈值，对待监测矿区单个雷达成像几何学SAR数据集生成时空基线小于时空基线阈值的SAR强度影像对；待监测矿区单个雷达成像几何学SAR数据集的数量为M+1，生成的SAR强度影像对的数量为G；步骤2：利用AOT‑SAP方法分别处理步骤1中生成的SAR强度影像对，获得待监测矿区在垂直方向LW＝[LW1,LW2,…,LWG]、东西方向LE＝[LE1,LE2,…,LEG]和南北方向LN＝[LN1,LN2,…,LNG]的三维多时域观测值；步骤3：设置相邻SAR影像期间矿区地表在垂直、东西和南北方向的三维形变速率，构建三维多时域观测值与三维形变速率之间的函数方程组；

【技术特征摘要】
1.一种基于SAR强度影像的矿区大量级三维时序形变估计方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1：根据SAR数据特征和待监测矿区地形设定SAR强度影像对的时空基线阈值，对待监测矿区单个雷达成像几何学SAR数据集生成时空基线小于时空基线阈值的SAR强度影像对；待监测矿区单个雷达成像几何学SAR数据集的数量为M+1，生成的SAR强度影像对的数量为G；步骤2：利用AOT-SAP方法分别处理步骤1中生成的SAR强度影像对，获得待监测矿区在垂直方向LW＝[LW1,LW2,…,LWG]、东西方向LE＝[LE1,LE2,…,LEG]和南北方向LN＝[LN1,LN2,…,LNG]的三维多时域观测值；步骤3：设置相邻SAR影像期间矿区地表在垂直、东西和南北方向的三维形变速率，构建三维多时域观测值与三维形变速率之间的函数方程组；其中，VW＝[VW1,VW2,…,VWM],VE＝[VE1,VE2,…,VEM]和VN＝[VN1,VN2,…,VNM]分别为相邻SAR影像期间矿区地表在垂直方向、东西方向和南北方向的三维形变速率；B为SAR强度影像对辅影像和主影像获取时间差的系数矩阵，其维度为G×M；对于B的任意第k行，第IMk个元素前的所有元素均为0，从第IMk到第ISk-1个元素，依次为：第ISk-1个元素以后的所有元素均为0；其中，IMk和ISk分别为生成第k个SAR强度影像对的主、辅影像获取时间索引，根据SAR强度影像对的组成情况获得；步骤4：求解步骤3中函数方程组中的三维形变速率估计值：和步骤5：利用步骤4获得的三维形变率估计值估计待监测矿区在垂直方向、东西方向和南北方向上相对于第一景SAR影像获取时刻的三维大量级时序形变(W(tk)，E(tk)，N(tk))；

【专利技术属性】
技术研发人员：杨泽发，朱建军，李志伟，胡俊，冯光财，
申请(专利权)人：中南大学，
类型：发明
国别省市：湖南,43