CN110471062A - 基于地面稳定平台sar的流域库岸形变数据自动采集与处理方法 - Google Patents

基于地面稳定平台sar的流域库岸形变数据自动采集与处理方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种基于地面稳定平台SAR的流域库岸形变数据自动采集与处理方法，属于变形监测领域。该方法能够应用于流域库岸复杂地形地貌条件下的形变监测。该方法首先采用GB‑SAR进行连续观测，获取监测数据，得到SAR原始影像；然后对复影像进行一系列的处理后获取干涉图及相干图；接着利用算法提取相干点；接着对干涉图中的每个像素进行相位解缠；接着利用大气模型去除大气相位；接着根据形变的真实相位计算形变值；最后根据角反射器地理坐标进行地理编码，获取编码后的形变图。最终实现流域库岸高边坡形变监控的技术。该技术可以快速、准确地获取边坡的形变信息，提高边坡的检测精度，对边坡稳定性做出正确的评价。

Description

基于地面稳定平台SAR的流域库岸形变数据自动采集与处理 方法
技术领域
本发明属于变形监测领域，具体涉及一种基于地面稳定平台SAR的流域库岸形变数据自动采集与处理方法。
背景技术
地基SAR是一种成像雷达，在测量距离的同时也可以基于微波探测主动成像方式获取二维影像生成图像，从20世纪90年代末开始，国内外的许多学者都致力于利用地基干涉技术监测建筑物。近年来，地基SAR受到了特别的关注，在监测领域得到了广泛的应用。(龙四春，2015)
在水利、土木、交通等领域种，对于高边坡工程，边坡稳定性一直是研究的重点问题。滑坡在国内外频频发生，对人民群众的人身安全和财产产生了极大的危害，同时对社会的稳定也造成一定程度的影响。如2015年12月20日广东省深圳市光明新区渣土发生大规模土石崩塌事故，造成33栋楼房倒塌或损毁、73人死亡、4人失踪，直接经济损失人民币8.8亿余元(周万习，2017)。当山体滑坡造成滑坡体堵截河谷或河床后，拦截水流从而形成堰塞湖。堰塞湖具有极大的危害性，其堵截物受到水流的冲刷、侵蚀慢慢被破坏，若突然决口，就有可能发生重大洪灾，对下游的居民安全和紧急发展造成不可预计的危害，对国家和社会的现代化建设造成严重的后果。现阶段对边坡的形变进行准确预测是应对滑坡灾害的有效的措施，使管理者能够准确、快速地获取边坡形变信息，了解边坡稳定性，从而迅速、精确地做出有针对性的决策。
目前边坡形变监测手段可以分为：简易观测法、设站观测法和遥感观测法。
(1)简易观测法是一种利用倾斜仪、应变测量计、光纤传感测量仪等对边坡裂缝出进行监测的方法。但是这种监测方法只能从宏观层次掌握边坡稳定性，结果不准确，给管理者造成一定程度的影响，并且给监测人员的人身安全带来隐患，还会受到地形、天气等因素的限制。
(2)设站观测法是一种待监测边坡区域上布设监测点，在待测区域外的稳定区域架设仪器进行监测的方法。目前使用的方法主要有大地测量法、GPS测量法和近景摄影测量法。但是大地测量法的工作量较大，连续观测性能较差，测量效率较低；GPS测量的误差比全站仪较大，GPS信号在某些地区不稳定，不能满足监测要求；近景摄影测量可能会存在较大的系统误差，影响监测结果。
(3)遥感观测法包含星载SAR监测、机载SAR监测和地基SAR监测，与星载SAR和机载SAR相比，地基SAR的体积较小，携带方便，便于在野外环境进行安装，不容易受到恶劣环境的影响，但是目前应用于流域库岸的基于地面稳定平台SAR的技术还不够完善，相干点的选取数量较少，进而影响到监测精度；另一方面，现有的技术不能确保数据处理系统的可靠性。
现在对于边坡的监测更为重视，因此需要提出一个更加完善的数据自动采集与处理方法，既能够确保监测的精度要求，又能验证数据处理系统的精度并且满足工程监测要求
发明内容
本发明是为了解决上述不足而设计的，目的在于提供一种基于地面稳定平台SAR的流域库岸形变数据自动采集与处理方法，能够应用于流域库岸复杂地形地貌条件下的形变监测。
本发明为了实现上述目的，本发明提供的基于地面稳定平台SAR的流域库岸形变数据自动采集与处理方法，其特征在于：它包括如下步骤：
(1)采用GB-SAR技术对流域库岸进行数据采集，同时自动处理数据获取检测数据，得到SAR原始影像；
(2)对复影像进行配准，减少因SAR影像在方位向和距离向产生的错位从而降低GB-SAR系统的测量精度的损失；
(3)对获取到的数据实施共轭相乘获取干涉图及相干图；
(4)利用地基SAR影像幅度特征和相位特征提取相干点，从而增加监测点；
(5)对干涉图中的每个像素进行相位解缠；
(6)利用大气模型去除大气相位，从而降低恶劣环境对测量精度的影响；
(7)根据形变的真实相位计算形变值；
(8)为了验证数据处理系统的精度和满足工程监测要求，人工布设角反射器，并对监测区域进行外业测量，根据角反射器地理坐标进行地理编码，从而解译监测数据，进行三维重建，获取编码后的形变图，通过对外业测量的结果和该方法测量的结果进行对比来评定测量系统的精度。
作为优选方案，所述步骤(4)中利用地基SAR影像幅度特征和相位特征提取相干点，是指采用综合振幅离差阈值法、相干系数阈值法或相位离差阈值法中任一种来提取相干点；通过热性噪比TSNR图可以反应出能量的相对强弱，SAR影像序列的热性噪比平均值为
式中，i为地基SAR影像像元的行序号；j为地基SAR影像像元的列序号；N为参与相干点提取的SAR影像个数；TSNRave，i，j为像元(i，j)处的平均热性噪比；对平均热性噪比设定一定的阈值进行调整，以便能够删去大多数虚假信号和部分低SNR像元，即：
使用式(2)来计算SAR影像序列的平均相关系数，根据相关系数的大小分布来设定阈值，从而能够预选出相干点的候选点；在保证SAR影像像元变化的稳定性的同时应用ADI阈值方法对相干点候选点进行再分析并筛选，定义影像的振幅离差或振幅离散指数为：
式中，σA为SAR影像时序集像素点振幅值A的标准差，mA为SAR影像时序集像素点振幅值A的均值。
进一步地，所述步骤(8)中根据角反射器地理坐标进行地理编码中，是使用5个以上的角反射器地理坐标以提高地理编码的精度，并完成精度评定。
更进一步地，所述完成精度评定是指采用3个角反射器地理坐标就能够进行地理解码；采取5个以上的角反射器地理坐标使得地理解码的精度进一步提高，可采用随机组合的方式进行地理解码后进行比对，同时为了提高安全储备，在其中一个或多个角反射器不能使用时作为备用。
本发明采用GB-SAR技术对流域库岸进行数据采集，同时自动处理数据，选取相干点，通过角反射器控制点将雷达坐标系中的结果转变成三维坐标系的形式，并获取流域库岸边坡的形变，使管理者可以直接、快速、精确地获取到流域库岸边坡的变形信息，便于边坡的决策制定，同时也能对高边坡的稳定性做出准确的评价。
对流域库岸进行数据采集和自动处理数据指的是针对流域库岸平台提出了一整套的解决方案，首先采用GB-SAR进行连续观测，获取监测数据，得到SAR原始影像；然后对复影像进行配准，减少因SAR影像在方位向和距离向产生的错位从而降低GB-SAR系统的测量精度的损失；接着对获取到的数据实施共轭相乘获取干涉图及相干图；接着利用地基SAR影像幅度特征和相位特征提取相干点，从而增加监测点；接着对干涉图中的每个像素进行相位解缠；接着利用大气模型去除大气相位，从而降低恶劣环境对测量精度的影响；接着根据形变的真实相位计算形变值；接着根据角反射器地理坐标进行地理编码，从而解译监测数据，进行三维重建，获取编码后的形变图，且5个以上的角反射器地理坐标可以提高地理编码的精度，并完成精度评定。
利用地基SAR影像幅度特征和相位特征提取相干点指的是综合振幅离差阈值法、相干系数阈值法和相位离差阈值法等方法提取相干点。
5个以上的角反射器地理坐标可以提高地理编码的精度，并完成精度评定指的是3个角反射器地理坐标就能够进行地理解码，为了使地理解码的精度进一步提高，采取5个以上的角反射器地理坐标，可以采用随机组合的方式进行地理解码后进行比对；同时可以提高安全储备，在其中一个或多个角反射器不能使用时作为备用；为了验证数据处理系统的精度和满足工程监测要求，通过人工布设角反射器并对其进行外业测量，完成精度评定。
本发明的优点及有益效果：
(1)本发明提供了一种基于地面稳定平台SAR的流域库岸形变数据自动采集与处理方法。
(2)本发明所提供的方法可以应用于流域库岸复杂地形地貌条件下的形变监测。
(3)本发明所提供的方法可以直接、快速、精确地获取到流域库岸边坡的变形信息，便于管理者针对流域库岸高边坡制定决策。
(4)本发明所提供的方法可以对高边坡的稳定性做出准确的评价，达到预测边坡失稳的规模和破坏程度的目的，从而能够提前采取一定的措施来预防滑坡、崩塌等灾害的发生，给人民群众的生命和财产带来保障，有利于社会的稳定。
(5)本发明所提供的方法可以大幅减少流域库岸高边坡的数据采集和维护费用，有着巨大的经济和社会效益。
附图说明
图1是基于地面稳定平台SAR的流域库岸形变数据自动采集与处理方法示意图。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步地详细阐述。
如图1所示，本发明基于地面稳定平台SAR的流域库岸形变数据自动采集与处理方法，包含以下8个步骤：
(1)首先采用GB-SAR进行连续观测，获取监测数据，得到SAR原始影像；
(2)对复影像进行配准，减少因SAR影像在方位向和距离向产生的错位从而降低GB-SAR系统的测量精度的损失；
(3)对获取到的数据实施共轭相乘获取干涉图及相干图；
(4)综合振幅离差阈值法、相干系数阈值法和相位离差阈值法等方法提取相干点，通过热性噪比(TSNR)图可以反应出能量的相对强弱，SAR影像序列的热性噪比平均值为
式中，i为地基SAR影像像元的行序号；j为地基SAR影像像元的列序号；N为参与相干点提取的SAR影像个数；TSNRave，i，j为像元(i，j)处的平均热性噪比；为了能够删去大多数虚假信号和部分低SNR像元的目的，需要对平均热性噪比设定一定的阈值从而进行调整，即：
使用式(2)来计算SAR影像序列的平均相关系数，根据相关系数的大小分布来设定阈值，从而能够预选出相干点的候选点；在保证SAR影像像元变化的稳定性的同时应用ADI阈值方法对相干点候选点进行再分析并筛选，定义影像的振幅离差或振幅离散指数为：
式中，σA为SAR影像时序集像素点振幅值A的标准差，mA为SAR影像时序集像素点振幅值A的均值；如若希望把虚假信号彻底筛选出去，必须要将ADI阈值设定比较严格，但满足条件的信号就会非常少，因此该步骤一般将ADI阈值设定为较为宽松的值；
(5)对干涉图中的每个像素进行相位解缠；
(6)利用大气模型去除大气相位；
(7)根据形变的真实相位计算形变值；
(8)根据角反射器地理坐标进行地理编码，从而解译监测数据，进行三维重建，获取编码后的形变图。
以上实施例仅是对本发明技术方案所做的举例说明。本发明所涉及的一种基于地面稳定平台SAR的流域库岸形变数据自动采集与处理方法并不仅仅限定于在以上实施例中所描述的过程，而是以权利要求所限定的范围为准。本发明所属领域技术人员在该实施例的基础上所做的任何修改或补充或等效替换，都在本发明所要求保护的范围内。

Claims (4)

1.一种基于地面稳定平台SAR的流域库岸形变数据自动采集与处理方法，其特征在于：它包括如下步骤：
(1)采用GB-SAR技术对流域库岸进行数据采集，同时自动处理数据获取检测数据，得到SAR原始影像；
(2)对复影像进行配准，减少因SAR影像在方位向和距离向产生的错位从而降低GB-SAR系统的测量精度的损失；
(3)对获取到的数据实施共轭相乘获取干涉图及相干图；
(4)利用地基SAR影像幅度特征和相位特征提取相干点，从而增加监测点；
(5)对干涉图中的每个像素进行相位解缠；
(6)利用大气模型去除大气相位，从而降低恶劣环境对测量精度的影响；
(7)根据形变的真实相位计算形变值；
(8)为了验证数据处理系统的精度和满足工程监测要求，人工布设角反射器，并对监测区域进行外业测量，根据角反射器地理坐标进行地理编码，从而解译监测数据，进行三维重建，获取编码后的形变图，通过对外业测量的结果和该方法测量的结果进行对比来评定测量系统的精度。
2.根据权利要求1所述的基于地面稳定平台SAR的流域库岸形变数据自动采集与处理方法，其特征在于：所述步骤(4)中利用地基SAR影像幅度特征和相位特征提取相干点，是指采用综合振幅离差阈值法、相干系数阈值法或相位离差阈值法中任一种来提取相干点；通过热性噪比TSNR图可以反应出能量的相对强弱，SAR影像序列的热性噪比平均值为
式中，i为地基SAR影像像元的行序号；j为地基SAR影像像元的列序号；N为参与相干点提取的SAR影像个数；TSNRave，i，j为像元(i，j)处的平均热性噪比；对平均热性噪比设定一定的阈值进行调整，以便能够删去大多数虚假信号和部分低SNR像元，即：
使用式(2)来计算SAR影像序列的平均相关系数，根据相关系数的大小分布来设定阈值，从而能够预选出相干点的候选点；在保证SAR影像像元变化的稳定性的同时应用ADI阈值方法对相干点候选点进行再分析并筛选，定义影像的振幅离差或振幅离散指数为：
式中，σA为SAR影像时序集像素点振幅值A的标准差，mA为SAR影像时序集像素点振幅值A的均值。
3.根据权利要求1或2所述的基于地面稳定平台SAR的流域库岸形变数据自动采集与处理方法，其特征在于：所述步骤(8)中根据角反射器地理坐标进行地理编码中，是使用5个以上的角反射器地理坐标以提高地理编码的精度，并完成精度评定。
4.根据权利要求3所述的基于地面稳定平台SAR的流域库岸形变数据自动采集与处理方法，其特征在于：所述完成精度评定是指采用3个角反射器地理坐标就能够进行地理解码；采取5个以上的角反射器地理坐标使得地理解码的精度进一步提高，可采用随机组合的方式进行地理解码后进行比对，同时为了提高安全储备，在其中一个或多个角反射器不能使用时作为备用。
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