一种基于大气校正C波段InSAR数据的土壤湿度估算方法技术

本发明专利技术公开了一种基于大气校正C波段InSAR数据的土壤湿度估算方法，包括：对SAR图像进行去噪处理；以去噪后的SAR图像作为输入图像，计算出干涉图像；以输出的干涉图像作为输入图像，根据Sentinel

【技术实现步骤摘要】
一种基于大气校正C波段InSAR数据的土壤湿度估算方法


[0001]本专利技术属于图像处理
，具体涉及一种基于大气校正C波段InSAR数据的土壤湿度估算方法。

技术介绍

[0002]合成孔径雷达(SAR)，是一种主动式的对地观测系统，全天时、全天候对地实施观测、并具有一定的地表穿透能力。因此，SAR系统在灾害监测、环境监测、海洋监测、资源勘查、农作物估产、测绘和军事等方面的应用上具有独特的优势。其中，土壤水分反演是SAR图像应用的一个热点。
[0003]传统的土壤湿度测量手段是利用仪器或者烘干等等手段实地进行采样测量，这种方式不仅费时费力，而且成本高、适用范围小，很难推广到大区域。SAR(合成孔径雷达)的发射解决了这些问题，在近几十年对土壤含水量的研究成果表明，土壤水分含量会对雷达的信号散射造成很大的影响，两者具有相关性，通过SAR提取土壤水分可以大大提高反演的可靠性和准确性。
[0004]闭合相位或相位三元组是可以从三个SAR图像计算的三个干涉图的干涉相位的代数和。为三个共同配准的SAR图像的每个像素计算相位三元组。值得注意的是，闭合阶段对地表变形、大气延迟或地形误差不敏感，由此提供了一种估算土壤水分的方法。相位不一致可用于估计土壤水分值。然而，闭合相位的模型反演是不确定的，即使闭合相位与相干幅度相结合，也有产生不同的结果。这意味着不同的土壤水分值组合在一个三元组中会产生相似的闭合阶段。
[0005]在没有地形变形和适当去除大气相位延迟(APD)的情况下，从干涉相位直接反演土壤水分比使用闭合相位和相干性效果更好。差分干涉技术在测量土壤水分时的主要限制是合成孔径雷达(SAR)信号的时间去相关，特别是在植被和农业地区，以及大气路径延迟(APD)的印记。

技术实现思路

[0006]专利技术目的：为了克服现有技术中存在的不足，提供一种基于大气校正C波段InSAR数据的土壤湿度估算方法，定量地将InSAR数据与土壤湿度联系起来，利用SAR干涉图像得到大气相位延迟，从而去除了大气对InSAR相位的影响，只保留了土壤湿度对InSAR相位的影响，从而有效提高了土壤湿度的反演精度。
[0007]技术方案：为实现上述目的，本专利技术提供一种基于大气校正C波段InSAR数据的土壤湿度估算方法，包括如下步骤：
[0008]S1：对SAR图像进行去噪处理；
[0009]S2：以步骤S1中去噪后的SAR图像作为输入图像，处理N幅SAR图像的时间序列，计算出N
‑
1幅干涉图像；
[0010]S3：以步骤S2中输出的干涉图像作为输入图像，根据Sentinel
‑
1图像和其他外部
数据进行APD相位估计，并且进行APD相位校准；
[0011]这里需要说明的是哨兵1号(sentinel
‑
1)由两颗极轨卫星A星和B星组成。两颗卫星搭载的传感器为合成孔径雷达(SAR)，属于主动微波遥感卫星，传感器搭载C波段。
[0012]S4：建立分析模型用于提供土壤水分变化与干涉相位和相干性之间的直接关系；
[0013]S5：根据步骤S2中输出的SAR图像干涉相位数据和步骤S3中输出的APD相位之间的差值，得出InSAR数据的剩余相位，将其作为输入代入到步骤S4中土壤水分变化与干涉相位之间的分析模型，得出土壤湿度。
[0014]本专利技术还包括步骤S6，所述步骤S6具体为：将土壤水分的实测值根据步骤S4中的分析模型转换为相位和相干值，再将SAR数据干涉相位中的APD相位结果移除，得到剩余相位，将两者进行比较，进行精度评估。
[0015]进一步地，所述步骤S1具体为：在提取土壤湿度之前通过滤波器对SAR图像进行滤波处理。
[0016]进一步地，所述步骤S2中N
‑
1幅干涉图像的计算方法为：
[0017]A1：使用菊花链策略选择SAR图像对进行堆栈生成，取t时刻和t+Δt时刻的两幅SAR图像；
[0018]A2：使用精确轨道和外部DEM进行配准；
[0019]A3：计算获取到干涉图：同一区域的两幅SAR图像的时间差Δt在最小化时可以去除地形变化对SAR图像的相位影响，在这种情况下，两幅SAR图像的相位差主要与SAR图像的采集时间之间APD的时间变化有关，因此可以依靠两幅SAR图像之间的相位差值得到干涉图像，从而得到干涉相位图。
[0020]进一步地，所述步骤S3中APD的估计方法为：
[0021]在两个SAR图像的采集之间没有明显的地表形变的情况下，可以假设APD对干涉相位φ的影响：
[0022][0023]其中，Δφ
APD
为大气延迟引起的相位贡献，λ为雷达波长；
[0024]给定为了最小化时间基线而产生的N幅干涉图的时间序列，可以计算到t时刻的APD：
[0025][0026]其中i,j为像素坐标，和为日期t+1和t的大气相位延迟。
[0027]进一步地，所述步骤S3中APD相位校准的方法为：
[0028]本专利技术提出一种四参数线性回归模型，引入APD的低频空间分布信息，并用一组全球导航卫星系统台站对其进行校准；
[0029]系统方程为：
[0030][0031]其中a1,...,a4是要估计的参数，是像素(i,j)的测地坐标。
[0032]进一步地，所述步骤S4中分析模型的表达如下：
[0033]假设电磁波在土壤中的差分传播与土壤湿度水平对表层垂直波数的影响有关，将土壤模型化为具有复介电常数ε
′
的均匀有耗介质层，垂直波数k
′
Z
为：
[0034][0035]其中ω、μ为角速度、介电常数，k
x
为视线方向的波数；
[0036]干涉相位为：
[0037][0038]相干性为：
[0039][0040]进一步地，所述步骤S5中土壤湿度的获取方法为：
[0041]估计的土壤湿度是通过最小化一个代价函数来获得的，该函数表示测量的干涉相位与模型预测的相位之间的失拟，土壤湿度的函数为：
[0042][0043]其中，N1为干涉图数，φ(mυ
i
,mυ
j
)和γ(mυ
i
,mυ
j
)分别为模型预测的相位值和相干值。
[0044]进一步地，所述步骤S6中精度评估的具体方法为：
[0045]首先根据土壤水分变化与干涉相位和相干性之间的分析模型，将土壤湿度的实测值转换为相位和相干值，从而避免了在反演相位时获得错误的土壤湿度；计算具有不同多视窗的APD结果，并将其从干涉相位中移除，以得出剩余相位，通过对剩余相位和土壤湿度实测数据的相位和相干值进行比较得到土壤水分反演精度。
[0046]本专利技术建立了InSAR数据和土壤湿度之间的联系，利用c波段合成孔径雷达(SAR)干涉测量(InSAR)技术处理c波段合本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于大气校正C波段InSAR数据的土壤湿度估算方法，其特征在于，包括如下步骤：S1：对SAR图像进行去噪处理；S2：以步骤S1中去噪后的SAR图像作为输入图像，处理N幅SAR图像的时间序列，计算出N
‑
1幅干涉图像；S3：以步骤S2中输出的干涉图像作为输入图像，根据Sentinel
‑
1图像和其他外部数据进行APD相位估计，并且进行APD相位校准；S4：建立分析模型用于提供土壤水分变化与干涉相位和相干性之间的直接关系；S5：根据步骤S2中输出的SAR图像干涉相位数据和步骤S3中输出的APD相位之间的差值，得出InSAR数据的剩余相位，将其作为输入代入到步骤S4中土壤水分变化与干涉相位之间的分析模型，得出土壤湿度。2.根据权利要求1所述的一种基于大气校正C波段InSAR数据的土壤湿度估算方法，其特征在于，还包括步骤S6，所述步骤S6具体为：将土壤水分的实测值根据步骤S4中的分析模型转换为相位和相干值，再将SAR数据干涉相位中的APD相位结果移除，得到剩余相位，将两者进行比较，进行精度评估。3.根据权利要求1所述的一种基于大气校正C波段InSAR数据的土壤湿度估算方法，其特征在于，所述步骤S1具体为：在提取土壤湿度之前通过滤波器对SAR图像进行滤波处理。4.根据权利要求1所述的一种基于大气校正C波段InSAR数据的土壤湿度估算方法，其特征在于，所述步骤S2中N
‑
1幅干涉图像的计算方法为：A1：使用菊花链策略选择SAR图像对进行堆栈生成，取t时刻和t+Δt时刻的两幅SAR图像；A2：使用精确轨道和外部DEM进行配准；A3：计算获取到干涉图。5.根据权利要求1所述的一种基于大气校正C波段InSAR数据的土壤湿度估算方法，其特征在于，所述步骤S3中APD的估计方法为：假设APD对干涉相位φ的影响：其中，Δφ
APD
为大气延迟引起的相位贡献，λ为雷达波长；给定为了最小化时间基...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈嘉琪，张志德，
申请(专利权)人：河海大学，
类型：发明
国别省市：