CN108983232B - 一种基于邻轨数据的InSAR二维地表形变监测方法 - Google Patents

一种基于邻轨数据的InSAR二维地表形变监测方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于邻轨数据的InSAR二维地表形变监测方法。首先利用相邻轨道的SAR数据获取地表在两个不同斜距向上的地表形变测量值，然后获得相邻轨道公共区域的两个不同斜距向形变测量值，进而计算出公共区域上每一点分别在一轨和二轨的入射角和方位角，随后构造出每一点的系数矩阵，最后根据卫星的成像几何与地表形变之间的严密几何关系，忽略南北向形变，建立方程组，根据最小二乘准则求解得地表二维形变。本发明突破了无升降轨数据区域的InSAR二维形变监测的技术瓶颈，积极推动InSAR技术向实用化发展，对研究地球物理过程以及反演地质灾害参数具有重要的科学价值。

Description

一种基于邻轨数据的InSAR二维地表形变监测方法
技术领域
本发明属于基于遥感影像的大地测量领域，特别涉及一种基于邻轨数据的InSAR二维地表形变监测方法。
背景技术
合成孔径雷达干涉测量(InSAR)技术是近几十年发展起来的一种空间大地测量和遥感手段，具有监测范围大、测量精度高、空间近似连续、全天时全天候等优势，已经被广泛地用于地震、火山喷发、冰川漂移、滑坡、泥石流等地质灾害引起的地表形变监测。InSAR技术是目前唯一一种可以大范围、高空间分辨率观测缓慢地表形变的空间大地测量手段。经过了多年的发展，已经由传统的差分InSAR(Differential InSAR，D-InSAR)技术进一步演化为了多时相InSAR技术(Multi-Temporal InSAR,MT-InSAR)，将该技术往实用化方面更加推进了一步。然而，无论是D-InSAR还是MT-InSAR技术所监测的形变，都只是真实三维地表形变在卫星雷达视线方向(Line-Of-Sight,LOS)上的一维投影。当地表形变主要发生在雷达卫星的飞行方向(即方位向)上时，通过InSAR技术将难以探测到形变。
如何将一维形变监测扩展到三维形变监测，目前国际上主流方法为以下四种：第一种方法是通过融合多个方向的LOS向观测值，并且LOS向之间需要有较大的成像几何差异，例如升降轨数据及左右视数据。但是左视数据在现有的SAR卫星上是极少获取的。第二种方法是融合InSAR的LOS向测量值和偏移值跟踪(OFT)或者多孔径InSAR(MAI)的方位向测量值。但是由于方位向形变测量值的精度较低，此方法只适用于产生较大形变的区域，例如地震、冰川移动、火山喷发等。第三种方法是融合InSAR的LOS向形变测量值和GPS的三维形变测量值。然而这种方法的精度受制于GPS站点的数量和分布，不能较为普遍地适用于多数地区。第四种，在忽略南北向形变的前提下，融合升轨和降轨数据获取垂直向和东西向形变。由于现有的SAR卫星都是极轨运行，因此其LOS向观测值本身就对南北向形变不敏感，因此这种方法可以得到精度较高的二维形变。但是，对于特定的研究区域而言，不能保证一定有升轨和降轨数据。例如ENVISAT卫星ASAR数据多以降轨数据为主，而ALOS卫星PARSAR数据则多以升轨数据为主，导致在很多区域只有是单一的升轨数据或降轨数据。随着SAR卫星数据不断获取，使得对单一化SAR数据用于监测地表形变的重要性愈来愈凸显。由于重轨SAR卫星按照一定的重叠度绕地球飞行，因此可以相邻轨数据之间存在一定的公共区域，并且SAR卫星对相邻轨公共区域进行两次数据采集时所处的位置有较大的差异，一次位于远距，一次位于近距，这就导致在公共区域上SAR卫星两次采集的入射角有较大的差异。
通过以上分析可以看出，在现实的应用场景中，，以上国际四种主流方法都有一定的局限性和不适用性。
发明内容
本发明提供了一种基于邻轨数据的InSAR二维地表形变监测方法，其目的在于，克服在无升降轨数据区域InSAR技术无法监测二维地表形变的问题，通过本发明所述方法采用融合相邻轨InSAR监测形变区二维地表形变的方法，准确地估计二维地表形变。
一种基于邻轨数据的InSAR二维地表形变监测方法，包括以下步骤：
步骤1：使用InSAR技术对形变区域获取相邻轨道上同一SAR卫星在雷达视线方向观测的形变测量值；
所述雷达视线方向为斜距向；
步骤2：裁剪出相邻轨道上SAR影像的公共区域，获取对应公共区域的雷达视线方向的形变测量值，并对其进行地理编码；
步骤3：基于卫星遥感数据中par文件中中心点的入射角和方位角，计算公共区域上所有点分别在相邻轨道上的入射角和方位角；
步骤4；由卫星的成像与地表形变之间严格的几何关系，构建方程组：
L＝BX
其中，L是相邻轨道上同一SAR卫星在雷达视线方向对公共区域观测的形变测量值，
Figure BDA0001688831800000021
表示在轨道i上SAR卫星在雷达视线方向对公共区域观测的形变测量值；X是所述公共区域的二维形变矩阵，X＝[DU DE]T，DU和DE表示公共区域分别在垂直方向和东西方向上的形变；B为形变系数矩阵，
Figure BDA0001688831800000022
αi和θi表示公共区域上所有点在轨道i上的方位角和入射角，ai＝cosθi，bi＝-sinθisin(αi-3π/2)，i＝1,2；
步骤5：对方程L＝BX进行解算，求出地表所述公共区域上各点的二维形变。
本发明主要是另辟蹊径通过相邻轨获取公共区域中每个点的入射角和方位角，从而构建形变方程，利用相邻轨获取公共区域的在雷达视线方向上的形变测量值，从而求解公共区域中个点的二维形变值，大大的简化了计算过程，无需同时获取升轨和降轨数据。
进一步地，使用最小二乘法对方程L＝BX进行解算：X＝(BTB)-1BTL。
进一步地，所述相邻轨道上同一SAR卫星在雷达视线方向观测的形变测量值由单一SAR卫星数据或联合不同SAR卫星数据获取，当采用不同SAR卫星数据获取时，不同SAR卫星数据同为升轨或同为降轨时采集。
进一步地，所述形变区域为产生垂直和东西向形变的地壳运动区域。
进一步地，所述形变区域为由地震、冰川迁移、火山活动和板块运动引起地标形变的区域。
可以看出本发明所述方法中所述的形变区域表示地壳运动以垂直和东西向形变为主要特征的区域，与此同时，本发明也适用于大尺度形变量测，包括地震、冰川迁移、火山活动和板块运动等引起地表形变区域。
有益效果
本发明提供了一种基于邻轨数据的InSAR二维地表形变监测方法，包括以下几个步骤，1)通过InSAR技术利用相邻轨道SAR数据获取地表在两个不同斜距向上的地表形变测量值；2)进一步得到公共区域地理编码后的两个不同斜距向上的地表形变测量值；3)根据SAR卫星数据的成像几何参数，求得公共区域所有点在相邻轨道上不同的入射角和方位角；4)最后根据不同轨道的入射角和方位角，构建方程组，利用最小二乘求解出地表的二维形变。该方法实现简单，不受升轨和降轨数据需同时获取的限制，且不需要其他的辅助资料，是一种高精度、大范围、低成本且切实可行的地表二维形变监测技术。该技术不仅突破了目前InSAR技术在获取地表二维形变上的技术瓶颈，并且极大的提高现有SAR数据的利用率，使得InSAR技术向更加实用化的方向发展，对研究地球物理现象而言，具有重要的科学价值和指导意义。
附图说明
图1是本发明所示的相邻轨道；
图2是本发明所述方法的流程图；
图3是模拟的三维形变数据；其中，(a)为东西向形变；(b)为南北向形变；(c)为垂直向形变；单位：(m)；
图4是根据SAR卫星的成像几何参数所模拟的LOS向形变观测值，模拟的过程中加入了高斯噪声；其中(a)是一轨的LOS向形变观测值；(b)是二轨的LOS向形变观测值；单位：(m)；
图5是根据本发明所述的方法获取的地表二维形变；其中，(a)是东西向计算结果；(b)是垂直向的计算结果；单位：(m)；
图6是计算结果与模拟的地表真实形变之间的差值；其中，(a)为东西向估计结果与模拟形变之间的差值；(b)为垂直向估计结果与模拟形变之间的差值；单位：(m)；
图7是添加不同随机误差的情况下计算结果与模拟的地表真实形变之间的差值的均方根误差图；其中，(a)为东西向估计结果与模拟形变之间的差值；(b)为垂直向估计结果与模拟形变之间的差值；单位：(m)。
具体实施方式
下面将结合附图和实施例对本发明做进一步地说明。
为了便于理解本发明，首先提供本发明的理论基础：
SAR传感器以一定的飞行轨迹飞越过地面的某一点，将记录下该点在LOS向上的相位以及幅度，通过D-InSAR技术就可以得到该点在LOS向上的地表形变量dlos。根据卫星的成像几何，该LOS向的形变可以由地距向和垂直向的矢量组成：
dlos＝DUcosθ+DHsinθ (1)
其中，DU和DH分别代表了形变在垂直向和地距向上的形变矢量，而θ则是卫星入射角，而地距向的形变又由东西方向和南北方向的形变构成，因此，式(1)又可以再进一步地被分解成：
dlos＝DUcosθ-DEsinθsin(α-3π/2)-DNsinθsin(α-3π/2) (2)
其中，DE和DN为地距向形变矢量在东西向和南北向上的投影，而α则为卫星飞行矢量与正北方向的夹角，即方位角。
理论上，根据式(2)，获取至少3个LOS向形变，即可获取地表的三维形变。然而，由于目前SAR卫星都是以极轨方式运行，极轨方向非常近似南北方向，而LOS向与极轨方向垂直，即LOS向形变测量值中南北向形变的贡献非常小。因此在基于忽略南北向形变的基础上，可以通过融合两个LOS向形变测量值获得地表二维形变(即垂直向和东西向)。目前常规的做法是融合升轨和降轨数据提供的LOS向形变测量值，但是对于很多区域，升轨和降轨数据是无法同时获取的。
如图2所示，一种基于邻轨数据的InSAR二维地表形变监测方法，包括以下步骤：
步骤1：使用InSAR技术对形变区域获取相邻轨道(如图1所示)上同一SAR卫星在雷达视线方向观测的形变测量值；
所述雷达视线方向为斜距向；
所述相邻轨道上同一SAR卫星在雷达视线方向观测的形变测量值由单一SAR卫星数据或联合不同SAR卫星数据获取，当采用不同SAR卫星数据获取时，不同SAR卫星数据同为升轨或同为降轨时采集。
步骤2：裁剪出相邻轨道上SAR影像的公共区域，获取对应公共区域的雷达视线方向的形变测量值，并对其进行地理编码；
步骤3：基于卫星遥感数据中par文件中中心点的入射角和方位角，计算公共区域上所有点分别在相邻轨道上的入射角和方位角；
步骤4；由卫星的成像与地表形变之间严格的几何关系，构建方程组：
L＝BX
其中，L是相邻轨道上同一SAR卫星在雷达视线方向对公共区域观测的形变测量值，
Figure BDA0001688831800000051
表示在轨道i上SAR卫星在雷达视线方向对公共区域观测的形变测量值；X是所述公共区域的二维形变矩阵，X＝[DU DE]T，DU和DE表示公共区域分别在垂直方向和东西方向上的形变；B为形变系数矩阵，
Figure BDA0001688831800000052
αi和θi表示公共区域上所有点在轨道i上的方位角和入射角，ai＝cosθi，bi＝-sinθisin(αi-3π/2)，i＝1,2；
步骤5：使用最小二乘法对方程L＝BX进行解算：X＝(BTB)-1BTL，求出地表所述公共区域上各点的二维形变。
本发明主要是另辟蹊径通过相邻轨获取公共区域中每个点的入射角和方位角，从而构建形变方程，利用相邻轨获取公共区域的在雷达视线方向上的形变测量值，从而求解公共区域中个点的二维形变值，大大的简化了计算过程，无需同时获取升轨和降轨数据。
本发明所述方法中所述的形变区域表示地壳运动以垂直和东西向形变为主要特征的区域，与此同时，本发明也适用于大尺度形变量测，包括地震、冰川迁移、火山活动和板块运动等引起地表形变区域。
在400×450的网格中，模拟了地表三维形变，如图3(a)、(b)和(c)所示，其东西向及南北向形变范围均为-0.12m到0.12m,而垂直向形变为0m到0.29m。其后根据ALOS/PALSAR的卫星参数求的每一点的入射角和方位角，由公式(2)模拟出两景相邻轨道的LOS向形变。为了让模拟实验更具有真实性，将均值为零，标准差为1、2、5、7、9、10mm的高斯白噪声分别加入到模拟的LOS形变中，然后对每一个噪声水平下分别做多次的MonteCarlo模拟。图4显示的是加入标准差为2mm的高斯白噪声LOS向形变。
通过本发明所提出的方法进行计算，利用上述模拟的含有噪声的InSAR斜距向形变测量值估算出地表二维形变。如图5(a)和(b)所示，是通过本发明所获取的地表二维形变结果，通过与图3中的(a)和(c)相比，二者在形变的趋势以及幅度上都保持了很好的一致性。图6(a)和(b)则是计算结果与模拟结果的差值，从中不难发现，其结果中主要包含随机噪声，以及忽略南北向所导致的形变残余。为了定量地验证本发明的效果，对实例中的东西向和垂直向的形变的均方根误差进行了计算，其结果如图7所示。因为是由相邻轨数据构成的组合进行二维形变的获取，其对误差的敏感性相较于升降轨组合而言较大，与根据形变系数矩阵和误差传播律所计算的结果相吻合，但总体而言可以得到较为可靠的二维形变结果，说明了本发明的可行。

Claims (5)

1.一种基于邻轨数据的InSAR二维地表形变监测方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：使用InSAR技术对形变区域获取相邻轨道上同一SAR卫星在斜距向观测的形变测量值；
步骤2：裁剪出相邻轨道上SAR影像的公共区域，获取对应公共区域的雷达斜距向的形变测量值，并对其进行地理编码；
步骤3：基于卫星遥感数据中par文件中中心点的入射角和方位角，计算公共区域上所有点分别在相邻轨道上的入射角和方位角；
步骤4；由卫星的成像与地表形变之间严格的几何关系，构建方程组：
L＝BX
其中，L是相邻轨道上同一SAR卫星在斜距向对公共区域观测的形变测量值，
Figure FDA0002368353070000011
Figure FDA0002368353070000012
表示在轨道i上SAR卫星在斜距向对公共区域观测的形变测量值；X是所述公共区域的二维形变矩阵，X＝[DU DE]T，DU和DE表示公共区域分别在垂直方向和东西方向上的形变；B为形变系数矩阵，
Figure FDA0002368353070000013
αi和θi表示公共区域上所有点在轨道i上的方位角和入射角，ai＝cosθi，bi＝-sinθisin(αi-3π/2)，i＝1,2；
步骤5：对方程L＝BX进行解算，求出地表所述公共区域上各点的二维形变。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，使用最小二乘法对方程L＝BX进行解算：X＝(BTB)-1BTL。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述相邻轨道上同一SAR卫星在斜距向观测的形变测量值由单一SAR卫星数据或联合不同SAR卫星数据获取，当采用不同SAR卫星数据获取时，不同SAR卫星数据同为升轨或同为降轨时采集。
4.根据权利要求1-3任一项所述的方法，其特征在于，所述形变区域为产生垂直和东西向形变的地壳运动区域。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述形变区域为由地震、冰川迁移、火山活动和板块运动引起地标形变的区域。
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