基于Sentinel-1卫星SAR图像的大面积地表三维形变计算方法技术

本发明专利技术公开了一种基于Sentinel

【技术实现步骤摘要】
Baseline Subset InSAR,SBAS
‑
InSAR)技术对Sentinel
‑
1卫星SAR图像进行处理以获取监测区域的三维地表形变数据，再基于滑动窗口处理方式，计算得到地表的三维形变序列，从而为地质灾害监测预警提供重要指标数据。本专利技术提出的地表三维形变计算方法可以适用于大面积地表形变监测处理，并解决多轨道SAR图像因成像时间不同导致地表形变计算时效性不足等问题。

技术实现思路

[0008]现有SAR图像解算地表三维形变技术只能针对单一的卫星轨道类型进行处理。当需要监测大面积地表形变时，观测区域存在多种卫星轨道类型SAR图像，传统的SAR图像三维形变计算方法存在一定局限性。
[0009]除此之外，现有SAR图像的地表三维形变计算方法大多都需要至少两个轨道的SAR图像。因不同轨道的SAR卫星观测成像时间不同，现有方法只能解算公共时间段上的三维形变。即便已经获取到了一个轨道最新的SAR图像，但若没有相同时段的其它轨道SAR图像数据，仍无法解算得到完整的三维形变序列，这会降低三维形变序列解算的时效性。例如，覆盖监测地区X的卫星在A轨道上有两幅不同的SAR图像A1、A2，在B轨道上有两幅不同的SAR图像B1和B2，且四幅图像的成像时间分别为和其中由于现有技术计算形变需要两幅SAR图像必须来源于同一成像区域，因此只能计算出A轨道上到的LOS向形变、距离向形变或方位向形变和B轨道上到的LOS向形变、距离向形变或方位向形变。在监测区域X上进行多轨道SAR图像解算地表三维形变过程中，由于除到外的其他时间段没有同时具备两轨道的图像，也就无法使用这种方法解算三维形变。而类似到这一段同时具备所有轨道计算出形变值的时间段为公共时间段。
[0010]另一方面，当进行大范围地表形变监测时，从商业卫星获取SAR图像数据会有较高成本，为了降低成本，本专利技术方法采用Sentinle
‑
1卫星网站提供的免费SAR图像数据进行地表形变监测。
[0011]针对上述问题，本专利技术提出一种基于Sentinel
‑
1 A/B卫星多轨道类型SAR图像的地表三维形变计算方法。该方法支持大面积地表形变监测，解决高时效性、低成本地表三维形变序列计算问题。相对于传统方法，本专利技术方法可根据监测地区的不同轨道类型，给出不同的地表三维形变计算方法，加之利用该地区的所有可用SAR图像，提高地表三维形变计算的时效性。
[0012]本专利技术提出了一种基于Sentinel
‑
1卫星SAR图像的大面积地表三维形变计算方法。该方法通过公开免费的对地遥感观测Sentinel卫星数据网站(https://search.asf.alaska.edu/#/)获取SAR图像数据文件进行处理，判断监测地区的SAR图像轨道类型，然后采取对应的地表三维形变计算方法，解算得到监测区域的地表三维形变序列。
[0013]1.选定监测地点
[0014]从公开免费的对地遥感观测Sentinel卫星数据网站(https://search.asf.alaska.edu/#/)选定待监测地表三维形变的监测地区，配置数据参数，准备下载该待监测地区的SAR图像文件。
[0015]2.定时下载SAR图像
[0016]SAR图像包括SLC模式和GRD模式的图像文件，每天定时从公开免费的Sentinel卫星数据网站(https://search.asf.alaska.edu/#/)获取待监测地区的单视复数图像文件(Single Look Complex，SLC)和地距多视图像文件(Ground Range Detected，GRD)。在后期数据处理中，使用SBAS
‑
InSAR技术对SLC图像文件处理，获取视线向形变；使用OT技术对GRD图像文件处理，获取方位向形变或距离向形变。
[0017]3.判断轨道类型
[0018]在下载了待监测地区的SAR图像后，可以判断其轨道类型。在地球的不同地区，Sentin el
‑
1卫星经过的频次和成像角度有所不同，即轨道数量与轨道之间关系(包括平行和交叉)不同。现有方法仅针对特定轨道类型进行地表三维形变计算，而没有考虑不同地区有不同轨道类型的处理情况。针对不同地区的轨道覆盖情况，可以将不同地区的轨道覆盖情况归类四种情况，分别为一个轨道覆盖类型的地区、两个交叉轨道覆盖的地区、两个平行轨道覆盖的地区和三个或更多轨道覆盖地区。
[0019]4.对应解算方案
[0020]本专利技术针对不同轨道类型的地区提出了不同的地表三维形变解算方案。
[0021]a.针对一个轨道覆盖类型的地区，其地表三维形变解算方案为：
[0022]S表示卫星，d
x
，d
y
，d
z
分别代表地表的南北方向、东西方向以及垂直地面方向上的形变。d
LOS
，d
distance
，d
azimu
分别代表视线向、距离向(水平面上垂直于卫星飞行方向)以及方位向(卫星飞行方向)上的形变，且均由卫星S多次经过当前地区对地观测形成的多幅SAR图像计算得来。本专利技术使用SBAS
‑
InSAR技术计算卫星S视线向的形变量d
LOS
，再使用OT技术计算出方位向形变d
azimuth
和距离向形变d
distance
。然后再将视线向形变d
LOS
、方位向形变d
azimuth
和距离向形变d
distance
投影到包含东西方向、南北方向和垂直方向的地表三维坐标系，即可解算出地表的南北方向、东西方向以及垂直地面方向上的形变。
[0023]b.针对两个交叉轨道覆盖的地区，其地表三维形变解算方案为：
[0024]S1，S2表示两颗轨道交叉的卫星，通过SBAS
‑
InSAR技术分别计算出卫星S1和卫星S2的视线向形变d
LOS1
和d
LOS2
，再使用OT技术计算出距离向形变d
distance
。将d
LOS1
、d
LOS2
和d
distance
分别投影到包含东西方向、南北方向和垂直方向的地表三维坐标系，即可解算出地表的南北方向、东西方向以及垂直地面方向上的形变。本专利技术仅使用距离向形变而非方位向形变的原因是：OT技术受分辨率的影响较大，而Sentinel
‑
1系列卫星用于地表形变监测的IW模式距离向分辨率更高，因此选用距离向形变会有更高的精度。
[0025]c.针对两个平行轨道覆盖的地区，其地表三维形变解算方案为：
[0026]S1，S2表示两颗轨道平行的卫星，通过SBAS
‑
InSAR技术分别计算出卫星S1和卫星S2的视线向形变d
LOS1
和d
本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于Sentinel
‑
1卫星SAR图像的大面积地表三维形变计算方法，其特征在于，该方法具体包括如下步骤：步骤1：选定监测地点从公开免费的对地遥感观测Sentinel卫星数据网站选定待监测地表三维形变的监测地区，配置数据参数，准备下载该待监测地区的SAR图像文件；步骤2：定时下载SAR图像SAR图像包括SLC模式和GRD模式的图像文件，每天定时从所述对地遥感观测Sentinel卫星数据网站获取该待监测地区的单视复数图像文件SLC和地距多视图像文件GRD，在后期数据处理中，使用差分干涉测量小基线集时序分析SBAS
‑
InSAR技术对SLC图像文件处理，获取视线向形变；使用偏移量追踪OT技术对GRD图像文件处理，获取方位向形变或距离向形变；步骤3：判断轨道类型在下载了待监测地区的SAR图像后，判断轨道类型，针对不同地区的轨道覆盖情况，分为四种情况：一个轨道覆盖类型的地区、两个交叉轨道覆盖的地区、两个平行轨道覆盖的地区和三个或更多轨道覆盖地区；步骤4：对应解算方案针对不同轨道类型的地区给出了不同的地表三维形变解算方案：a.针对一个轨道覆盖类型的地区，其地表三维形变解算方案为：S表示卫星，d
LOS
，d
distance
，d
azimuth
分别代表视线向、距离向以及方位向上的形变，使用SBAS
‑
InSAR技术计算卫星S视线向的形变量d
LOS
，再使用OT技术计算出方位向形变d
azimuth
和距离向形变d
distance
，然后再将视线向形变d
LOS
、方位向形变d
azimuth
和距离向形变d
distance
分别投影到包含东西方向、南北方向和垂直方向的地表三维坐标系，便能够解算出地表的南北方向、东西方向以及垂直地面方向上的形变；b.针对两个交叉轨道覆盖的地区，其地表三维形变解算方案为：S1，S2表示两颗轨道交叉的卫星，通过SBAS
‑
InSAR技术分别计算出卫星S1和卫星S2的视线向形变d
LOS1
和d
LOS2
，再使用OT技术计算出距离向形变d
distance
，将d
LOS1
、d
LOS2
和d
distance
分别投影到包含东西方向、南北方向和垂直方向的地表三维坐标系，便能够解算出地表的南北方向、东西方向以及垂直地面方向上的形变；c.针对两个平行轨道覆盖的地区，其地表三维形变解算方案为：S1，S2表示两颗轨道平行的卫星，通过SBAS
‑
InSAR技术分别计算出卫星S1和卫星S2的视线向形变d
LOS1
和d
LOS2
，再使用OT技术计算出方位向形变d
azimuth
，将d
LOS1
、d
LOS2
和d
azimuth
分别投影到包含东西方向、南北方向和垂直方向的地表三维坐标系，便能够解算出地表的南北方向、东西方向以及垂直地面方向上的形变；d.对于三个或更多轨道覆盖地区，其地表三维形变解算方案为：S1，S2表示两颗轨道平行的卫星，S3表示与S1，S2轨道交叉的卫星，通过SBAS
‑
InSAR技术计算出卫星S1、卫星S2和卫星S3各自的视线向形变d
LOS1
、d
LOS2
和d
LOS3
，将d
LOS1
、d
LOS2
和d
LOS3
分别投影到东西方向、南北方向和垂直方向便能够解算出地表的南北方向、东西方向以及垂直地面方向上的形变；步骤5：解算形变序列
在不同轨道类型的地区的地表三维形变解算方案基础上，提出一种基于滑动窗口机制的处理方法，具体包括：对于一个待监测地表三维形变的监测地区，设其包含n个成像区域，ar为成像区域的编号，且ar＝1，2，...，n，表示成像区域ar的第j幅SAR图像，表示成像区域ar的第j幅SAR图像的获取时间，采集的该待监测地表三维形变的监测地区的SAR图像序列P如下：为了计算整个图像序列P上的形变，采用滑动窗口机制，设置窗口大小k为1到n之间的整数，整体思想是：令k取遍1到n的所有值，当k＝n0时，将窗口从图像序列P起始点开始向后移动，每次移动一幅SAR图像，直到被纳入进窗口后结束，共移动n
‑
n0次，在移动过程中，每次移动均根据当前窗口内部包含的成像区域的轨道类型选用对应的地表三维形变解算方案，将计算出的形变按照时间顺序组织起来，覆盖上一次遍历的结果，逐步得到最终的地表三维形变序列；先设窗口k＝1，代表每次只在该待监测地区的一个成像区域上计算，从开始，认为该待监测地区为一个轨道覆盖类型的地区，对成像区域1的所有图像中的任意两幅SAR图像使用一个轨道覆盖类型的地区的地表三维形变解算方案，得到成像区域1的所有图像的获取时间上的形变序列L1，向后移动窗口，对成像区域2的任意两幅SAR图像使用一个轨道覆盖类型的地区的地表三维形变解算方案，得到上的形变序列L2，以此类推，直到该待监测地区的成像区域n计算完成；再设窗口k＝2，代表每次在该待监测地区的两个成像区域上计算地表三维形变，从开始，窗口内部有和两幅SAR图像，如果窗口内部两幅SAR图像所属的两个成像区域属于同一轨道，则不进行操作；如果两个成像区域所属轨道相互平行，则使用两个平行轨道覆盖的地区的地表三维形变解算方案计算成像区域1和2上的地表三维形变，得到盖的地区的地表三维形变解算方案计算成像区域1和2上的地表三维形变，得到即公共时间段上的形变序列L1‑2；如果两个成像区域所属轨道交叉，则使用两个交叉轨道覆盖的地区的地表三维形变解算方案计算成像区域1和2上的地表三维形变，得到即公共时间段上的形变序列L1‑2；再移动窗口，以此类推，直到该待监测地区的成像区域n计算完成，采用本次得到的公共时间段口，以此类推，直到该待监测地区的成像区域n计算完成，采用本次得到的公共时间段上的形变序列L1‑2覆盖k＝1时得到的上的形变序列；再令k＝3，代表每次在该待监测地区的三个成像区域上计算地表三维形变，从开始，窗口内部有和三幅SAR图像，如果窗口内部三幅SAR图像所属的三个成像区域对应三个轨道两两平行，则不进行操作；如果三个成像区域所属轨道存在交叉，则使用三个或更多轨道覆盖地区的地表三维形变解算方案计算成像区域1、2、3上的地表三维形变，得到
即公共时间段上的形变序列L1‑3；再移动窗口，以此类推，直到该待监测地区的成像区域n计算完成，进一步采用本次得到的公共时间段直到该待监测地区的成像区域n计算完成，进一步采用本次得到的公共时间段上的形变更新k＝2时得到的上的形变序列；再依次令k＝4，5......n，按照上述思路逐步计算，直到得到最终的地表三维形变序列L。2.根据权利要求1所述的基于Sentinel
‑
1卫星SAR图像的大面积地表三维形变计算方法，其特征在于，所述步骤2中定时下载SAR图像具体包括：在所述对地遥感观测Sentinel卫星数据网站中，设置搜索待监测地区SAR图像的位置信息，点击“Filters”按钮，选择需要下载SAR图像的起止日期，“File Type”选择SLC和GRD类型分别用于SBAS
‑
InSAR和OT技术，“Beam Mode”选择IW模式，该模式主要用于陆地观测，“Direction”升降轨全选，“Subtype”表示需要获取的卫星图像来源，当前代表同时获取Sentinel
‑
1 A/B卫星图像，在点击搜索按钮后，检索出符合条件的SAR图像，点击“Queue”将SAR图像加入下载队列，在“Download”界面中获取到下载图像的python脚本，执行该脚本获取相关SAR图像。3.根据权利要求2所述的基于Sentinel
‑
1卫星SAR图像的大面积地表三维形变计算方法，其特征在于，所述步骤3中判断轨道类型具体包括：在下载SAR图像前，先查看待监测地表三维形变的监测地区所有的SAR图像文件，在显示结果的地图中，点击成像区域后会展示出图像的Frame编号和Path编号，当两个成像区域Path编号相同而Frame...

【专利技术属性】
技术研发人员：陆鑫，麻一琪，
申请(专利权)人：电子科技大学，
类型：发明
国别省市：