基于PS‑InSAR技术的地铁沿线周边环境历史沉降风险评估方法技术

本发明专利技术涉及一种基于PS‑InSAR技术的地铁沿线周边环境历史沉降风险评估方法。所述方法包括：以N幅SAR图像为输入，通过图像配准的方法将所有SAR图像配准到相同的网格内；选择时间和空间基线较小的SAR图像对生成干涉图，并通过二轨法去除由地形起伏引入的干涉相位；在图像中选择候选PS点(PSC)，并利用PSC的信息补偿由大气变化引入的误差相位和由轨道数据不精确引入的误差相位；利用补偿后的相位信息对图像中所有像素点进行逐点分析，重新识别PS点，并估计其形变信息和高程误差信息。

【技术实现步骤摘要】
基于PS-InSAR技术的地铁沿线周边环境历史沉降风险评估方法
本专利技术涉及一种基于PS-InSAR技术的地铁沿线周边环境历史沉降风险评估方法。
技术介绍
城市轨道交通工程诱发房屋开裂、管线断裂、道路坍塌等周边环境事故，除了与轨道交通建设引起的周边环境变形和位移有关外，还与周边环境自身前期历史变形和位移有较大关联。轨道交通工程建设周边环境事故多发的重要原因之一是对沿线道路、建(构)筑物前期历史沉降变形情况不明，并对其风险认识不足：1)对道路、房屋建筑、桥梁等既有变位及后续允许变位富余度缺乏认识；2)对导致地表沉降变形过大背后的不良地质条件调查不足。特别是，轨道交通建设前周边建(构)筑物、道路、管线已发生较大累计变形与位移时(导致变位富余度较小)，必将给轨道交通建设周边环境保护带来极大困难和风险。常规变形监测技术包括采用经纬仪、水准仪、测距仪、全站仪等常规测量仪器测定点的变形值，其优点是：(1)能够提供变形体整体的变形状态；(2)适用于不同的监测精度要求、不同形式的变形体和不同的监测环境；(3)可以提供绝对变形信息。但外业工作量大，布点受地形条件影响，不易实现自动化监测。特殊测量手段包括应变测量、准直测量和倾斜测量，它具有测量过程简单、可监测变形体内部的变形、容易实现自动化监测等优点，但通常只能提供局部和相对的变形信息。在轨道交通发展建设节奏愈来愈快的今天，各地政府和轨道交通的建设单位越来越需要准确、及时的地面沉降基础资料进行轨道交通工程规划，同时，也越来越需要现代高新技术提供更全面、及时、科学的监测手段。重复轨道雷达干涉测量(InSAR)是一门测量地表形变(塌陷、滑坡、地震、火山运动等引起的)的有效的技术。这种PS-InSAR的技术，通过SAR影像，可以探测到地表形变的精度达到毫米级。该技术的基本原理是：不同时期、不同角度获得的影像的相位差与地形、获取期间的地表形变和大气变化有一定的关联。通过一些点来进行测量，这些点是散射特性比较稳定的点，称为PS点，通常分布在植被稀少区，对应着建筑、公路、水利等设施。由于轨道交通在城市环境中呈线性走向分布，在其沉降变形监测过程中，具有的特点是：1)监测距离长，一条线少则十几公里，多则几十公里；2)监测项目多，包括基坑主体结构、沿线地面、周围建(构)筑物、管线、桥梁等。因此，采用常规的精密水准进行变形监测需要耗费大量的时问、人力、物力和财力，并且很难精确确定沿线的变形影响范围。同时，由于传统的精密水准观测和GPS观测存在测点分布稀疏、作业周期长、劳动强度大的问题，难以适时、客观反映日益扩大的区域性地面沉降变化趋势。
技术实现思路
为解决上述技术问题，本专利技术的目的是为石油库找到一种提高了地铁沉降的精度和准确性的基于PS-InSAR技术的地铁沿线周边环境历史沉降风险评估方法。本专利技术基于PS-InSAR技术的地铁沿线周边环境历史沉降风险评估方法，包括：以N幅SAR图像为输入，通过图像配准的方法将所有SAR图像配准到相同的网格内；将所有获得的SAR数据组合成若干个集合，原则是：集合内的SAR图像基线距小，集合间的基线距大，并通过二轨法去除由地形起伏引入的干涉相位；在图像中选择候选PS点(PSC)，并利用PSC的信息补偿由大气变化引入的误差相位和由轨道数据不精确引入的误差相位；利用补偿后的相位信息对图像中所有像素点进行逐点分析，重新识别PS点，并估计其形变信息和高程误差信息。进一步地，SAR图像配准具体包括：在配准的过程中，选择N幅SAR图像中的一幅SAR图像为基准图像，将其他N-1幅SAR图像都配准到基准SAR图像的网格内；基准图像的选择需要综合考虑空间基线和时间基线两个指标，最佳的基准图像是到其他SAR图像空间基线和时间基线的加权平均值最小的那幅SAR图像；在处理过程中采用三级配准的方法：(1)基于卫星轨道数据的配准；(2)基于像素级的配准；(3)基于亚像素级的配准。进一步地，二轨法处理具体包括：先利用主辅SAR图像的卫星轨道数据和外部DEM信息，计算出DEM每个像素点的干涉相位，并将每个像素点投影到SAR图像的坐标系中；此时，DEM的像素点非均匀地分布在SAR图像的网格中；然后，利用Delaunay三角插值的方法对SAR图像的均匀网格进行重采样，获取由地形信息模拟的干涉相位图；最后，再在真实的干涉相位中减去由外部DEM模拟的干涉相位。进一步地，参考PS点(PSC)选择和提取PSC处的干涉相位具体包括：PSC的选择采用基于幅度统计特性的选择方法，此方法利用目标点的幅度离差信息来选择PS点，幅度离差的计算公式如下：式中，σA表示目标点在输入的N幅SAR图像中幅值的标准差，mA表示目标点在输入的N幅SAR图像中幅值的均值；先设定幅度离差门限DThreshold，然后将那些满足条件DA＜DThreshold的像素点选为PS点，幅度离差门限DThreshold设置为0.3；输入的SAR图像尽量多于25～30幅；选出PSC后，提取PSC处的干涉相位，此时，提取的干涉相位为经过二轨法处理后的相位。进一步地，三维空时相位解缠具体包括：雷达获取的相位数据是缠绕在区间[-π,π)内的数据；因此，为了恢复目标点的真实相位，需要对相位数据进行解缠绕处理。目标点真实相位和缠绕相位关系的数学表达式如式所示：n为整数相位解缠处理也就是估计未知整数n的过程；在PSInSAR的处理过程中，需要对空时三维进行相位解缠，在空间二维的图像域，先根据PSC的位置建立Delaunay三角网格，然后再利用MCF算法获取空间二维的解缠结果。进一步地，估计并补偿大气和轨道误差相位具体包括：大气相位和轨道误差相位是随空间缓变的，建模为以空间二维坐标为自变量的一阶函数或者建立为二阶或高阶函数)式中，待估参数有三个A，B和C，而ε和η分别表示PSC在SAR图像中所对应的距离和方位二维坐标。进一步地，PS点重新识别及形变反演和高程误差估计具体包括：识别一个点是否是PS点是看这个点是否与已知的形变和高程误差模型相比匹配，判断模型匹配的方法可以依据这个点的时间相关系数，其计算公式如式所示：式中，表示目标点P在第i幅干涉图像中的干涉相位即补偿大气和轨道误差相位后，mi(P)表示由目标点P的形变运动模型和高程误差模型估计出的相位。最后通过设置相关系数门限，将大于门限的像素点选为最终的PS点，并估计这个PS点的形变量和高程误差。与现有技术相比，本专利技术基于PS-InSAR技术的地铁沿线周边环境历史沉降风险评估方法具有以下优点：雷达卫星干涉测量(PS-InSAR)技术具有非接触测量、不需要布设监测控制网、毫米级精度、效率高、成本低、覆盖范围广、不受天气影响、空间分辨率高等特点，可克服上述常规精密水准观测和GPS观测的缺陷。本专利技术采用PS-InSAR技术获得地铁工程施工前周边环境的沉降变形历史存档数据，通过反演计算获得高精度沉降变形成果，据以对地铁沿线条带缓冲区内的地表、建筑、道桥等设施进行沉降变化趋势分析，对补充勘查、管线及房屋调查、设计、施工等方面需要重点考虑的区段予以提示，可以协助建设单位全面做好地铁风险防范工作。本专利技术通过分布在沿线地表不同位置的雷达干涉测量监测点，解算分析出各监测点的三维坐标，并根据历史沉降序列情况，通过数据分本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于PS‑InSAR技术的地铁沿线周边环境历史沉降风险评估方法，其特征在于，包括：以N幅SAR图像为输入，通过图像配准的方法将所有SAR图像配准到相同的网格内；将所有获得的SAR数据组合成若干个集合，原则是：集合内的SAR图像基线距小，集合间的基线距大，并通过二轨法去除由地形起伏引入的干涉相位；在图像中选择候选PS点(PSC)，并利用PSC的信息补偿由大气变化引入的误差相位和由轨道数据不精确引入的误差相位；利用补偿后的相位信息对图像中所有像素点进行逐点分析，重新识别PS点，并估计其形变信息和高程误差信息。

【技术特征摘要】
1.一种基于PS-InSAR技术的地铁沿线周边环境历史沉降风险评估方法，其特征在于，包括：以N幅SAR图像为输入，通过图像配准的方法将所有SAR图像配准到相同的网格内；将所有获得的SAR数据组合成若干个集合，原则是：集合内的SAR图像基线距小，集合间的基线距大，并通过二轨法去除由地形起伏引入的干涉相位；在图像中选择候选PS点(PSC)，并利用PSC的信息补偿由大气变化引入的误差相位和由轨道数据不精确引入的误差相位；利用补偿后的相位信息对图像中所有像素点进行逐点分析，重新识别PS点，并估计其形变信息和高程误差信息。2.根据权利要求1所述的基于PS-InSAR技术的地铁沿线周边环境历史沉降风险评估方法，其特征在于，SAR图像配准具体包括：在配准的过程中，选择N幅SAR图像中的一幅SAR图像为基准图像，将其他N-1幅SAR图像都配准到基准SAR图像的网格内；基准图像的选择需要综合考虑空间基线和时间基线两个指标，最佳的基准图像是到其他SAR图像空间基线和时间基线的加权平均值最小的那幅SAR图像；在处理过程中采用三级配准的方法：(1)基于卫星轨道数据的配准；(2)基于像素级的配准；(3)基于亚像素级的配准。3.根据权利要求1所述的基于PS-InSAR技术的地铁沿线周边环境历史沉降风险评估方法，其特征在于，二轨法处理具体包括：先利用主辅SAR图像的卫星轨道数据和外部DEM信息，计算出DEM每个像素点的干涉相位，并将每个像素点投影到SAR图像的坐标系中；此时，DEM的像素点非均匀地分布在SAR图像的网格中；然后，利用Delaunay三角插值的方法对SAR图像的均匀网格进行重采样，获取由地形信息模拟的干涉相位图；最后，再在真实的干涉相位中减去由外部DEM模拟的干涉相位。4.根据权利要求1所述的基于PS-InSAR技术的地铁沿线周边环境历史沉降风险评估方法，其特征在于，参考PS点(PSC)选择和提取PSC处的干涉相位具体包括：PSC的选择采用基于幅度统计特性的选择方法，此方法利用目标点的幅度离差信息来选择PS点，幅度离差的计算公式如下：

【专利技术属性】
技术研发人员：丁连军，尹宁，李吉平，白玉江，范胜文，葛春青，班勇，朱茂，
申请(专利权)人：北京东方至远科技股份有限公司，
类型：发明
国别省市：北京,11