CN104391296A - 基于广义最小二乘平差的雷达三维形变场重构技术 - Google Patents

Abstract

基于广义最小二乘平差的雷达三维形变场重构技术，其特征在于：利用合成孔径雷达卫星获取视线向形变场的技术；去除大气效应影响的技术；列出三维方向形变的误差方程；利用广义最小二乘原理求解三维方向形变量；验证分析技术；本发明具有以下优点：1.利用现代先进的测量技术与设备，不需要在监测区域建站；2.监测时空间域保持连续性；3.能获取地表形变空间上的三维分布情况；4.克服传统方法如像元偏移量估计法、多孔径干涉方法和外部测量辅助的三维矢量分解精度低的缺点。

Description

基于广义最小二乘平差的雷达三维形变场重构技术

技术领域

本发明主要是涉及三维形变场重构技术，尤其涉及基于广义最小二乘平差的雷达三维形变场重构技术。 

背景技术

作为一种新兴的空间大地测量技术，InSAR技术能够获取高精度、高分辨率的形变信息，且不需要提供地面控制点，相比于其他大地测量手段有无法代替的作用。现在已成功应用于同震形变监测、地裂缝监测、地面沉降监测和火山研究等方面，取得了突破性的研究成果。在地震方面的研究成果表明InSAR技术在地球动力学和地震研究中发挥了的巨大作用。然而，利用一影像对只能获取一维变形量，因差分干涉所获取得到的变形量是NEU三个方向形变投影到雷达视线方向(LOS)的结果，故根据一影像对只能定性的认识地震形变场，无法满足定量分析的需求，从而无法利用合成孔径雷达差分干涉技术来解释或理解地表形变特征和揭示形变模式，否则会赞成误解。与合成孔径雷达差分干涉技术相比，GNSS监测结果具有量化清晰、精度高、时间尺度一致、动力学意义明确等优点，但利用离散的GNSS结果求解形变场、应变场的空间分布时，需进行拟合或内插，导致形变高频部分的去除，即忽略了形变的精细特征，水准测量虽然精度高，但只能获取竖直向的形变信息而且成本较高。为了解决这个问题，国内外很多专家和学者对三维形变场重构进行了努力。 

三维形变干涉测量在火山、地震、山体滑坡等地质灾害的研究领域具有重要的应用价值。将干涉测量获取的LOS向形变场解算为代表地表真实三维形变的垂直、东西、南北三分量形变场，将非常有利于地震形变场的定量分析，有利于地震破裂模式与机制建立，并推进DInSAR技术在地震3D形变研究新领域的进 一步应用。从国内外的研究现状分析，当前的研究多是基于多数据源并通过多技术方法的联合应用做到取长补短，在精度和信息量方面取得平衡。从单一的技术层面来看，借助高精度GPS或水准测量结果进行约束的三维干涉建模仍是当前最为高效、准确的三维形变探测方法。在不引入外部先验数据的条件下，通过多轨道、多平台的冗余观测实现三维空间位移的重建恢复仍比单独应用MAI的技术路线获得的精度和分辨率更高。在数据源有限的前提下，如何实现准确、高效的三维形变干涉测量，仍是值得深入研究的问题。 

其实随着雷达技术的发展，目前已经具备多平台、多波段、多模式雷达卫星观测手段，SAR卫星数据也已不断丰富，另外随着空间技术尤其是定位技术的发展，现在宽幅SAR已能形成干涉，对于同一个区域有多幅数据进行监测，如图3中所示的一块区域，虽然ENVISAT卫星条带模式升降轨只有两个视线向的监测数据，但是其宽幅模式升降轨则有12个视线向的监测数据，两者共有14个视线向的监测数据，再加上其他卫星如ALOS卫星的数据，故通过直接解算模型得获取三维形变场是完全可行的，而且利用广义最小二乘等方法还可以消除或降低误差的影响，故本文主要考虑用直接解算模型来获取三维形变场。 

ENVISAT卫星宽幅与条带模式对地面一个区域的图幅数据情况 

本发明主要是利用现代合成孔径雷达卫星技术来监测地表三维形变场及确定其来源范围，包括利用合成孔径雷达数据来获取视线向形变场，根据视线向形变列出误差方程，利用广义最小二乘方法求解，验证分析等。 

发明内容

本发明要解决的技术问题是利用重构技术来获取地形三维形变场，从而弥补现有环境监测手段在区域空间尺度上的不足，目的在于利用合成孔径雷达卫星和广义最小二乘平差原理来得到三维形变场，包括利用合成孔径雷达数据来获取视线向形变场，根据视线向形变列出误差方程，利用广义最小二乘方法求解，验证分析等。 

本发明具有以下优点： 

1.能够利用现代先进的测量技术与设备，不需要在监测区域建站； 

2.监测时空间域保持连续性； 

3.能获取地表形变空间上的三维分布情况； 

4.克服传统方法如像元偏移量估计法、多孔径干涉方法和外部测量辅助的三维矢量分解精度低的缺点。 

附图说明

图1技术方案流程图。 

图2雷达成像的三维成像示意图。 

图3ENVISAT卫星宽幅与条带模式对地面一个区域的图幅数据情况图。 

具体实施方式

下面结合附图，进一步的具体说明本发明的具体实施方案： 

如图1所示，基于广义最小二乘平差的雷达三维形变场重构技术，利用合成孔径雷达卫星获取视线向形变场的技术；去除大气效应影响的技术；列出三维方向形变的误差方程；利用广义最小二乘原理求解三维方向形变量；验证分 析技术；所述技术步骤如下： 

步骤一：利用宽幅与条带合成孔径雷达数据分别与DEM进行差分干涉测量，从而得到两种模式的视线向形变场，其中涉及的方法包括配准，重采样和相位解缠； 

步骤二：核检合成孔径雷达数据处理质量是否合理，如果合理进行步骤三，如果不合理进行步骤一； 

步骤三：把合成孔径雷达卫星扫描时间的大气量进行双差分，去除残留大气效应的影响； 

步骤四：根据差分干涉得到的视线向形变场，列出误差方程； 

即 

若存在m个不同视角的视线向形变，则可列出一个由m个方程所组成的方程组： 

将上式写成矩阵形式，则有： 

V＝Aχ-l 

式中 

$A=\left(\begin{array}{ccc}\cos {\mathrm{\θ}}_1& -\sin {\mathrm{\θ}}_1\cos (a_1-\frac{k}{2}\mathrm{\π})& \sin {\mathrm{\θ}}_1\sin (a_1-\frac{k}{2}\mathrm{\π})\\ \cos {\mathrm{\θ}}_2& -\sin {\mathrm{\θ}}_2\cos (a_2-\frac{k}{2}\mathrm{\π})& \sin {\mathrm{\θ}}_2\sin (a_2-\frac{k}{2}\mathrm{\π})\\ .& .& .\\ .& .& .\\ .& .& .\\ \cos {\mathrm{\θ}}_m& -\sin {\mathrm{\θ}}_m\cos (a_m-\frac{k}{2}\mathrm{\π})& \sin {\mathrm{\θ}}_m\sin (a_m-\frac{k}{2}\mathrm{\π})\end{array}\right)$

x＝(d_U d_N d_E)^T

v＝(v₁ v₂ … v_m)^T

$l={\left(\begin{array}{ccc}{d}_{{\mathrm{LOS}}_1}-{\mathrm{\ζ}}_1& ...& d_{{\mathrm{LOS}}_m}-{\mathrm{\ξ}}_m\end{array}\right)}^T$

步骤五：由于不机模式，不同平台的SAR在监测地表形变时，不可能是同时的， 在建立三维形变场地，需要考虑时间维的影响，故利用广义最小二乘原理求解三维方向的变形量，从而重构雷达三维形变场； 

利用广义最小二乘原理，即V^T PV＝min，其中，P为观测值的权阵.由于通过干涉相位获取形变的精度是一样的，故该权阵往往取为单位矩阵，即将观测值视为等权处理，经解算得到 

x＝(A^TA)^-1A^Tl 

步骤六：优选通过GPS监测数据来进行验证分析重构雷达三维形变场。 

随着现在合成孔径雷达卫星的增多，且多个模式能形成干涉，故现在能够利用直接解算模型来获取地表的三维形变场。 

地表形变上的任何一种形变都可以表示为北、东、上(N，E，U)三个方向分量组成，而且这三个分量对视线向(line of sight，LOS)形变的贡献是不相同的。通常情况下，雷达脉冲向垂直卫星飞行方向的右下方入射，因而相对水平运动，传感器对垂向运动要敏感得多。 

根据雷达成像几何关系(如图2)约定目标远离雷达时LOS向形变dLOS为负(LOS向下沉降)，靠近雷达时dLOS为正(LOS向隆升)，可以将dLOS用E，N，U三个分量dE，dN，dU来表示： 

(2)式中 

d_LOS为视线向形变量，约定目标远离雷达时LOS向形变dLOS为负靠近雷达时dLOS为正； 

d_U，d_N，d_E分别是像元点的三个方向的形变量； 

θ是雷达监测地面时的雷达脉冲入射角； 

α是雷达前进方向与北方向的夹角(顺时针)，其大小跟雷达卫星设计有关，θ和 α都可以在ASAR数据头中读取； 

为距离向与北向的平角(顺时针)，为其值取决于升降轨与否； 

是由于解缠、数字高程模型或大汽所带的误差。 

雷达成像的三维成像示意图 

若存在m个不同视角的视线向形变，则可列出一个由m个方程所组成的方程组： 

将上式写成矩阵形式，则有： 

V＝Aχ-l   (3) 

式中 

$A=\left(\begin{array}{ccc}\cos {\mathrm{\θ}}_1& -\sin {\mathrm{\θ}}_1\cos (a_1-\frac{k}{2}\mathrm{\π})& \sin {\mathrm{\θ}}_1\sin (a_1-\frac{k}{2}\mathrm{\π})\\ \cos {\mathrm{\θ}}_2& -\sin {\mathrm{\θ}}_2\cos (a_2-\frac{k}{2}\mathrm{\π})& \sin {\mathrm{\θ}}_2\sin (a_2-\frac{k}{2}\mathrm{\π})\\ .& .& .\\ .& .& .\\ .& .& .\\ \cos {\mathrm{\θ}}_m& -\sin {\mathrm{\θ}}_m\cos (a_m-\frac{k}{2}\mathrm{\π})& \sin {\mathrm{\θ}}_m\sin (a_m-\frac{k}{2}\mathrm{\π})\end{array}\right)---\left(4\right)$

x＝(d_U d_N d_E)^T   (5) 

v＝(v₁ v₂ … v_m)^T   (6) 

$l={\left(\begin{array}{ccc}{d}_{{\mathrm{LOS}}_1}-{\mathrm{\ζ}}_1& ...& d_{{\mathrm{LOS}}_m}-{\mathrm{\ξ}}_m\end{array}\right)}^T---\left(7\right)$

则利用广义最小二乘原理，即V^T PV＝min，其中，P为观测值的权阵.由于通过干涉相位获取形变的精度是一样的，故该权阵往往取为单位矩阵，即将观测值视为等权处理，经解算得到 

x＝(A^TA)^-1A^Tl   (8) 

由上式可知，通过多分辨率干涉测量的方法来获取3D形变场时，不仅能有效获取形变场，而且能降低许多误差，如解缠的影响。 

Claims (4)

1.基于广义最小二乘平差的雷达三维形变场重构技术，其特征在于：利用合成孔径雷达卫星获取视线向形变场的技术；去除大气效应影响的技术；列出三维方向形变的误差方程；利用广义最小二乘原理求解三维方向形变量；验证分析技术；所述技术步骤如下：

步骤一：利用宽幅与条带合成孔径雷达数据分别与DEM进行差分干涉测量，从而得到两种模式的视线向形变场；

步骤二：核检合成孔径雷达数据处理质量是否合理，如果合理进行步骤三，如果不合理进行步骤一；

步骤三：把合成孔径雷达卫星扫描时间的大气量进行双差分，去除残留大气效应的影响；

步骤四：根据差分干涉得到的视线向形变场，列出误差方程；

步骤五：根据时间维的变化，求解三维方向的变形量，从而重构雷达三维形变场；

步骤六：验证分析。

2.根据权利要求1所述的基于广义最小二乘平差的雷达三维形变场重构技术，其特征在于：所述步骤一采用方法包括配准，重采样和相位解缠。

3.根据权利要求1所述的基于广义最小二乘平差的雷达三维形变场重构技术，其特征在于：所述步骤四是利用广义最小二乘原理求解三维方向的变形量。

4.根据权利要求1所述的基于广义最小二乘平差的雷达三维形变场重构技术，其特征在于：所述步骤六是通过GPS监测数据来进行验证分析重构雷达三维形变场。