基于InSAR形变的GNSS测站布局方法及其应用技术

本发明专利技术提供一种基于InSAR形变的GNSS测站布局方法及其应用，以InSAR历史形变为基础，通过空间抽样和地统计学中的克里金插值方法，在顾及成本和精度的前提下，通过多尺度迭代给出形变区域GNSS测站布设的参考个数、空间分布及其对应的形变预测精度，既能使GNSS测站最大可能捕捉形变的空间特征，也能提高后期InSAR和GNSS融合的精度。本发明专利技术充分利用了InSAR在形变监测上大尺度、高精度、高空间分辨率的优势，为GNSS形变监测时的测站布设提供了指导和可靠依据，有助于更好地捕捉区域形变的空间特征。在目前地质灾害频发的背景下，非常有利于地质灾害的监测和认识。地质灾害的监测和认识。地质灾害的监测和认识。

【技术实现步骤摘要】
基于InSAR形变的GNSS测站布局方法及其应用


[0001]本专利技术涉及基于遥感影像的大地测量领域中合成孔径雷达干涉测量(InSAR,Synthetic Aperture Radar Interferometry)技术和全球导航卫星系统(GNSS,Global Navigation Satellite System)技术，特别涉及一种基于InSAR形变的GNSS测站布局方法及其应用。

技术介绍

[0002]全球导航卫星系统(GNSS,Global Navigation Satellite System)作为当前最为成熟的精密定位技术之一，其具有全天候、自动化和长时间连续观测的优点，因此在许多工程测量和自然灾害监测领域得到了广泛应用。但是GNSS的成本较高，无法实现大面积高密度的布设，因此其监测结果的空间分辨率较低，无法反映监测区域形变的空间变化。而合成孔径雷达干涉测量(InSAR，Interferometric Synthetic Aperture Radar)技术经过几十年的发展，以其独特的优势迅速在火山、地震、矿区、冰川、大气、冻土等各本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.基于InSAR形变的GNSS测站布局方法，其特征在于，包括以下步骤：S1、InSAR数据处理：获取单个或多个轨道的雷达影像的差分干涉图集，通过InSAR技术计算其在一段时间内的地表一维/二维/三维平均形变速率；S2、确定候选点集：以所有InSAR形变点作为GNSS测站布设的初始点集，通过四叉树降采样，选择能够体现出所有形变方向形变空间特征的GNSS测站候选点，以降低初始点集的数量和密度；同时根据研究区域地质构造、地形地貌外部数据获得无法布设测站的掩膜区域，并移除掩膜区域中的候选点，获得最终候选点集；S3、建立目标函数模型：首先估计InSAR形变速率场的变异函数模型，同时以最小预测方差为目标，根据选择的变异函数和测站点通过克里金方法插值整个形变场，建立能使插值形变和InSAR监测形变的均方根误差最小的模型；S4、确定初始测站分布：初始测站分布中包含两种类型的测站，一种是根据工程和项目需要，确定的必须布设的测站，这部分测站后续不会再变化；另一种是需要采用目标函数迭代优化的测站，这部分测站的初始位置通过依次删减候选点从而根据均方根的变化来确定；S5、多尺度迭代优化求解目标函数模型：根据InSAR形变、初始测站、候选点集以及形变场的变异函数采用多尺度迭代优化方法求解目标函数模型，直至模型求解的精度达到要求为止。2.根据权利要求1所述的基于InSAR形变的GNSS测站布局方法，其特征在于，所述S1包括以下子步骤：S11、对获取的雷达影像，经过配准、选择小基线构网、干涉、去平地和去地形、相位滤波、相位解缠、大气校正和地理编码后形成干涉图集；S12、假设只有一个时空基线集，则由短基线集SBAS方法通过最小二乘解得时间序列形变和平均形变速率；S13、根据获取的研究区域的数据情况，分别进一步获取一维、二维或三维形变：一维形变：若只有一个轨道，则可直接使用SBAS
‑
InSAR监测的视线向LOS形变，将其转换为垂直向形变：D
U
＝D
LOS
/cosθ
inc
其中D
U
表示垂直向形变，D
LOS
为SBAS
‑
InSAR监测的LOS向形变，θ
inc
表示雷达局部入射角；二维形变：若可以获得升降轨数据，则通过升降轨融合并忽略南北向形变的方式来获取垂直向和东西向的二维形变：取垂直向和东西向的二维形变：其中D
U
和D
E
分别为待求的垂直向和东西向形变；表示升轨数据监测的形变，为升轨卫星的雷达局部入射角，为升轨卫星的雷达方位角；表示降轨数据监测的形变，为降轨卫星的雷达局部入射角，为降轨卫星的雷达方位角；上式中的参数通过最小二乘直接求解；三维形变：若可以获得不同传感器的升降轨采用经典方法获得其多个方向的形变，最
后通过最小二乘求解其东西、南北和垂直方向的形变。3.根据权利要求1所述的基于InSAR形变的GNSS测站布局方法，其特征在于，所述S2包括以下子步骤：S21、将所有InSAR形变点作为初始候选点，通过四叉树降采样分别获取不同方向的候选点集，然后对不同方向的候选点集求并集，获得GNSS测站的候选点集；S211、将InSAR形变点集作为初始候选点；S212、基于InSAR形变设置形变的方差阈值T；S213、使用四叉树递归算法将InSAR点集不停细分为正方形，并计算每个正方形中InSAR形变的方差：其中，σ2表示正方内InSAR点的方差，n代表正方内InSAR点的个数，d
i
代表正方内第i个点的形变，是正方形内n个InSAR形变点的均值；若该方差小于等于T，则停止分割；若该方差大于T，则继续分割，直至每个正方形中的形变的方差都小于等于T；将四叉树降采样的点集作为该方向的候选点集；S214、对多个方向的候选点集求并集，获得整个区域的初始候选点集；S22、获取研究区域可用的地质构造、地形地貌外部数据，并掩膜掉其中不适合布设测站的区域；S23、从初始候选点集中移除S24掩膜区域中的候选点，获得最终的候选点集。4.根据权利要求1所述的基于InSAR形变的GNSS测站布局方法，其特征在于，所述S3包括以下子步骤：S31、用InSAR形变点计算二维形变场的变异值：式中，h为形变点之的间距，又称为位差；N(h)为以h为间距的所有观测点的成对数目；z(x
i
)和z(x
i
+h)分别表示相对距离为h的InSAR形变观测值；为间距为h的方差，即变异值；通过本步骤获得InSAR形变场的方差与间距h的样本值；本目标是建立方差和点对之间的空间距离h之间的关系，即变异函数；根据以上获得的样本值，选择拟合度最好的模型作为变异函数，并拟合计算该模型参数；S32、假设在步骤S2的某区域D中一共获得了n个候选点，并用集合D
n
表示，现在需要从这n个候选点中挑选N个点布设GNSS测站，则定义如下集合及符号：用集合P
N
表示这些GNSS点分布的集合；用(x
i
,y
i
,v
i
)表示当前点集中的第i个点的位置及其形变速率，其中i＝1,2,
…
N，简化为用S
M
表示GNSS测站个数相同但分布不同的一系列P
N
的集合，其中M表示该集合中一共有M个集合P
N
，则则其中和均表示第k个点集；S33、对以上M个P
N
分别进行采用克里金插值，获得插值后的完整区域形变场；然后与InSAR监测的形变场相比较，分别计算每个GNSS分布集合的均方根误差RMSE：
其中，d
i
表示InSAR监测的形变场中的第i个点的形变；表示克里金插值的第i个点的形变；N(D)表示监测区域D中的InSAR点的个数；RMSE
k
表示集合S
M
中第k个点集的均方根误差；S34、以步骤S33计算的RMSE作为指标，则该GNSS测站布设的位置求解问题转换为如下的关于RMSE最小化求解问题：其中W是权值或者比例因子，R表示不同测站布设的均方根误差；当有条件获取到研究区域二维或三维形变时，同时顾及到每一个维度的形变，此时上式转换为如下形式：其中，Ndim＝1,2,3，分别表示获取到了研究区域的一维、二维和三维形变；R
i
表示第i个方向的均方根误差；W
i
表示第i个方向的权重；权重可以...

【专利技术属性】
技术研发人员：毛文祥，李志伟，许兵，朱焱，侯景鑫，
申请(专利权)人：中南大学，
类型：发明
国别省市：