CN106556834A - 一种从两平行轨道sar数据集中精确提取地面垂直形变方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种从两平行轨道SAR数据集中精确提取地面垂直形变方法，步骤1：数据收集与选择：收集来自两个相邻平行轨道、大致相同时间段内的单视复数SAR数据；步骤2:对两个数据集进行剪切，分别得到覆盖重叠区域的两个SAR数据集；步骤3：在雷达干涉测量处理软件中，分别对以上两个SAR数据集进行干涉测量处理，获取到两者在各自雷达视线方向上地面点的形变分量；步骤4：利用本发明提供的数学模型，求取重叠区域地面点沿垂直方向上的形变分量。本发明仅用来自两个平行轨道SAR数据集，再运用本发明提供的数学模型，即可精确提取SAR影像重叠区域地面点的垂直形变分量。

Description

一种从两平行轨道SAR数据集中精确提取地面垂直形变方法
技术领域
本发明涉及空间对地观测、大地测量、工程测量及地质灾害监测中获取地面(地表下同)沉降信息等领域，特别是区域地面沉降监测、由地下水超量开采引起的城市地面沉降监测、矿区地下开采引起的地面沉降监测、地震同震形变监测等领域。本发明提供了在上述技术领域中精确获取提取地面点沿垂直方向形变分量的一种方法。
背景技术
在利用合成孔径雷达SAR(synthetic aperture radar)干涉测量获取地面(地表)形变信息中，无论是用常规差分雷达干涉测量(D-InSAR，Differential syntheticaperture radar interferometry)和多时相合成孔径雷达干涉测量(Multi-temporalsynthetic aperture radar interferometry)或称为高级时序InSAR技术[主要包括小数据集(SBAS，Small-baseline subset)和稳定散射体干涉测量(PS-InSAR，persistentscatterer synthetic aperture radar interferometry)]，只能获取到雷达视线方向(LOS，Radar line of sight)上的地面点的形变分量，而无法获取到沿地面垂直方向上的形变量或形变速度。然而，在空间对地观测以及地质灾害调查领域中(如：区域地面沉降监测、由地下水超量开采引起的城市地面沉降监测、地下开采引起的矿区地面沉降监测、地震同步形变监测等)，都是以获取地面点的垂直形变分量为主要目的的。目前，国内外有以下四种方法通过合成孔径雷达干涉测量获取地面点的垂直形变分量：
方法1：在初期的研究中，一般假设地面没有水平形变分量，直接将合成孔径雷达干涉测量得到的雷达视线方向的结果除以雷达入射角的余弦以近似获取地面点的垂直形变分量。(参见[1]Amelung，F.，D.L.Galloway，J.W.Bell，H.A.Zebker，andR.J.Laczniak.1999.“Sensing the Ups and Downs of Las Vegas:InSAR RevealsStructural Control of Land Subsidence and Aquifer-System Deformation.”Geology，27:483-486.；[2]Galloway，D.L.，Hudnut，K.W.，Ingebritsen，S.E.，Phillips，S.P.，Peltzer，G.，Rogez，F.，Rosen，P.A.，1998.“Detection of aquifer systemcompaction and land subsidence using Interferometric Synthetic ApertureRadar，Antelope Valley，Mojave Desert，California.”Water Resources Research，34(10)，2573–2585.
方法2.利用来自同一时间段内的三个以上轨道的合成孔径雷达干涉测量结果(雷达视线方向上的形变分量)与垂直方向、东西方向和南北方向三个形变分量的关系组成方程组，求解方程组，分别获取到垂直方向、东西方向和南北方向三个形变分量。(参见[3]Rocca，F.2003.“3D motion recovery from multi-angle and/or left rightinterferometry.”Proceedings of the third International Workshop on ERS SAR.；[4]Wright，T.J.，Parsons，B.E.，Lu，Z.，2004.“Toward mapping surface deformation inthree dimensions using InSAR.”Geophysical Research Letters，31(1).http://dx.doi.org/10.1029/2003GL018827.；[5]Gray，L.，2011.“Using multiple RADARSATInSAR pairs to estimate a full three-dimensional solution for glacial icemovement.”Geophysical Research Letters，38(5).http://dx.doi.org/10.1029/2010gl046484.)
方法3.利用来自同一时间段内的两个以上轨道的合成孔径雷达干涉测量结果(雷达视线方向上的形变)与方位向测量结果联合求取。方位向测量结果是由偏移跟踪技术(Offset-Tracking)或多孔径干涉测量技术获取(Multi-aperture InSAR measurement)的。(参见[6]Fialko，Y.，Simons，M.，Agnew，D.2001.“The complete(3-D)surfacedisplacement field in the epicentral area of the 1999M(w)7.1Hector Mineearthquake，California，from space geodetic observations.”Geophysical ResearchLetters，28(16)，3063–3066.；[7]Funning，G.J.，Parsons，B.，Wright，T.J.，Jackson，J.A.，Fielding，E.J.2005.“Surface displacements and source parameters ofthe2003Bam(Iran)earthquake from Envisat advanced Synthetic Aperture Radarimagery.”Journal of Geophysical Research，110(B9).http://dx.doi.org/10.1029/2004JB003338.；[8]Wright，T.J.，Parsons，B.E.，Lu，Z.，2004.“Toward mapping surfacedeformation in three dimensions using InSAR.”Geophysical Research Letters，31(1).http://dx.doi.org/10.1029/2003GL018827；[9]Gray，L.，Joughin，I.，Tulaczyk，S.，Splkes，V.B.，Bindschadler，R.，Jezek，K.2005.“Evidence for subglacial watertransport in the West Antarctic Ice Sheet through three-dimensional satelliteradar interferometry.”Geophysical Research Letters，32(3).http://dx.doi.org/10.1029/2004GL021387.；[10]Gonzalez，P.J.，Fernandez，J.，Camacho，A.G.2009.“Coseismic three-dimensional displacements determined using SAR data:theoryand an application test.”Pure and Applied Geophysics，166(8–9)，1403–1424.；[11]Hu，J.，Li，Z.W.，Ding，X.L.，Zhu，J.J.，Zhang，L.，Sun，Q.，2012.“3D coseismicdisplacement of 2010Darfield，New Zealand earthquake estimated from multi-aperture InSAR and D-InSAR measurements.”Journal of Geodesy，86，1029–1041.)
方法4.利用合成孔径雷达干涉测量结果与全球定位系统(GNSS，GPS)观测结果联合求取。(参见[12]Gudmundsson，S.，Gudmundsson，M.T.，Bjornsson，H.，Sigmundsson，F.，Rott，H.，Carstensen，J.M.2002.“Three-dimensional glacier surface motion maps atthe Gjalp eruption site，Iceland，inferred from combining InSAR and other ice-displacement data.”Annals of Glaciology，34(1)，315–322；[13]Samsonov，S.，Tiampo，K.2006.“Analytical optimization of a D-InSAR and GPS dataset for derivationof three-dimensional surface motion.”IEEE Geoscience and Remote SensingLetters，3(1)，107–111.)
其中，用方法1所获取到的地面点的垂直形变分量既不可靠也不精确。因为在现实中，地面形变通常同时发生在水平与垂直方向上。很明显，方法1中的假设一般不成立。
方法2需要利用来自同一时间段内的三个以上轨道的合成孔径雷达干涉测量结果联合求解，获取地面点垂直形变分量。在实际中，很难在相同时间段，获取到覆盖同一区域的来自三个轨道的合成孔径雷达数据集。
方法3中，利用偏移跟踪技术(Offset-Tracking)或多孔径干涉测量技术获取(Multi-aperture InSAR measurement)所获取到的方位向形变测量精度为米级，其成果精度远远低于利用常规差分雷达干涉测量或多时相合成孔径雷达干涉测量(或称为高级时序InSAR技术)成果的精度(厘米级甚至毫米级)。利用这两种精度相差甚远的观测量联立求取垂直方向形变分量，基本上仅仅有理论意义、不具实际应用价值。因此，该方法很难在实际中实施。
方法4将合成孔径雷达干涉测量结果与全球定位系统观测结果进行联立求取垂直方向形变分量。由于SAR影像的地面分辨率通常在1.0—30.0米之间，而在整个监测范围或在SAR影像范围内布置如此高密度的全球定位系统测站是不现实的。
可见，如何降低利用合成孔径雷达干涉测量获取地面垂直方向形变分量的条件，并使得方法具有可行性与普适性是当前空间对地观测及地质灾害监测中研究的热点方向与核心内容之一。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：克服现有技术方法的不足，提供从两个相邻平行轨道SAR数据中精确提取地面垂直方向形变分量的方法，以降低利用合成孔径雷达干涉测量精确获取地面点垂直方向形变分量的条件，并使得所提供的方法与模型在空间对地观测及地质灾害监测实际中具有可行性。
本发明解决上述技术问题的技术方案如下：
一种从两平行轨道SAR数据集中精确提取地面垂直形变方法，包括以下步骤：
步骤1：收集与选择合成孔径雷达SAR(synthetic aperture radar)影像数据集，收集来自两个相邻平行轨道、大致相同时间段内的单视复数SLC(single look complex)SAR数据集；
步骤2：依据该两个数据集影像重叠区域或其中的感兴趣区，对收集到的两个SAR数据集进行剪切，分别得到覆盖重叠区域的两个SAR数据集，并挑选出各自数据集的主影像；
步骤3：对所述覆盖重叠区域的两个SAR影像数据集进行雷达干涉测量处理，分别获取各SAR数据集在各自雷达视线方向上地面点的形变分量d1 LOS和d2 LOS，其中，d1 LOS、d2 LOS可为形变量或形变速度，以此作为求取重叠区域地面点垂直形变分量dU的已知量，为步骤4提供数据支撑；
步骤4：根据两个平行轨道SAR影像参数文件中所提供的雷达信号入射角θ1和θ2，求取入射角之差Δθ，Δθ＝θ1-θ2，再与步骤3获得的d1 LOS和d2 LOS一起,利用本发明提供的数学模型，求得重叠区域各地面点的垂直形变分量dU，可为形变量或形变速度。
所述步骤2具体实现过程为：
(1)依据SAR影像的空间基线与时间基线，分别挑选出两个SAR数据集各自的主影像。随后在合成孔径雷达干涉处理软件中进行多视处理，分别生成两个轨道主影像的多视强度图；
(2)从两个轨道主影像的多视强度图中，找出两个SAR影像数据集的重叠区域，记录重叠区域主影像多视强度图中的行列号数，并根据主影像多视强度图的方位向视数、距离向视数以及宽高比，计算出重叠区域两个SLC影像中的行列号数；
(3)根据所述重叠区域两个SLC影像中的行列号数，分别对两个数据集的主影像进行裁剪，可获得覆盖重叠区域各SAR数据集的主影像；
(4)确定辅影像列表，依据各自数据集的主影像，分别对各自数据集中所有辅影像进行裁剪，得到覆盖重叠区域的两个轨道的SLC影像数据集。
所述步骤3具体实现过程如下：
(1)在合成孔径雷达干涉处理软件中，分别进行两个重叠区域SAR数据集主辅影像之间的粗配准和精配准；
(2)辅影像重采样，按照精配准多项式及相位重采样法，对每个SAR辅影像进行相位重采样，得到重采样后的两个SAR影像数据集；
(3)在合成孔径雷达干涉处理软件中，对上述各SAR影像数据集进行干涉测量处理，分别获取两个SAR数据集在各自雷达视线方向上地面点的形变d1 LOS和d2 LOS，随后对其进行地理编码；
所述合成孔径雷达干涉处理软件包括：GAMMA,SARscape,SARPROZ,EarthView,Doris,或StaMPS。
所述步骤4中的数学模型为一种从两个相邻平行轨道的SAR影像数据集中，提取地面点垂直形变分量的精确算法，具体如下：
根据已得到两个SAR数据集在各自雷达视线方向上地面点的形变d1 LOS和d2 LOS，并获取到的相应雷达信号入射角为θ1和θ2，利用下式可精确求取地面点的垂直方向形变量：
式(1)即为本发明提供的获取地面点的垂直方向形变的数学模型，dU表示地面点的垂直方向形变，可为形变量或形变速度；雷达信号入射角θ1和θ2一般采用SAR影像相应参数文件中提供的参数值，或利用SAR卫星与SAR影像中心点在地心惯性坐标系GEI所构成的几何关系求取。
所述雷达干涉测量处理采用小基线集、稳定散射体算法或常规差分干涉测量法。
本发明与现有技术相比的有益效果在于：
(1)本发明仅用来自两个平行轨道SAR影像数据集，再利用本发明中提供的方法与数学模型，即可精确地提取SAR影像重叠区域地面点的垂直形变分量。而在现有技术(方法)中，技术(方法)1假设地面没有水平形变分量，直接将合成孔径雷达干涉测量结果除以雷达入射角的余弦以近似获取地面点的垂直形变分量，用其所获取到的地面点的垂直形变分量既不可靠也不精确；技术(方法)2利用来自同一时间段内的三个以上轨道的合成孔径雷达干涉测量结果联合求解来获取地面点垂直形变分量。实际上，几乎不可能在相同时间段获取到覆盖同一区域来自三个轨道的SAR数据集；技术(方法)3利用来自同一时间段内的两个以上轨道的合成孔径雷达干涉测量结果与方位向测量结果联合求取。利用偏移跟踪技术(Offset-Tracking)或多孔径干涉测量技术(Multi-aperture InSAR measurement)所获取到的方位向形变测量成果精度为米级，其精度远远低于用常规差分合成孔径雷达干涉测量或多时相合成孔径雷达干涉测量成果的厘米甚至毫米级的精度，用两种精度相差悬殊的观测量联合求取垂直方向形变分量，不具实际应用价值；技术(方法)4将合成孔径雷达干涉测量结果与全球定位系统观测结果进行联立求取垂直方向形变分量。由于SAR影像的地面分辨率通常在1.0-30.0米之间，而在整个SAR影像范围内布置密度如此高的全球定位系统测站是不现实的。相对于上述4种现有技术(方法)存在的各种不足与缺陷，无论是相对当前利用来自三个轨道的合成孔径雷达干涉测量结果方法或利用两个轨道的合成孔径雷达干涉测量结果并结合方位向的测量结果的方法，本发明所提供的方法具有操作简单、可行性强、数据量需求少、获取成果精度高的优势。
(2)鉴于目前SAR卫星相邻轨道影像的重叠覆盖区域占总覆盖区域的30％以上，利用本发明提供的方法，仅用1颗SAR卫星所获取的SAR影像数据，即可精确获取地球陆地总面积的30％以上区域的地面垂直形变信息。这对于空间对地观测、地质灾害监测等，具有很高的科学意义与实用价值。将本发明提供的方法与数学模型用于空间对地观测、地球动力学、防灾减灾以及地质灾害监测等领域中，所产生的社会与经济效益是难以估量的。随着合成孔径雷达卫星技术的迅猛发展，本发明将更广泛地应用于空间对地观测、地质灾害监测等领域中，造福全人类。
附图说明
图1为本发明提供的精确提取地面垂直方向形变分量方法的流程图；
图2为本发明提供的SAR卫星与地面点以及地面点各形变分量之间的几何关系图；
图3为本发明提供的两个相邻平行轨道对地观测的几何示意图；
图4为本发明提供的两相邻平行轨道SAR影像数据重叠区域示意图。
具体实施方式
如图1所示，本发明从两个相邻平行轨道SAR数据集中精确提取地面垂直方向形变分量方法的流程图，具体实现步骤如下：
步骤1：SAR数据集的选择。在尽可能相同的时间段内收集来自两个相邻平行轨道的SLC SAR影像数据集；
步骤2：依据SAR影像重叠区域，对所述SAR数据集分别进行剪切，得到两个覆盖重叠区域的SAR影像数据集；
(1)分别挑选两个数据集各自的主影像，并在合成孔径雷达干涉处理软件(如：GAMMA，SARscape，SARPROZ，EarthView，Doris，StaMPS等)中进行多视处理，生成两个数据集各自主影像的多视强度图；
(2)从两个轨道主影像强度图中，提取合成孔径雷达影像数据集的重叠区域，记录覆盖重叠区域强度图的行列号数，并根据多视强度图的方位向、距离向视数，计算出重叠区域SLC影像的行列号数；
(3)依据重叠区域SLC影像的行列号数，分别对两个数据集的主影像进行裁剪，得到重叠区域SLC数据集的主影像；
(4)确定辅影像列表，依据两个数据集的主影像，分别完成各自数据集中所有SAR影像的裁剪，得到覆盖重叠区域的两个SAR影像数据集。
步骤3：分别对上述覆盖重叠区域的两个SAR影像数据集进行干涉测量处理(可用小基线集、稳定散射体算法或常规差分干涉测量法等)，获取到两个SAR数据集在各自雷达视线方向上地面点的形变分量d1 LOS、d2 LOS(可为形变量或形变速度)，将其作为进一步求取重叠区域地面点垂直形变分量(dU)的两个已知量，为步骤4提供数据支撑；
(1)在合成孔径雷达干涉处理软件(如：GAMMA，SARscape，SARPROZ，EarthView，Doris，StaMPS等)中，分别进行两个覆盖重叠区域数据集主辅影像之间的粗配准和精配准；
(2)辅影像重采样。按照精配准多项式及相位重采样法，对每个SAR辅影像进行相位重采样，得到重采样后覆盖重叠区域(或其中的感兴趣区)的两个SAR影像数据集；
(3)分别对上述两个SAR影像数据集进行干涉处理(可采用小基线集、稳定散射体算法或常规差分干涉测量法等)生成干涉图(集)。
(4)依据SAR卫星轨道参数去除平地相位，再用数字高程数据(DEM，digitalelevation model)对干涉图(集)去除其地形相位。随后进行滤波与地理编码，获取到两个SAR数据集在各自雷达视线方向上的地面点形变分量。
步骤4：根据两个轨道SAR影像参数文件中提供的雷达信号入射角(θ1，θ2)求取入射角之差(Δθ)[或用其它方法，如利用SAR卫星与SAR影像中心点在地心惯性坐标系(GEI，Geocentric Equatorial Inertial System)构成的几何关系求取]，并与步骤3获得的两个雷达视线方向上地面形变分量d1 LOS和d2 LOS一起带入到本发明所提供的数学模型中，精确求取重叠区域各地面点的垂直形变分量。
若已知两个SAR数据集在各自雷达视线方向上地面点的形变d1 LOS和d2 LOS，以及相应的雷达信号入射角为θ1和θ2，则可用下式精确求取地面点的垂直方向形变：
式(1)即为本发明提供精确求取地面点垂直方向形变的数学模型。在该模型中，dU表示地面点的垂直方向形变(可为形变量或形变速度)；d1 LOS、d2 LOS分别为重叠区域两个相邻平行轨道各自雷达视线方向形变(形变量或形变速度)，一般是在合成孔径雷达干涉处理软件(如：GAMMA，SARscape，SARPROZ，EarthView，Doris，StaMPS等)中，进行干涉测量处理(可用小基线集、稳定散射体算法或常规差分干涉测量法等)获取到；θ1和θ2分别为相应的雷达信号入射角，可用SAR影像相应参数文件中提供的参数值，或利用SAR卫星及地面点在地心惯性坐标系(GEI，Geocentric Equatorial Inertial System)所构成的几何关系求取。
图2是合成孔径雷达视线方向形变与南北方向、东西方向、垂直方向形变分量之间的几何关系示意图。其中，dLOS表示雷达视线方向形变；dU，dN，，dE分别表示垂直方向、南北方向与东西方向的形变分量，且定义向上形变、北方向形变、东方向形变为坐标轴的正方向。θ和α分别表示雷达信号入射角和轨道方位角，方位向即雷达卫星的运动方向与真北方向的夹角。
图3为两个相邻平行轨道对地观测的立体几何示意图。轨道1(T1)、轨道2(T2)表示任意两个SAR卫星平行轨道。其中，轨道1和轨道2分别是地面点的近距轨道和远距轨道；入射角1(θ1)和入射角2(θ2)分别表示轨道1和轨道2雷达信号的入射角；Δθ为θ1和θ2之间的差值；p为重叠区域地面任意点。
图4表示两个相邻平行轨道SAR影像数据重叠区域示意图，其中加粗黑色矩形表示两个SAR数据集的重叠区域。
凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种从两平行轨道SAR数据集中精确提取地面垂直形变方法，其特征在于包括以下步骤：
步骤1：收集与选择合成孔径雷达SAR(synthetic aperture radar)影像数据集，收集来自两个相邻平行轨道、大致相同时间段内的单视复数SLC(single look complex)SAR数据集；
步骤2：依据该两个数据集影像重叠区域或其中的感兴趣区，对收集到的两个SAR数据集进行剪切，分别得到覆盖重叠区域的两个SAR数据集，并挑选出各自数据集的主影像；
步骤3：对所述覆盖重叠区域的两个SAR影像数据集进行雷达干涉测量处理，分别获取各SAR数据集在各自雷达视线方向上地面点的形变分量d1 LOS和d2 LOS，其中，d1 LOS、d2 LOS可为形变量或形变速度，以此作为求取重叠区域地面点垂直形变分量dU的已知量，为步骤4提供数据支撑；
步骤4：根据两个平行轨道SAR影像参数文件中所提供的雷达信号入射角θ1和θ2，求取入射角之差Δθ，Δθ＝θ1-θ2，再与步骤3获得的d1 LOS和d2 LOS一起,利用本发明提供的数学模型，求得重叠区域各地面点的垂直形变分量dU，dU可为形变量或形变速度。
2.根据权利要求1所述的从两平行轨道SAR数据集中精确提取地面垂直形变方法，其特征在于：所述步骤2具体实现过程为：
(1)依据SAR影像的空间基线与时间基线，分别挑选出两个SAR数据集各自的主影像。随后在合成孔径雷达干涉处理软件中进行多视处理，分别生成两个轨道主影像的多视强度图；
(2)从两个轨道主影像的多视强度图中，找出两个SAR影像数据集的重叠区域，记录重叠区域主影像多视强度图中的行列号数，并根据主影像多视强度图的方位向视数、距离向视数以及宽高比，计算出重叠区域两个SLC影像中的行列号数；
(3)根据所述重叠区域两个SLC影像中的行列号数，分别对两个数据集的主影像进行裁剪，可获得覆盖重叠区域各SAR数据集的主影像；
(4)确定辅影像列表，依据各自数据集的主影像，分别对各自数据集中所有辅影像进行裁剪，得到覆盖重叠区域的两个轨道的SLC影像数据集。
3.根据权利要求1所述的从两平行轨道SAR数据集中精确提取地面垂直形变方法，其特征在于：所述步骤3具体实现过程如下：
(1)在合成孔径雷达干涉处理软件中，分别进行两个重叠区域SAR数据集主辅影像之间的粗配准和精配准；
(2)辅影像重采样，按照精配准多项式及相位重采样法，对每个SAR辅影像进行相位重采样，得到重采样后的两个SAR影像数据集；
(3)在合成孔径雷达干涉处理软件中，对上述各SAR影像数据集进行干涉测量处理，分别获取两个SAR数据集在各自雷达视线方向上地面点的形变d1 LOS和d2 LOS，随后对其进行地理编码；
4.根据权利要求2或3所述的从两平行轨道SAR数据集中精确提取地面垂直形变方法，其特征在于：所述合成孔径雷达干涉处理软件包括：GAMMA,SARscape,SARPROZ,EarthView,Doris,或StaMPS。
5.根据权利要求1所述的从两个平行轨道SAR数据集中精确提取地面点在垂直方向形变方法，其特征在于：所述步骤4中的数学模型为一种从两个相邻平行轨道的SAR影像数据集中，提取地面点垂直形变分量的精确算法，具体如下：
根据已得到两个SAR数据集在各自雷达视线方向上地面点的形变d1 LOS和d2 LOS，并获取到的相应雷达信号入射角为θ1和θ2，利用下式可精确求取地面点的垂直方向形变量：
d U = d L O S 1 sinθ 2 - d L O S 2 sinθ 1 s i n ( θ 2 - θ 1 ) - - - ( 1 )
式(1)即为本发明提供的获取地面点的垂直方向形变的数学模型，dU表示地面点的垂直方向形变，可为形变量或形变速度；雷达信号入射角θ1和θ2一般采用SAR影像相应参数文件中提供的参数值，或利用SAR卫星与SAR影像中心点在地心惯性坐标系GEI所构成的几何关系求取。
6.根据权利要求1或2或3从两平行轨道SAR数据集中精确提取地面垂直形变方法，其特征在于：所述雷达干涉测量处理采用小基线集、稳定散射体算法或常规差分干涉测量法。
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