CN110068817A - 一种基于激光测距和InSAR的地形测图方法、仪器和系统 - Google Patents

一种基于激光测距和InSAR的地形测图方法、仪器和系统 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种基于激光测距和InSAR的地形测图方法、仪器和系统。所述方法包括：通过InSAR系统获取成像测绘带数据，并同时通过指向InSAR成像测绘带中心的激光测距单元获取成像区域控制点点云数据，利用POS系统提供的位置和指向基准将点云数据解算为三维点云数据；对InSAR系统获取的成像测绘带数据进行相干成像后，将控制点三维点云数据映射到InSAR系统成像后的成像坐标系中；选择满足预设条件的所述控制点三维点云数据，对其进行干涉参数定标处理得到干涉参数，利用干涉参数对成像测绘带数据进行高程反演和平面定位；利用满足预设条件的控制点三维点云数据，对其进行区域网平差处理，对高程反演和平面定位进行校正，得到测图产品。

Description

一种基于激光测距和InSAR的地形测图方法、仪器和系统
技术领域
本发明涉及一种基于激光测距和InSAR的地形测图方法、仪器和系统。
背景技术
干涉合成孔径雷达(Interferometric Synthetic Aperture Radar，InSAR)技术，是无线电测量技术与合成孔径雷达技术的结合，原理上是利用两部具有一定视角差的天线来获取对同一地物目标的观测数据，并对成像处理后的两幅复图像数据进行干涉处理得到干涉相位，从而反演得到目标区域的数字高程模型(Digital Elevation Model，DEM)、与高程测量精度受限的雷达立体像对技术相比，InSAR技术在理论上可以获得波长量级的高程精度，极大地提升了雷达的信息感知和获取能力。目前InSAR不仅可以获取地形，还可应用于地震、火山和冰川检测，土地资源的分类等。在军事地形测绘、军事侦查、战场侦察监视、毁伤评估、精确武器制导等军事应用领域发挥着极其重要的作用。
由于系统的非理想性，机载InSAR系统通常会存在多路径反射、通道泄露、回波延迟误差、雷达回波与IMU/DGPS数据未在时间上对准等缺陷，另外由于数据处理算法引入的误差，都会影响SAR图像质量和InSAR三维定位精度。为保证SAR图像质量和InSAR三维定位精度，有必要针对上述误差展开研究，并获取各种误差的估计和补偿方法。干涉定标是InSAR三维定位精度的保证，是整个机载InSAR制图流程的关键环节。在机载干涉SAR系统中，系统参数误差、航迹误差以及系统非理想特性的存在，使得三维定位几何模型的参数取值并不准确，需要通过干涉定标来校准各参数，以提高三维定位的精度。
InSAR高精度地形测绘制图，需要在数据获取同时地面布测角反射器，在SAR图像中表现为强点目标，用于基线、干涉相位偏置等高程反演参数的高精度计算和大面积区域网联合平差，是InSAR高精度地形测绘应用的前提。传统InSAR高精度测图需要在测区布放足够数量、并且满足一定布放规则的控制点。这对于大面积测绘应用来说，带来巨大的工作量，特别是在人迹罕至的高原、山地、戈壁、岛屿等复杂地形环境，无法布测地面角反射器，无法开展干涉SAR高精度地形测量，外业控制点依赖较大已经成为InSAR大范围测绘应用面临的一个瓶颈问题。
目前主要有两种技术手段：
第一种方法利用干涉相位频率在无控制点条件下估计干涉基线参数，这种方法需要在成像区域内找寻一段平坦地形，通过平台地形的干涉条纹频率值来计算基线参数。一方面平坦地形依赖性限制了该方法的大范围应用，特别是地形起伏较大的山区；另一方面该方法仍然无法估计干涉相位偏置参数。
第二种方法利用外部DEM数据在无控制点条件下进行干涉参数估计，通过外源DEM数据和SAR图像匹配后，相当于获得大量的外部控制点。该方法依赖外源DEM的精度，且与SAR图像的匹配误差直接引入到干涉参数估计误差中。
综上，当前这两种方法均利用先验或外部信息来辅助干涉参数估计，其估计精度严重受外部信息精度的影响，算法的稳健性不好，难以适用于InSAR工程实践应用中。
发明内容
本发明一方面提供了一种基于激光测距和InSAR的地形测图方法，所述方法包括：通过InSAR系统获取成像测绘带数据，并同时通过指向InSAR成像测绘带中心的激光测距单元获取成像区域控制点点云数据；利用POS系统提供的位置和指向基准将所述控制点点云数据解算为控制点三维点云数据；对所述InSAR系统获取的成像测绘带数据进行相干成像后，将所述控制点三维点云数据映射到InSAR系统成像后的成像坐标系中；选择满足预设条件的所述控制点三维点云数据，对其进行干涉参数定标处理得到干涉参数，利用所述干涉参数对所述成像测绘带数据进行高程反演和平面定位；利用所述满足预设条件的所述控制点三维点云数据，对其进行区域网平差处理，对所述高程反演和平面定位进行校正，得到测图产品。
可选地，所述控制点点云数据包括通过激光测距单元发射的至少一次激光光束传递到地面形成的控制点点云数据，所述控制点的连线与InSAR的平台运动测量航线平行。
可选地，所述将所述控制点三维点云数据映射到InSAR系统成像后的成像坐标系中，包括：
将所述控制点三维点云数据和所述成像测绘带数据均进行坐标系转换，转换为InSAR方位-斜距几何成像坐标系，所述控制点三维点云数据进行坐标系转换后在InSAR方位-斜距几何成像坐标系的坐标为(xr，Rr)，将其映射到InSAR成像坐标系中可表示为：
xr＝Rrsinθsq
Rr＝RL (1)
其中，Rr为InSAR雷达斜距，
RL为所述激光测距单元测量得到的控制点到雷达的距离，θsq为InSAR相对控制点的斜视角。
可选地，θsq为InSAR相对目标的斜视角可以表示为：
θsq＝(-cosθpsinθysinβ+sinθpcosβ) (2)
其中，θp为雷达平台俯仰角，θy为雷达平台偏航角，β为雷达相对于控制点的下视角。
可选地，所述选择满足预设条件的所述控制点三维点云数据，包括：根据InSAR相干质量图和图像纹理信息，选择相干性满足第一预设条件的控制点三维点云数据；根据干涉相位图，将InSAR叠掩区域的控制点三维点云数据进行剔除；根据干涉相位图和图像纹理信息，选择控制点三维点云数据局部区域地形起伏满足第二预设条件的控制点；根据干涉相位图，将激光测距单元和InSAR照射不同相位中心的控制点三维点云数据进行剔除。
可选地，所述选择相干性满足第一预设条件的控制点三维点云数据，包括：选择相干系数数值满足0.8～1的控制点三维点云数据。可选地，选择控制点局部区域地形起伏满足第二预设条件的控制点三维点云数据，包括：选择局部区域地形起伏程度小于InSAR高程测量误差的控制点三维点云数据。
可选地，利用POS系统提供的位置和指向基准将所述控制点点云数据解算为控制点三维点云数据，包括：通过POS系统将将所述控制点点云数据解算为控制点三维点云数据，并对所述三维点云数据进行滤波处理，滤除杂点、孤立点和悬空点等噪声点。
本发明另一方面提供了一种基于激光测距和InSAR的地形测图仪器，所述仪器包括InSAR双天线系统、POS系统、惯性测量单元、以及位于所述InSAR双天线的干涉基线中央的激光测距单元。
本发明再一方面提供了一种基于激光测距和InSAR的地形测图系统，所述系统包括：数据获取模块，用于通过InSAR系统获取成像测绘带数据，并同时通过指向InSAR成像测绘带中心的激光测距单元获取成像区域控制点点云数据；数据解算模块，用于利用POS系统提供的位置和指向基准将所述控制点点云数据解算为控制点三维点云数据；数据匹配模块，用于对所述InSAR系统获取的成像测绘带数据进行相干成像后，将所述控制点三维点云数据映射到InSAR系统成像后的成像坐标系中；高程反演和平面定位模块，用于选择满足预设条件的所述控制点三维点云数据，对其进行干涉参数定标处理得到干涉参数，利用所述干涉参数对所述成像测绘带数据进行高程反演和平面定位；校正模块，用于利用所述满足预设条件的所述控制点三维点云数据，对其进行区域网平差处理，对所述高程反演和平面定位进行校正，得到测图产品。
附图说明
图1是本发明实施例提供的基于激光测距和InSAR的地形测图方法的方法流程图；
图2是本发明实施例提供的基于激光测距和InSAR的地形测图方法的方法步骤框图；
图3是本发明实施例提供的基于激光测距和InSAR的地形测图方法中激光测距单元与InSAR同步获取数据示意图；
图4为本发明实施例提供的基于激光测距和InSAR的地形测图仪器结构示意图；
图5为本发明实施例提供的基于激光测距和InSAR的地形测图系统的系统框图。
具体实施方式
以下，将参照附图来描述本发明的实施例。但是应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。在下面的详细描述中，为便于解释，阐述了许多具体的细节以提供对本发明实施例的全面理解。然而，明显地，一个或多个实施例在没有这些具体细节的情况下也可以被实施。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。
在此使用的术语仅仅是为了描述具体实施例，而并非意在限制本发明。在此使用的术语“包括”、“包含”等表明了所述特征、步骤、操作和/或部件的存在，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、步骤、操作或部件。
本发明的一个实施例提供了一种基于激光测距和InSAR的地形测图方法，参见图1和图2，所述方法包括：
步骤S1：通过InSAR系统获取成像测绘带数据，并同时通过指向InSAR成像测绘带中心的激光测距单元获取成像区域控制点点云数据。该步骤即图2中的步骤S201和步骤S206同步进行。
参见图3，通过InSAR系统的测量平台沿着平台运动测量航线进行移动时，InSAR系统获取成像测绘带数据，同时通过设置在InSAR系统的测量平台上的激光测距单元即可同步获取成像区域控制点点云数据，该激光测距单元设置于InSAR系统的测量平台的下方，用以实现其发射的激光指向InSAR成像测绘带中心，如图3中的黑色原点即为控制点，位于InSAR成像测绘带中心。并且所述控制点包括通过激光测距单元发射的至少一次激光光束传递到地面形成的控制点，所述控制点的连线与InSAR的平台运动测量航线平行。
另外，本发明实施例中所述激光测距单元可以为现有技术中的激光测距仪、激光测距传感器等，但其可以不具备雷达扫描功能便可实现本发明中获取控制点的功能，只需其能发射激光光束，并能接收回波即可。并且从图3中可以看出，本发明实施例中InSAR系统的测量平台以及该激光测距单元的观测视角均为侧视。
步骤S2：利用POS系统提供的位置和指向基准将所述控制点点云数据解算为控制点三维点云数据。
将定位定姿系统(Position and Orientation System，POS)与InSAR系统进行结合，通过该高精度POS作为激光测距单元目标三维定位提供空间基准，通过POS位置和姿态测量并通过激光测距单元的激光光束传递到地面控制点，回波中检测控制点，解算控制点的空间三维位置，获得原始稀疏的三维点云数据，并进行点云滤波处理，滤除杂点、孤立点和悬空点等噪声点，完成原始点云的预处理。该步骤即为图2中的步骤S202。
步骤S3：对所述InSAR系统获取的成像测绘带数据进行相干成像后，将所述控制点三维点云数据映射到InSAR系统成像后的成像坐标系中。
其中，将所述控制点三维点云数据映射到InSAR系统成像后的成像坐标系中，包括：将所述控制点三维点云数据和所述成像测绘带数据均进行坐标系转换，转换为InSAR方位-斜距几何成像坐标系，所述控制点三维点云数据进行坐标系转换后在InSAR方位-斜距几何成像坐标系的坐标为(xr，Rr)，将其映射到InSAR成像坐标系中可表示为：
xr＝Rrsinθsq
Rr＝RL (1)
其中，Rx为InSAR雷达斜距，RL为所述激光测距单元测量得到的控制点到雷达的距离，θsq为InSAR相对控制点的斜视角。
θsq为InSAR相对目标的斜视角可以表示为：
θsq＝(-cosθpsinθysinβ+sinθpcosβ) (2)
其中，θp为雷达平台俯仰角，θy为雷达平台偏航角，β为雷达相对于点云控制点的下视角。
另外，参见图4，将所述控制点映射到InSAR系统成像后的成像坐标系中，即为控制点与InSAR系统成像后的图像进行匹配，天线1、天线2为干涉SAR双天线，惯性测量单元(Inertial Measurement Unit，IMU)提供位置和指向基准，激光测距单元位于干涉基线中央，提供高精度的测距能力，利用IMU提供的指向基准可实现目标P点(即控制点)的高精度定位。
由此，上文所述的内容相对应地为图2中的步骤S203、S207、S204这几个步骤。
步骤S4：选择满足预设条件的所述控制点，对其进行干涉参数定标处理得到干涉参数，利用所述干涉参数对所述成像测绘带数据进行高程反演和平面定位。该步骤对应于图2中的步骤S205、步骤S208、步骤S209。
其中，所述选择满足预设条件的所述控制点三维点云数据，包括：(1)根据InSAR相干质量图和图像纹理信息，选择相干性满足第一预设条件的控制点三维点云数据；该选择相干性满足第一预设条件的控制点三维点云数据，包括：选择相干系数数值满足0.8～1的控制点三维点云数据。
(2)根据干涉相位图，将InSAR叠掩区域的控制点三维点云数据进行剔除。(3)根据干涉相位图和图像纹理信息，选择控制点三维点云数据局部区域地形起伏满足第二预设条件的控制点三维点云数据；该选择控制点三维点云数据局部区域地形起伏满足第二预设条件的控制点三维点云数据，包括：选择局部区域地形起伏程度小于InSAR高程测量误差的控制点三维点云数据。
(4)根据干涉相位图，将激光测距单元和InSAR照射不同相位中心的控制点三维点云数据进行剔除。
该步骤中在选择好控制点三维点云数据之后，对其进行干涉参数定标处理得到干涉参数，以及利用所述干涉参数对所述成像测绘带数据进行高程反演和平面定位的过程为现有技术，此处不再进行详细赘述，本发明实施例可以利用现有技术中的任何一种可行的方式实现该过程。
步骤S5：利用所述满足预设条件的所述控制点三维点云数据，对其进行区域网平差处理，对所述高程反演和平面定位进行校正，得到测图产品。该步骤对应于图2中的步骤S210、步骤S211。
该步骤利用选择好的控制点三维点云数据，区域网平差处理以及对所述高程反演和平面定位进行校正的的过程为现有技术，此处不再进行详细赘述，本发明实施例可以利用现有技术中的任何一种可行的方式实现该过程。
参见图3和图4，本发明实施例还提供了一种基于激光测距和InSAR的地形测图仪器，所述仪器包括InSAR双天线系统、POS系统、惯性测量单元、以及位于所述InSAR双天线的干涉基线中央的激光测距单元。该激光测距单元即位于图4中天线1和天线2的中间。
参见图5，本发明实施例还提供，一种基于激光测距和InSAR的地形测图系统，所述系统500包括：数据获取模块501，用于通过InSAR系统获取成像测绘带数据，并同时通过指向InSAR成像测绘带中心的激光测距单元获取成像区域控制点点云数据；数据解算模块502，用于利用POS系统提供的位置和指向基准将所述控制点点云数据解算为控制点三维点云数据；数据匹配模块503，用于对所述InSAR系统获取的成像测绘带数据进行相干成像后，将所述控制点三维点云数据映射到InSAR系统成像后的成像坐标系中；高程反演和平面定位模块504，用于选择满足预设条件的所述控制点三维点云数据，对其进行干涉参数定标处理得到干涉参数，利用所述干涉参数对所述成像测绘带数据进行高程反演和平面定位；校正模块505，用于利用所述满足预设条件的所述控制点三维点云数据，对其进行区域网平差处理，对所述高程反演和平面定位进行校正，得到测图产品。
根据本发明的实施例的模块、子模块、单元、子单元中的任意多个、或其中任意多个的至少部分功能可以在一个模块中实现。根据本发明实施例的模块、子模块、单元、子单元中的任意一个或多个可以被拆分成多个模块来实现。
综上所述，本发明实施例具有但不限于下列的有益效果：
(1)本发明引入激光测距单元空中同步获取控制点，避免了外业布测控制点引起的时间和经济成本。
(2)本发明提出的激光测距单元与POS结合具备高精度的地形测高精度，相比于传统外源低精度DEM辅助的方法具备明显的高精度测量优势。
(3)本发明将激光测距单元和InSAR组合同步观测，在系统设计层面保障InSAR图像和激光点云的精确配准，相比于传统外源信息辅助的方法配准精度大大提升。
(4)由于采用激光测距单元获取控制点，因此可实现InSAR地形实时获取，可支撑应急测绘应用需求。
本领域技术人员可以理解，本发明的各个实施例和/或权利要求中记载的特征可以进行多种组合或/或结合，即使这样的组合或结合没有明确记载于本发明中。特别地，在不脱离本发明精神和教导的情况下，本发明的各个实施例和/或权利要求中记载的特征可以进行多种组合和/或结合。所有这些组合和/或结合均落入本发明的范围。
尽管已经参照本发明的特定示例性实施例示出并描述了本发明，但是本领域技术人员应该理解，在不背离所附权利要求及其等同物限定的本发明的精神和范围的情况下，可以对本发明进行形式和细节上的多种改变。因此，本发明的范围不应该限于上述实施例，而是应该不仅由所附权利要求来进行确定，还由所附权利要求的等同物来进行限定。

Claims (10)

1.一种基于激光测距和InSAR的地形测图方法，其特征在于，所述方法包括：
通过InSAR系统获取成像测绘带数据，并同时通过指向InSAR成像测绘带中心的激光测距单元获取成像区域控制点点云数据；
利用POS系统提供的位置和指向基准将所述控制点点云数据解算为控制点三维点云数据；
对所述InSAR系统获取的成像测绘带数据进行相干成像后，将所述控制点三维点云数据映射到InSAR系统成像后的成像坐标系中；
选择满足预设条件的所述控制点三维点云数据，对其进行干涉参数定标处理得到干涉参数，利用所述干涉参数对所述成像测绘带数据进行高程反演和平面定位；
利用所述满足预设条件的所述控制点三维点云数据，对其进行区域网平差处理，对所述高程反演和平面定位进行校正，得到测图产品。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述控制点点云数据包括通过激光测距单元发射的至少一次激光光束传递到地面形成的控制点点云数据，所述控制点的连线与InSAR的平台运动测量航线平行。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述将所述控制点三维点云数据映射到InSAR系统成像后的成像坐标系中，包括：
将所述控制点三维点云数据和所述成像测绘带数据均进行坐标系转换，转换为InSAR方位-斜距几何成像坐标系，
所述控制点三维点云数据进行坐标系转换后在InSAR方位-斜距几何成像坐标系的坐标为(xr，Rr)，将其映射到InSAR成像坐标系中可表示为：
xr＝Rrsinθsq
Rr＝RL (1)
其中，Rr为InSAR雷达斜距，RL为所述激光测距单元测量得到的控制点到雷达的距离，θsq为InSAR相对控制点的斜视角。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，θsq为InSAR相对目标的斜视角可以表示为：
θsq＝(-cosθpsinθysinβ+sinθpcosβ) (2)
其中，θp为雷达平台俯仰角，θy为雷达平台偏航角，β为雷达相对于控制点的下视角。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述选择满足预设条件的所述控制点三维点云数据，包括：
根据InSAR相干质量图和图像纹理信息，选择相干性满足第一预设条件的控制点三维点云数据；
根据干涉相位图，将InSAR叠掩区域的控制点三维点云数据进行剔除；
根据干涉相位图和图像纹理信息，选择控制点三维点云数据局部区域地形起伏满足第二预设条件的控制点三维点云数据；
根据干涉相位图，将激光测距单元和InSAR照射不同相位中心的控制点三维点云数据进行剔除。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述选择相干性满足第一预设条件的控制点三维点云数据，包括：
选择相干系数数值满足0.8～1的控制点三维点云数据。
7.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，选择控制点三维点云数据局部区域地形起伏满足第二预设条件的控制点三维点云数据，包括：
选择局部区域地形起伏程度小于InSAR高程测量误差的控制点三维点云数据。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述利用POS系统提供的位置和指向基准将所述控制点点云数据解算为控制点三维点云数据，包括：
通过POS系统将将所述控制点点云数据解算为控制点三维点云数据，并对所述三维点云数据进行滤波处理，滤除杂点、孤立点和悬空点等噪声点。
9.一种基于激光测距和InSAR的地形测图仪器，其特征在于，所述仪器包括InSAR双天线系统、POS系统、惯性测量单元、以及位于所述InSAR双天线的干涉基线中央的激光测距单元。
10.一种基于激光测距和InSAR的地形测图系统，其特征在于，所述系统包括：
数据获取模块，用于通过InSAR系统获取成像测绘带数据，并同时通过指向InSAR成像测绘带中心的激光测距单元获取成像区域控制点点云数据；
数据解算模块，用于利用POS系统提供的位置和指向基准将所述控制点点云数据解算为控制点三维点云数据；
数据匹配模块，用于对所述InSAR系统获取的成像测绘带数据进行相干成像后，将所述控制点三维点云数据映射到InSAR系统成像后的成像坐标系中；
高程反演和平面定位模块，用于选择满足预设条件的所述控制点三维点云数据，对其进行干涉参数定标处理得到干涉参数，利用所述干涉参数对所述成像测绘带数据进行高程反演和平面定位；
校正模块，用于利用所述满足预没条件的所述控制点三维点云数据，对其进行区域网平差处理，对所述高程反演和平面定位进行校正，得到测图产品。
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