CN110017762A - 一种利用Offset-Tracking技术监测蠕变体形变的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种利用Offset‑Tracking技术监测蠕变体形变的方法，属于蠕变体形变监测技术领域。解决了野外监测蠕变体形变成本高、野外工作量大、InSAR技术获取的成果与实际形变量不匹配的问题。包括以下步骤：步骤一：选取覆盖蠕变体区域的不同监测时间的两幅SAR影像；步骤二：基于影像数据和轨道数据对两景影像进行粗配准；计算中心像元偏移量，作为主影像和辅影像的初始偏移值；步骤三：以获取到的初始偏移值为基础，计算互相关值，完成基于强度信息进行像素级配准；步骤四：获取同名点在监测时间内的像素偏移量；步骤五：从步骤四中获取的像素偏移量减去步骤二中获取的初始偏移值得到最后的偏移量；步骤六：使用辅助的DEM数据对最后的偏移量进行地理编码。

Description

一种利用Offset-Tracking技术监测蠕变体形变的方法
技术领域
本发明涉及蠕变体形变监测技术领域，更具体的说是涉及一种利用 Offset-Tracking技术监测蠕变体形变的方法。
背景技术
岩体蠕变是岩体流变的一种，指的是在应力场一定的条件下，岩体的变形随时间增长而增长的现象。在自然界中有一些岩体表现出明显的蠕变性能，一些在常压下不发生蠕变的岩体在高地压下也会产生蠕变，蠕变在各种岩类分布区内均存在。一些蠕变体会发展为倾倒破坏或滑移倾倒破坏，失稳岩体体积大，速度快，酿成重大灾害。
现价段通常使用岩石变位计、测斜仪等仪器在野外实地对蠕变体进行形变监测，时间、人力成本高，野外工作量大，条件艰苦。同是采用SAR雷达影像的InSAR 技术，其获得的监测结果更多表现的是LOS方向的形变趋势，通常是毫米级，与现场的实际形变量无法匹配。
发明内容
为了解决野外监测蠕变体形变成本高、野外工作量大、InSAR技术获取的成果与实际形变量不匹配的问题，本发明采用遥感技术Offset-Tracking对蠕变体进行形变监测，改善了作业环境，极大的降低了监测成本，提高监测精度。相对其他光学遥感影像，SAR影像具有不受云雾雨雪等天气的影响以及影像覆盖面积广的优势，因此选用SAR影像。
为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种利用Offset-Tracking技术监测蠕变体形变的方法，包括以下步骤：
步骤一：选取覆盖蠕变体区域的不同监测时间的两幅SAR影像，一幅为主影像，一幅为辅影像；
步骤二：基于影像数据和轨道数据对两景影像进行粗配准；计算中心像元偏移量，作为主影像和辅影像的初始偏移值；
步骤三：以获取到的初始偏移值为基础，设置一定大小的滑动窗口以及大于滑动窗口的搜索窗口，在搜索窗口内逐像元移动滑动窗口，计算互相关值，若为互相关峰值，即为同名点，完成基于强度信息进行像素级配准；
步骤四：获取同名点在监测时间内的像素偏移量；
步骤五：从步骤四中获取的像素偏移量减去步骤二中获取的初始偏移值得到最后的偏移量，将获取的最后的偏移量以复数的形式存储，实部为距离向偏移量，虚部为方位向偏移量；
步骤六：使用辅助的DEM数据对步骤五中得到的最后的偏移量进行地理编码。
进一步的，以主影像的中心点作为参考点，利用主影像和从影像的卫星轨道参数以及InSAR几何，求得主影像中心点在从影像中的对应点，以这两个点作为影像粗配准的一个同名点对。
进一步的，从主影像头文件中读取影像中心点Pm(rm,cm)对应的地面点P 的大地坐标(β,L)，并假设P点的大地高为零，将P点的大地坐标转换为空间直角坐标(XP,YP,ZP)；根据SAR构像方程：计算地面点P(XP,YP,ZP)在从影像中的像素坐标Ps(rs,cs)，点Ps即是主影像中心点Pm(rm,cm)在从影像上的对应点，它与主影像中心点Pm组成一个同名点对。
进一步的，利用SAR构像方程计算地面点P在从影像上的像素坐标Ps(rs,cs)，求得从影像中地面点P的成像时刻t；在从影像成像时间范围内，设定一个初始时刻T0，时间变化步长Δt，通过迭代运算，满足下式的时间t(t＝T0+k·Δt，k＝±1,2,3,…)即为雷达对地面点P的成像时间；
Xs(t)、Ys(t)、Zs(t)为卫星在t成像时刻的位置。
进一步的，计算互相关值的公式为：
式中：(i,j)为滑动窗口的中心坐标；(k,l)为参考窗口的中心坐标；s为滑动窗口的像元值；μs为滑动窗口的平均像元值；r为参考窗口的像元值；μr为参考窗口的平均像元值。
进一步的，在编码过程中借助影像区已有的外部DEM和卫星的成像几何参数通过SAR影像振幅与地形起伏纹理的交相关配准实现投影转换，将影像转换到地理坐标系下，获得地表上蠕变体在这一时期内产生的方位向和距离向的实际位移。
本发明与现有技术相比具有的有益效果是：
1、本发明分别选取两个监测时间点的覆盖蠕变体区域的SAR影像，组成SAR 影像对。设置一定大小的滑动窗口，如果窗口内影像对的斑点噪声类型相似，则影像强度高相关，寻找两幅SAR影像的强度互相关系数的峰值，此时对应的两个点即为两幅影像中的同名点，因此可以计算出该同名点在这一时间段内偏移的像素值。与现有技术相比，使用遥感SAR影像强度数据，对野外蠕变体进行位移监测，获取蠕变体在SAR影像方位向和距离向的二维形变，为后续的蠕变体风险评估提供了可靠的定量数据。
附图说明
图1是本发明的一种利用Offset-Tracking技术监测蠕变体形变的方法的流程图。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步的描述，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，并不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域的普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的其他所用实施例，都属于本发明的保护范围。
实施例1:
如图1所示，一种利用Offset-Tracking技术监测蠕变体形变的方法，包括以下步骤：
步骤一：选取覆盖蠕变体区域的不同监测时间的两幅SAR影像，一幅为主影像，一幅为辅影像；步骤二：基于影像数据和轨道数据对两景影像进行粗配准；计算中心像元偏移量，作为主影像和辅影像的初始偏移值。以主影像的中心点作为参考点，利用主影像和从影像的卫星轨道参数以及InSAR几何，求得主影像中心点在从影像中的对应点，主影像中心点在从影像上有唯一的对应点，以这两个点作为影像粗配准的一个同名点对。
具体方法：从主影像头文件中读取影像中心点Pm(rm,cm)对应的地面点P 的大地坐标(β,L)，并假设P点的大地高为零，将P点的大地坐标转换为空间直角坐标(XP,YP,ZP)；根据SAR构像方程：斜距方程、多普勒方程和椭球方程，计算地面点P(XP,YP,ZP)在从影像中的像素坐标Ps(rs,cs)，点Ps即是主影像中心点Pm(rm,cm)在从影像上的对应点，它与主影像中心点Pm组成一个同名点对。
利用SAR构像方程的3个定位方程计算地面点P在从影像上的像素坐标Ps(rs,cs)，其关键是求得从影像中地面点P的成像时刻t。为计算时刻t，在从影像成像时间范围内(影像头文件提供)，设定一个初始时刻T0，时间变化步长Δt，通过迭代运算，满足下式的时间t(t＝T0+k·Δt，k＝±1,2,3,…)即为雷达对地面点P的成像时间。 Xs(t)、Ys(t)、Zs(t)为卫星在t成像时刻的位置。
步骤三：以获取到的初始偏移值为基础，设置一定大小的滑动窗口以及大于滑动窗口的搜索窗口，在搜索窗口内逐像元移动滑动窗口，计算互相关值(公式1)，计算互相关值的公式为：式中： (i,j)为滑动窗口的中心坐标；(k,l)为参考窗口的中心坐标；s为滑动窗口的像元值；μs为滑动窗口的平均像元值；r为参考窗口的像元值；μr为参考窗口的平均像元值。
若为互相关峰值，即为同名点，确定同名点，完成基于强度信息进行像素级配准；步骤四：获取同名点在监测时间内的像素偏移量(包含方位像偏移量与距离像偏移量)；步骤五：从步骤四中获取的像素偏移量减去步骤二中获取的初始偏移值得到最后的偏移量，将获取的最后的偏移量以复数的形式存储，实部为距离向偏移量，虚部为方位向偏移量；步骤六：使用辅助的DEM数据对步骤五中得到的最后的偏移量进行地理编码。在编码过程中借助影像区已有的外部DEM和卫星的成像几何参数通过SAR影像振幅与地形起伏纹理的交相关配准实现投影转换，将影像转换到地理坐标系下，获得地表上蠕变体在这一时期内产生的方位向和距离向的实际位移。
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)

1.一种利用Offset-Tracking技术监测蠕变体形变的方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤一：选取覆盖蠕变体区域的不同监测时间的两幅SAR影像，一幅为主影像，一幅为辅影像；
步骤二：基于影像数据和轨道数据对两景影像进行粗配准；计算中心像元偏移量，作为主影像和辅影像的初始偏移值；
步骤三：以获取到的初始偏移值为基础，设置一定大小的滑动窗口以及大于滑动窗口的搜索窗口，在搜索窗口内逐像元移动滑动窗口，计算互相关值，若为互相关峰值，即为同名点，完成基于强度信息进行像素级配准；
步骤四：获取同名点在监测时间内的像素偏移量；
步骤五：从步骤四中获取的像素偏移量减去步骤二中获取的初始偏移值得到最后的偏移量，将获取的最后的偏移量以复数的形式存储，实部为距离向偏移量，虚部为方位向偏移量；
步骤六：使用辅助的DEM数据对步骤五中得到的最后的偏移量进行地理编码。
2.根据权利要求1所述的一种利用Offset-Tracking技术监测蠕变体形变的方法，其特征在于：以主影像的中心点作为参考点，利用主影像和从影像的卫星轨道参数以及InSAR几何，求得主影像中心点在从影像中的对应点，以这两个点作为影像粗配准的一个同名点对。
3.根据权利要求2所述的一种利用Offset-Tracking技术监测蠕变体形变的方法，其特征在于：从主影像头文件中读取影像中心点Pm(rm,cm)对应的地面点P的大地坐标(β,L)，并假设P点的大地高为零，将P点的大地坐标转换为空间直角坐标(XP,YP,ZP)；根据SAR构像方程：计算地面点P(XP,YP,ZP)在从影像中的像素坐标Ps(rs,cs)，点Ps即是主影像中心点Pm(rm,cm)在从影像上的对应点，它与主影像中心点Pm组成一个同名点对。
4.根据权利要求3所述的一种利用Offset-Tracking技术监测蠕变体形变的方法，其特征在于：利用SAR构像方程计算地面点P在从影像上的像素坐标Ps(rs,cs)，求得从影像中地面点P的成像时刻t；在从影像成像时间范围内，设定一个初始时刻T0，时间变化步长Δt，通过迭代运算，满足下式的时间t(t＝T0+k·Δt，k＝±1,2,3,…)即为雷达对地面点P的成像时间；Xs(t)、Ys(t)、Zs(t)为卫星在t成像时刻的位置。
5.根据权利要求4所述的一种利用Offset-Tracking技术监测蠕变体形变的方法，其特征在于：计算互相关值的公式为：式中：(i,j)为滑动窗口的中心坐标；(k,l)为参考窗口的中心坐标；s为滑动窗口的像元值；μs为滑动窗口的平均像元值；r为参考窗口的像元值；μr为参考窗口的平均像元值。
6.根据权利要求5所述的一种利用Offset-Tracking技术监测蠕变体形变的方法，其特征在于：在编码过程中借助影像区已有的外部DEM和卫星的成像几何参数通过SAR影像振幅与地形起伏纹理的交相关配准实现投影转换，将影像转换到地理坐标系下，获得地表上蠕变体在这一时期内产生的方位向和距离向的实际位移。
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