CN103714247B - 一种地铁中心线及沿线平均形变速率的获取方法、装置 - Google Patents

Abstract

本发明适用于地理空间信息系统技术领域，提供了一种地铁中心线及沿线平均形变速率的获取方法、装置，所述方法包括：基于干涉测量合成孔径雷达InSAR影像数据和数字高程模型DEM数据，计算研究区域相干点目标的平均形变速率；基于获取的地铁施工线路矢量数据以及所述研究区域相干点目标的平均形变速率计算地铁中心线节点的平均形变速率、地铁沿线相干点目标的平均形变速率。本发明，基于InSAR影像数据和数字高程模型DEM数据，可以计算得到地铁中心线节点的平均形变速率和地铁沿线相干点目标的平均形变速率，从而对地铁工程安全管理者提供了良好的信息支持，可以进行地铁工程建设突发性地质灾害的监测和预警，具有很大的实用价值。

Description

一种地铁中心线及沿线平均形变速率的获取方法、装置

技术领域

本发明属于地理空间信息系统技术领域，尤其涉及一种地铁中心线及沿线平均形变速率的获取方法、装置。

背景技术

近年来，随着我国城市化进程的加速，城市规模不断扩大，城市交通方式也在向多元化发展。地铁交通由于其快捷、便利的特点，已经成为大中城市不可或缺的重要交通方式。目前，我国有多个大中城市正在或计划建设地铁工程，在地铁工程建设过程中频繁发生的施工安全事故和地质灾害，导致了大量的人员伤亡和财产损失，已经引起社会各界和有关部门的高度重视。由此可见，研究并建立地铁工程三维形变分析系统，对地铁工程施工建设和运营进行实时分析和预警，是地铁工程施工和运营安全的重要基础。

高分辨率合成孔径雷达差分干涉测量(Differential InSAR，DInSAR)形变监测技术作为一种新型的卫星遥感技术，DInSAR近20年来得到了迅猛的发展，其利用合成孔径雷达相位信息精确测量地表三维空间位置及其微小变化，使得人们从太空中大范围、高精度监测毫米级地表形变成为可能。当前，世界各国，特别是欧美发达国家争先研究和发展这项卫星遥感技术，并在地震形变、冰川运移、活动构造、火山运动、地面沉降以及山体滑坡等诸多地壳形变监测研究中得到了广泛应用。目前，DInSAR技术已取得了重要进展，特别在常规DInSAR（两轨或三轨法）基础上发展起来的高级DInSAR方法，如多基线stacking方法、角反射器干涉测量法（CRInSAR）、小基线集方法（SBAS）以及永久散射体干涉测量（PSI）等，是近年来国际上在该领域取得的重大技术突破，有效克服了常规DInSAR在实施过程中遇到的局限性问题，如时间、空间去相干和大气效应等，从而大大提高了该技术地表形变监测的可靠性，测量精度由传统方法的厘米级提高到目前的毫米级。因此，具备了空前的高分辨率（1～10米），较短重访周期（1～11天）以及多角度、多模式、全极化数据获取能力的新一代高分辨率雷达遥感在重大工程建设突发性地质灾害的监测和预警方面具有了巨大的应用潜力。

然而，目前在地铁工程施工和运营安全方面，并没有使用DInSAR技术来进行地铁工程建设突发性地质灾害的监测和预警。

发明内容

本发明实施例提供了一种地铁中心线及沿线平均形变速率的获取方法、装置，旨在解决现有技术没有将DInSAR技术用来进行地铁工程建设突发性地质灾害的监测和预警的问题。

一方面，提供一种地铁中心线及沿线平均形变速率的获取方法，所述方法包括：

基于干涉测量合成孔径雷达InSAR影像数据和数字高程模型DEM数据，计算研究区域相干点目标的平均形变速率；

基于获取的地铁施工线路矢量数据以及所述研究区域相干点目标的平均形变速率计算地铁中心线节点的平均形变速率、地铁沿线相干点目标的平均形变速率。

进一步地，在所述基于干涉测量合成孔径雷达InSAR影像数据和数字高程模型DEM数据，计算研究区域相干点目标的平均形变速率的同时，还包括：

基于干涉测量合成孔径雷达InSAR影像数据和数字高程模型DEM数据，计算研究区域相干点目标垂直于地面方向上的累积形变值；

在所述基于获取的地铁施工线路矢量数据以及所述研究区域相干点目标的平均形变速率计算地铁中心线节点的平均形变速率、地铁沿线相干点目标的平均形变速率之前或之后，还包括：

基于获取的地铁施工线路矢量数据以及所述研究区域相干点目标垂直于地面方向上的累积形变值计算地铁沿线区域的时序DEM数据。

进一步地，在所述基于获取的地铁施工线路矢量数据以及所述研究区域相干点目标垂直于地面方向上的累积形变值计算地铁沿线区域的时序DEM数据之后，还包括：

根据研究周期开始时间的地铁沿线区域的高精度DEM数据、数字正射影像DOM数据构建地铁沿线区域的三维地理信息系统虚拟地理环境；

在所述三维地理信息系统虚拟地理环境中，对地铁沿线区域的时序DEM数据以时间顺序分别进行三维动态渲染，来模拟地铁沿线区域在施工过程中的地面形变过程。

进一步地，在所述根据研究周期开始时间的地铁沿线区域的高精度DEM数据、数字正射影像DOM数据构建地铁沿线区域的三维地理信息系统虚拟地理环境之后，还包括：

在所述三维地理信息系统虚拟地理环境中，以获取的地铁中心线节点的平均形变速率为Z值，以地铁中心线节点在地铁施工线路矢量数据中的排列顺序来绘制垂直投影于地铁中心线的空间三维折线，以直观地表现地铁中心线节点的平均形变速率。

进一步地，在所述根据研究周期开始时间的地铁沿线区域的高精度DEM数据、数字正射影像DOM数据构建地铁沿线区域的三维地理信息系统虚拟地理环境之后，还包括：

在所述三维地理信息系统虚拟地理环境中，以获取的地铁沿线相干点目标的平均形变速率为Z值，绘制垂直于地表的三维圆柱体，以直观地表现地铁沿线相干点目标的平均形变速率。

另一方面，提供一种地铁中心线及沿线平均形变速率的获取装置，所述装置包括：

第一形变速率获取单元，用于基于干涉测量合成孔径雷达InSAR影像数据和数字高程模型DEM数据，计算研究区域相干点目标的平均形变速率；

第二形变速率获取单元，用于基于获取的地铁施工线路矢量数据以及所述研究区域相干点目标的平均形变速率计算地铁中心线节点的平均形变速率、地铁沿线相干点目标的平均形变速率。

进一步地，第一形变速率获取单元，还用于基于干涉测量合成孔径雷达InSAR影像数据和数字高程模型DEM数据，计算研究区域相干点目标垂直于地面方向上的累积形变值；

所述装置还包括：

时序DEM数据获取单元，用于基于获取的地铁施工线路矢量数据以及所述研究区域相干点目标垂直于地面方向上的累积形变值计算地铁沿线区域的时序DEM数据。

进一步地，所述装置还包括：

虚拟地理环境构建单元，用于根据研究周期开始时间的地铁沿线区域的高精度DEM数据、数字正射影像DOM数据构建地铁沿线区域的三维地理信息系统虚拟地理环境；

地面形变过程模拟单元，用于在所述三维地理信息系统虚拟地理环境中，对地铁沿线区域的时序DEM数据以时间顺序分别进行三维动态渲染，来模拟地铁沿线区域在施工过程中的地面形变过程。

进一步地，所述装置还包括：

节点形变速率模拟单元，用于在所述三维地理信息系统虚拟地理环境中，以获取的地铁中心线节点的平均形变速率为Z值，以地铁中心线节点在地铁施工线路矢量数据中的排列顺序来绘制垂直投影于地铁中心线的空间三维折线，以直观地表现地铁中心线节点的平均形变速率。

进一步地，所述装置还包括：

相干点形变速率模拟单元，用于在所述三维地理信息系统虚拟地理环境中，以获取的地铁沿线相干点目标的平均形变速率为Z值，绘制垂直于地表的三维圆柱体，以直观地表现地铁沿线相干点目标的平均形变速率。

在本发明实施例，基于InSAR影像数据和数字高程模型DEM数据，可以计算得到地铁中心线节点的平均形变速率和地铁沿线相干点目标的平均形变速率，从而对地铁工程安全管理者提供了良好的信息支持，可以进行地铁工程建设突发性地质灾害的监测和预警，具有很大的实用价值。

附图说明

图1是本发明实施例一提供的地铁中心线及沿线平均形变速率的获取方法的实现流程图；

图2是本发明实施例一提供的地铁中心线及沿线平均形变速率的获取装置的结构框图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

在本发明实施例中，先基于干涉测量合成孔径雷达InSAR影像数据和数字高程模型DEM数据，计算研究区域相干点目标的平均形变速率；再基于获取的地铁施工线路矢量数据以及所述研究区域相干点目标的平均形变速率计算地铁中心线节点的平均形变速率、地铁沿线相干点目标的平均形变速率。

以下结合具体实施例对本发明的实现进行详细描述：

实施例一

图1示出了本发明实施例一提供的地铁中心线及沿线平均形变速率的获取方法的实现流程，详述如下：

在步骤S101中，基于干涉测量合成孔径雷达InSAR影像数据和数字高程模型DEM数据，计算研究区域相干点目标的平均形变速率及相干点目标垂直于地面方向上的累积形变值。

在本实施例中，先收集地铁工程施工周期内施工区域的呈时间序列的干涉测量合成孔径雷达（Interferometric Synthetie Aperture Radar，InSAR）影像数据和数字高程模型(Digital Elevation Model，DEM)数据；再基于InSAR影像数据和DEM数据，采用通用的相干目标分析方法提取研究区域相干点目标的平均形变速率及相干点目标垂直于地面方向上的累积形变值。

本实施例中，将地铁施工区域的最小外包矩形作为研究区域，相干点目标指在InSAR影像数据中具有稳定散射特性的点。

收集的InSAR影像数据可以是ENVISAT高级合成孔径雷达(ENVISAT AdvancedSynthetic Aperture Radar，ENVISAT ASAR)影像数据，其中，ENVISAT是欧空局对地观测卫星名。

收集的DEM数据可以是SRTM DEM数据，SRTM是Shuttle Radar TopographyMission的缩写。

另外，本实施例中，采用通用的图像配准算法，使上述的InSAR影像数据和DEM数据能够精确匹配。

在步骤S102中，基于获取的地铁施工线路矢量数据以及所述研究区域相干点目标的平均形变速率计算地铁中心线节点及地铁沿线相干点目标的平均形变速率。

在本实施例中，分以下步骤分别计算地铁中心线节点及地铁沿线相干点目标的平均形变速率。

第一步、获取地铁施工线路矢量数据。

其中，通过工程测量或者影像提取的方式获得地铁施工线路矢量数据，地铁施工线路矢量数据必须与步骤S101中获取的平均形变速率数据通过地理坐标转换与坐标投影处理为同一空间参考下，使之能够正确的匹配。所述地铁施工线路矢量数据中包含地铁中心线的形状和地理位置信息，线状的矢量数据是由一系列的节点按照一定顺序连接而成的。

第二步、根据所述地铁施工线路矢量数据以及步骤S101中获取的所述研究区域相干点目标的平均形变速率计算地铁沿线相干点目标的平均形变速率。

其中，根据地铁施工线路矢量数据得到地铁施工线路的中心线，再以地铁施工线路的中心线为基准，建立地铁施工影响范围的缓冲区域，然后将该缓冲区域与研究区域相干点目标的平均形变速率做空间叠加、裁剪分析，即可获得地铁沿线相干点目标的平均形变速率。

第三步、根据所述研究区域相干点目标的平均形变速率以及地铁施工线路矢量数据计算得到地铁中心线节点的平均形变速率。

其中，将研究区域相干点目标的平均形变速率数据通过反距离权重(InverseDistance Weighted，IDW)内插算法，计算得到与研究区域相干点目标的平均形变速率对应的连续的栅格数据。将该栅格数据与地铁施工线路矢量数据中的节点进行空间叠加提取分析，即可获得地铁中心线节点的平均形变速率数据。如果在部分地铁施工区域，线路矢量数据中的节点不够密集，可以通过通用的节点增密算法增加地铁中心线上的节点，再将该些节点与栅格数据进行叠加提取分析，重新获得地铁中心线节点的平均形变速率数据。

其中，第二步和第三步没有先后之分，也可以先计算地铁中心线节点的平均形变速率，再计算地铁沿线相干点目标的平均形变速率。

本实施例中，基于InSAR影像数据和数字高程模型DEM数据，可以计算得到地铁中心线节点的平均形变速率和地铁沿线相干点目标的平均形变速率，从而对地铁工程安全管理者提供了良好的信息支持，可以进行地铁工程建设突发性地质灾害的监测和预警，具有很大的实用价值。

作为本发明的一个优选实施例，在步骤S101基于干涉测量合成孔径雷达InSAR影像数据和数字高程模型DEM数据，计算研究区域相干点目标的平均形变速率的同时，还可以基于干涉测量合成孔径雷达InSAR影像数据和数字高程模型DEM数据，计算研究区域相干点目标垂直于地面方向上的累积形变值。

在步骤S102的之前或之后，还包括步骤S103：

在步骤S103中、基于获取的地铁施工线路矢量数据以及所述研究区域相干点目标垂直于地面方向上的累积形变值计算地铁沿线区域的时序DEM数据。

其中，分别将各个时间点的相干点目标垂直于地面方向累积形变值通过IDW内插算法，计算得到研究区域相干点目标的呈时间序列的连续的累积形变栅格数据。根据地铁施工线路矢量数据得到地铁施工线路的中心线，再以地铁施工线路的中心线为基准建立地铁沿线区域的缓冲区域，将该缓冲区域与呈时间序列的累积形变栅格数据通过空间叠加、裁剪分析，计算得到地铁沿线区域的累积形变栅格数据。

以研究周期开始时间的地铁沿线区域的高精度DEM数据为基础，分别与不同时间的累积形变栅格数据进行地图代数求和运算，得到地铁沿线区域的时序DEM数据。

在步骤S103之后，还可以包括以下步骤：

在步骤S104中，根据研究周期开始时间的地铁沿线区域的高精度DEM数据、数字正射影像DOM数据构建地铁沿线区域的三维地理信息系统虚拟地理环境。

在本实施例中，将地铁沿线区域的时序DEM数据、数字正射影像（DigitalOrthophoto Map，DOM）数据分别存储到统一空间参考的空间数据库中，根据时序DEM数据和DOM数据构建地铁沿线的三维地理信息系统虚拟地理环境，时序DEM数据、数字正射影像是三维地理信息系统虚拟地理环境的基础数据。

优选地，构建好地铁沿线区域的三维地理信息系统虚拟地理环境后，可以获取地铁沿线区域的建筑物模型数据、建筑物纹理数据以及建筑模型方位数据等，根据这些数据，将地铁沿线区域出现的建筑物以贴地形的方式渲染到已经构建的三维地理信息系统虚拟地理环境中，模拟地铁沿线区域的建筑环境。

在步骤S105中，在三维地理信息系统虚拟地理环境中，对地铁沿线区域的时序DEM数据以时间顺序分别进行三维动态渲染，来模拟地铁沿线区域在施工过程中的地面形变过程。

在步骤S106中，在三维地理信息系统虚拟地理环境中，以获取的地铁中心线的节点的平均形变速率为Z值，以地铁中心线节点在地铁施工线路矢量数据中的排列顺序来绘制垂直投影于地铁中心线的空间三维折线。

如果Z值为正值则三维折线的节点渲染于地表以上，如果Z值为负值则三维折线的节点渲染为地表以下，直观的表现地铁中心线节点的形变速率。

在步骤S107中，在三维地理信息系统虚拟地理环境中，以获取的地铁沿线相干点目标的平均形变速率为Z值，绘制垂直于地表的三维圆柱体。

如果Z值为正值则渲染为底部贴地且垂直于地表向上的圆柱体，如果Z值为负值则渲染为底部贴地且垂直于地表向下的圆柱体，直观的表现地铁沿线区域相干点目标的三维形变速率。

本发明的优选实施例，先获取研究周期开始时间的地铁沿线区域的高精度DEM数据，再根据该研究周期开始时间的地铁沿线区域的高精度DEM数据以及数字正射影像DOM数据构建三维地理信息系统虚拟地理环境，然后在三维地理信息系统虚拟地理环境中，对地铁沿线区域的时序DEM数据以时间顺序分别进行三维动态渲染，来模拟地铁沿线区域在施工过程中的地面形变过程。通过该可视化地面形变过程，实现了对地铁工程三维形变的可视化管理，形象直观，更便于地铁工程安全管理者对地铁的施工进行管理。

此外，更优选地，将地铁沿线区域相干点目标的三维形变速率和/或地铁中心线节点的形变速率进行可视化，实现了地铁工程三维形变的多时段数据分析和高度仿真的可视化。

本领域普通技术人员可以理解实现上述各实施例方法中的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件来完成，相应的程序可以存储于一计算机可读取存储介质中，所述的存储介质，如ROM/RAM、磁盘或光盘等。

实施例二

图2示出了本发明实施例二提供的地铁中心线及沿线平均形变速率的获取装置的具体结构框图，为了便于说明，仅示出了与本发明实施例相关的部分。该装置2包括：第一形变速率获取单元21、第二形变速率获取单元22、时序DEM数据获取单元23、虚拟地理环境构建单元24、地面形变过程模拟单元25、节点形变速率模拟单元26和相干点形变速率模拟单元27。

其中，第一形变速率获取单元21，用于基于干涉测量合成孔径雷达InSAR影像数据和数字高程模型DEM数据，计算研究区域相干点目标的平均形变速率；

第二形变速率获取单元22，用于基于获取的地铁施工线路矢量数据以及所述研究区域相干点目标的平均形变速率计算地铁中心线节点的平均形变速率、地铁沿线相干点目标的平均形变速率。

进一步地，第一形变速率获取单元21，还用于基于干涉测量合成孔径雷达InSAR影像数据和数字高程模型DEM数据，计算研究区域相干点目标垂直于地面方向上的累积形变值；

所述装置2还包括：

时序DEM数据获取单元23，用于基于获取的地铁施工线路矢量数据以及所述研究区域相干点目标垂直于地面方向上的累积形变值计算地铁沿线区域的时序DEM数据。

进一步地，所述装置2还包括：

虚拟地理环境构建单元24，用于根据研究周期开始时间的地铁沿线区域的高精度DEM数据、数字正射影像DOM数据构建地铁沿线区域的三维地理信息系统虚拟地理环境；

地面形变过程模拟单元25，用于在所述三维地理信息系统虚拟地理环境中，对地铁沿线区域的时序DEM数据以时间顺序分别进行三维动态渲染，来模拟地铁沿线区域在施工过程中的地面形变过程。

进一步地，所述装置2还包括：

节点形变速率模拟单元26，用于在所述三维地理信息系统虚拟地理环境中，以获取的地铁中心线节点的平均形变速率为Z值，以地铁中心线节点在地铁施工线路矢量数据中的排列顺序来绘制垂直投影于地铁中心线的空间三维折线，以直观地表现地铁中心线节点的平均形变速率。

进一步地，所述装置2还包括：

相干点形变速率模拟单元27，用于在所述三维地理信息系统虚拟地理环境中，以获取的地铁沿线相干点目标的平均形变速率为Z值，绘制垂直于地表的三维圆柱体，以直观地表现地铁沿线相干点目标的平均形变速率。

本发明实施例提供的地铁中心线及沿线平均形变速率的获取装置可以应用在前述对应的方法实施例一中，详情参见上述实施例一的描述，在此不再赘述。

值得注意的是，上述装置实施例中，所包括的各个单元只是按照功能逻辑进行划分的，但并不局限于上述的划分，只要能够实现相应的功能即可；另外，各功能单元的具体名称也只是为了便于相互区分，并不用于限制本发明的保护范围。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种地铁中心线及沿线平均形变速率的获取方法，其特征在于，所述方法包括：

基于干涉测量合成孔径雷达InSAR影像数据和数字高程模型DEM数据，计算研究区域相干点目标的平均形变速率；

基于获取的地铁施工线路矢量数据以及所述研究区域相干点目标的平均形变速率计算地铁中心线节点的平均形变速率、地铁沿线相干点目标的平均形变速率；同时，

基于干涉测量合成孔径雷达InSAR影像数据和数字高程模型DEM数据，计算研究区域相干点目标垂直于地面方向上的累积形变值；

基于获取的地铁施工线路矢量数据以及所述研究区域相干点目标垂直于地面方向上的累积形变值计算地铁沿线区域的时序DEM数据；

根据研究周期开始时间的地铁沿线区域的高精度DEM数据、数字正射影像DOM数据构建地铁沿线区域的三维地理信息系统虚拟地理环境；

在所述三维地理信息系统虚拟地理环境中，对地铁沿线区域的时序DEM数据以时间顺序分别进行三维动态渲染，来模拟地铁沿线区域在施工过程中的地面形变过程。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述根据研究周期开始时间的地铁沿线区域的高精度DEM数据、数字正射影像DOM数据构建地铁沿线区域的三维地理信息系统虚拟地理环境之后，还包括：

在所述三维地理信息系统虚拟地理环境中，以获取的地铁中心线节点的平均形变速率为Z值，以地铁中心线节点在地铁施工线路矢量数据中的排列顺序来绘制垂直投影于地铁中心线的空间三维折线，以直观地表现地铁中心线节点的平均形变速率。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述根据研究周期开始时间的地铁沿线区域的高精度DEM数据、数字正射影像DOM数据构建地铁沿线区 域的三维地理信息系统虚拟地理环境之后，还包括：

在所述三维地理信息系统虚拟地理环境中，以获取的地铁沿线相干点目标的平均形变速率为Z值，绘制垂直于地表的三维圆柱体，以直观地表现地铁沿线相干点目标的平均形变速率。

4.一种地铁中心线及沿线平均形变速率的获取装置，其特征在于，所述装置包括：

第一形变速率获取单元，用于基于干涉测量合成孔径雷达InSAR影像数据和数字高程模型DEM数据，计算研究区域相干点目标的平均形变速率；

第二形变速率获取单元，用于基于获取的地铁施工线路矢量数据以及所述研究区域相干点目标的平均形变速率计算地铁中心线节点的平均形变速率、地铁沿线相干点目标的平均形变速率；

第一形变速率获取单元，还用于基于干涉测量合成孔径雷达InSAR影像数据和数字高程模型DEM数据，计算研究区域相干点目标垂直于地面方向上的累积形变值；

所述装置还包括：

时序DEM数据获取单元，用于基于获取的地铁施工线路矢量数据以及所述研究区域相干点目标垂直于地面方向上的累积形变值计算地铁沿线区域的时序DEM数据;

虚拟地理环境构建单元，用于根据研究周期开始时间的地铁沿线区域的高精度DEM数据、数字正射影像DOM数据构建地铁沿线区域的三维地理信息系统虚拟地理环境；

地面形变过程模拟单元，用于在所述三维地理信息系统虚拟地理环境中，对地铁沿线区域的时序DEM数据以时间顺序分别进行三维动态渲染，来模拟地铁沿线区域在施工过程中的地面形变过程。

5.如权利要求4所述的装置，其特征在于，所述装置还包括：

节点形变速率模拟单元，用于在所述三维地理信息系统虚拟地理环境中， 以获取的地铁中心线节点的平均形变速率为Z值，以地铁中心线节点在地铁施工线路矢量数据中的排列顺序来绘制垂直投影于地铁中心线的空间三维折线，以直观地表现地铁中心线节点的平均形变速率。

6.如权利要求5所述的装置，其特征在于，所述装置还包括：

相干点形变速率模拟单元，用于在所述三维地理信息系统虚拟地理环境中，以获取的地铁沿线相干点目标的平均形变速率为Z值，绘制垂直于地表的三维圆柱体，以直观地表现地铁沿线相干点目标的平均形变速率。