CN111681299B - 基于InSAR解缠相位生成数字表面模型的方法及装置 - Google Patents

基于InSAR解缠相位生成数字表面模型的方法及装置 Download PDF

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Abstract

一种基于InSAR解缠相位生成数字表面模型的方法及装置。方法包括：根据InSAR获取的图像数据，生成干涉相位图；确定干涉相位图中每个像素点的解缠相位；根据解缠相位，计算InSAR的两副天线的斜距平方差；根据InSAR的两副接收天线所构成的空间基线，计算基线倾角；根据基线倾角以及每个像素点的解缠相位，计算机载InSAR的天线波束的对地俯角；根据斜距平方差以及对地俯角，计算干涉相位图中每个像素点对应的二维平面坐标与高程值；基于每个像素点对应的二维平面坐标与高程值，生成数字表面模型。本发明提供的方法中不含迭代过程，通过一次计算就能生成数字表面模型，更加简单高效，且计算过程中无需初始近似值，使得生成的数字表面模型更为准确。

Description

基于InSAR解缠相位生成数字表面模型的方法及装置
技术领域
本发明涉及雷达遥感处理技术领域，特别涉及一种基于InSAR解缠相位生成数字表面模型的方法及装置。
背景技术
目前，为了得到表达地面高程的数字表面模型(DSM，Digital Surface Model)，采用的方法通常是利用双天线InSAR(Interferometric Synthetic Aperture Radar，干涉合成孔径雷达)获取两副图像，再经过干涉相位生成、条纹滤波和相位解缠得到图像上每个像素点的解缠相位，然后根据InSAR干涉原理对解缠相位进行高程反演，得到原始InSAR坐标(斜距和方位)下的高程，最后进行地理编码的处理，将原始InSAR的方位斜距坐标转换为国家通用的地理坐标系下表示的高程，从而得到DSM。
例如，有研究提出在获取非模糊干涉相位基础上，利用两个斜距方程和一个多普勒方程给出地面点的3维坐标值，然后进行地理编码，从而获取地面数字高程，但由于两个斜距方程是非线性方程，因此不能直接计算，而只能通过迭代计算将原始InSAR坐标DSM的转换为国家地理坐标。
还有的研究提出在得到高程后，通过平差方法得到的多普勒中心频率、航偏角后通过引入斜视角和侧视角，再利用几何关系得到该像点在高斯平面上的坐标，这就需要平差处理和多个角度计算的过程。
此外，还有研究提出在InSAR高程求解的基础上,结合SAR成像原理,使用高精度DGPS/IMU系统获取的数据,最后根据雷达的几何关系及夹角，进行平面坐标的求解，但该方法同样需要在求得高程的基础上，再进行平面坐标的地理编码处理。
可以看出，在现有的生成DSM的方法中需要先进行高程反演，再进行地理编码处理，且计算过程中包含迭代过程，使得计算过程较为繁琐，因此，如何简单高效地生成DSM，成为本领域亟待解决的技术问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于InSAR解缠相位生成数字表面模型的方法及装置，以使生成DSM的方法更为简单高效。
为达到上述目的，本发明实施例提供一种基于InSAR解缠相位生成数字表面模型的方法，包括：
根据InSAR获取的图像数据，生成干涉相位图；
确定所述干涉相位图中每个像素点的解缠相位；
根据所述解缠相位，计算所述InSAR的两副天线的斜距平方差；
根据所述InSAR的两副接收天线所构成的空间基线，计算基线倾角；
根据所述基线倾角以及所述每个像素点的解缠相位，计算所述InSAR的天线波束的对地俯角；
根据所述斜距平方差以及所述对地俯角，计算所述干涉相位图中每个像素点对应的二维平面坐标与高程值；
基于所述每个像素点对应的二维平面坐标与高程值，生成数字表面模型。
在本发明一实施例中，通过如下公式计算所述斜距平方差：
其中，D为所述斜距平方差，R0为近地点斜距，j为像素点在InSAR数据中的斜距方向的序号，M为斜距分辨率，π为圆周率，λ为InSAR的波长，φ为所述解缠相位，Bx、By、Bz分别为两副接收天线所构成的空间基线在空间直角坐标系中的x轴、y轴及z轴方向上的分量。
在本发明一实施例中，通过如下公式计算所述基线倾角：
其中，α为所述基线倾角，Bx、By、Bz分别为两副接收天线所构成的空间基线在空间直角坐标系中的x轴、y轴及z轴方向上的分量。
在本发明一实施例中，通过如下公式计算所述天线波束的对地俯角：
其中，θ为所述天线波束的对地俯角，α为所述基线倾角，π为圆周率，λ为InSAR的波长，φ为所述解缠相位，Bx、By、Bz分别为两副接收天线所构成的空间基线在空间直角坐标系中的x轴、y轴及z轴方向上的分量。
在本发明一实施例中，通过如下公式计算所述干涉相位图中每个像素点对应的二维平面坐标与高程值：
HP＝ZS-(R0+jM)cosθ，
其中，XP、YP分别为所述二维平面坐标中的横坐标和纵坐标，HP为所述高程值，XS、YS、ZS分别为像素点对应的飞行器的三维地理位置坐标，Vx、Vy、Vz分别为像素点对应的飞行器在空间直角坐标系中的x轴、y轴及z轴方向上的速度，j为像素点在InSAR数据中的斜距方向的序号，M为斜距分辨率，λ为InSAR波长，R0为近地点斜距，θ为所述天线波束的对地俯角。
本发明实施例还提供一种基于InSAR解缠相位生成数字表面模型的装置，包括：
干涉相位图生成模块，用于根据InSAR获取的图像数据，生成干涉相位图；
解缠相位计算模块，用于确定所述干涉相位图中每个像素点的解缠相位；
斜距平方差计算模块，用于根据所述解缠相位，计算所述InSAR的两副天线的斜距平方差；
基线倾角计算模块，用于根据所述InSAR的两副接收天线所构成的空间基线，计算基线倾角；
对地俯角计算模块，用于根据所述基线倾角以及所述每个像素点的解缠相位，计算所述InSAR的天线波束的对地俯角；
位置数据计算模块，用于根据所述斜距平方差以及所述对地俯角，计算所述干涉相位图中每个像素点对应的二维平面坐标与高程值；
数字表面模型生成模块，用于基于所述每个像素点对应的二维平面坐标与高程值，生成数字表面模型。
本公开实施例还提供一种计算机设备，包括处理器以及用于存储处理器可执行指令的存储器，所述处理器执行所述指令时实现上述任意实施例中所述生成数字表面模型方法的步骤。
本公开实施例还提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机指令，所述指令被执行时实现上述任意实施例中所述生成数字表面模型方法的步骤。
由以上本公开实施例提供的技术方案可见，本发明基于InSAR干涉处理的解缠相位，显式地计算出DSM的三维信息，将常规的高程反演和地理编码处理直接一起处理，计算过程中不含迭代过程，通过一次计算就能生成数字表面模型，更加简单高效，并且根据InSAR严密的成像几何关系进行计算，无需初始近似值，也没有进行任何逼近和替换，提高了结果的准确性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本公开实施例提供的一种基于InSAR解缠相位生成数字表面模型的方法流程图；
图2是本公开实施例提供的一种基于InSAR解缠相位生成数字表面模型的装置的模块结构图。
具体实施方式
下面将结合附图和具体实施方式，对本发明的技术方案作详细说明，应理解这些实施方式仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落入本发明所附权利要求所限定的范围内。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施方式的目的，不是旨在于限制本发明。
需要说明的是，当元件被称为“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“上”、“下”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施方式。
参考图1所示，为本公开实施例提供的一种基于InSAR解缠相位生成数字表面模型的方法流程图，包含以下步骤：
S1：根据InSAR获取的图像数据，生成干涉相位图。
具体的，InSAR可以是机载InSAR，还可以是星载InSAR。
S2：确定所述干涉相位图中每个像素点的解缠相位。
S3：根据所述解缠相位，计算所述InSAR的两副天线的斜距平方差。
具体的，可以通过如下公式计算所述斜距平方差：
其中，D为所述斜距平方差，R0为近地点斜距，j为像素点在InSAR数据中的斜距方向的序号，M为斜距分辨率，π为圆周率，λ为InSAR的波长，φ为所述解缠相位，Bx、By、Bz分别为两副接收天线所构成的空间基线在空间直角坐标系中的x轴、y轴及z轴方向上的分量。
S4：根据所述InSAR的两副接收天线所构成的空间基线，计算基线倾角。
具体的，可以通过如下公式计算所述基线倾角：
其中，α为所述基线倾角，Bx、By、Bz分别为两副接收天线所构成的空间基线在空间直角坐标系中的x轴、y轴及z轴方向上的分量。
S5：根据所述基线倾角以及所述每个像素点的解缠相位，计算所述InSAR的天线波束的对地俯角。
具体的，通过如下公式计算所述天线波束的对地俯角：
其中，θ为所述天线波束的对地俯角，α为所述基线倾角，π为圆周率，λ为InSAR的波长，φ为所述解缠相位，Bx、By、Bz分别为两副接收天线所构成的空间基线在空间直角坐标系中的x轴、y轴及z轴方向上的分量。
S6：根据所述斜距平方差以及所述对地俯角，计算所述干涉相位图中每个像素点对应的二维平面坐标与高程值。
具体的，通过如下公式计算所述干涉相位图中每个像素点对应的二维平面坐标与高程值：
HP＝ZS-(R0+jM)cosθ，
其中，XP、YP分别为所述二维平面坐标中的横坐标和纵坐标，HP为所述高程值，XS、YS、ZS分别为像素点对应的飞行器的三维地理位置坐标，Vx、Vy、Vz分别为像素点对应的飞行器在空间直角坐标系中的x轴、y轴及z轴方向上的速度，j为像素点在InSAR数据中的斜距方向的序号，M为斜距分辨率，λ为InSAR波长，R0为近地点斜距，θ为所述天线波束的对地俯角。
S7：基于所述每个像素点对应的二维平面坐标与高程值，生成数字表面模型。
参考图2所示，为本公开实施例提供的一种基于InSAR解缠相位生成数字表面模型的装置的模块结构图，包含以下模块：
干涉相位图生成模块10，用于根据InSAR获取的图像数据，生成干涉相位图；
解缠相位计算模块20，用于确定所述干涉相位图中每个像素点的解缠相位。
斜距平方差计算模块30，用于根据所述解缠相位，计算所述InSAR的两副天线的斜距平方差。
基线倾角计算模块40，用于根据所述InSAR的两副接收天线所构成的空间基线，计算基线倾角。
对地俯角计算模块50，用于根据所述基线倾角以及所述每个像素点的解缠相位，计算所述InSAR的天线波束的对地俯角。
位置数据计算模块60，用于根据所述斜距平方差以及所述对地俯角，计算所述干涉相位图中每个像素点对应的二维平面坐标与高程值。
数字表面模型生成模块70，用于基于所述每个像素点对应的二维平面坐标与高程值，生成数字表面模型。
本公开实施例还提供一种计算机设备，包括处理器以及用于存储处理器可执行指令的存储器，所述处理器执行所述指令时实现上述任意实施例中所述生成数字表面模型方法的步骤。
本公开实施例还提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机指令，所述指令被执行时实现上述任意实施例中所述生成数字表面模型方法的步骤。
本说明书中的上述各个实施方式均采用递进的方式描述，各个实施方式之间相同相似部分相互参照即可，每个实施方式重点说明的都是与其他实施方式不同之处。
以上所述仅为本发明的几个实施方式，虽然本发明所揭露的实施方式如上，但所述内容只是为了便于理解本发明的技术方案而采用的实施方式，并非用于限定本发明。任何本发明所属技术领域的技术人员，在不脱离本发明所揭露的精神和范围的前提下，可以在实施方式的形式上及细节上作任何的修改与变化，但本发明的专利保护范围，仍须以所附权利要求书所界定的范围为准。

Claims (6)

1.一种基于InSAR解缠相位生成数字表面模型的方法，其特征在于，包括：
根据InSAR获取的图像数据，生成干涉相位图；
确定所述干涉相位图中每个像素点的解缠相位；
根据所述解缠相位，计算所述InSAR的两副天线的斜距平方差；
根据所述InSAR的两副接收天线所构成的空间基线，计算基线倾角；
根据所述基线倾角以及所述每个像素点的解缠相位，计算所述InSAR的天线波束的对地俯角；
根据所述斜距平方差以及所述对地俯角，计算所述干涉相位图中每个像素点对应的二维平面坐标与高程值；
基于所述每个像素点对应的二维平面坐标与高程值，生成数字表面模型；
通过如下公式计算所述斜距平方差：
其中，D为所述斜距平方差，R0为近地点斜距，j为像素点在InSAR数据中的斜距方向的序号，M为斜距分辨率，π为圆周率，λ为InSAR的波长，φ为所述解缠相位，Bx、By、Bz分别为两副接收天线所构成的空间基线在空间直角坐标系中的x轴、y轴及z轴方向上的分量；
通过如下公式计算所述干涉相位图中每个像素点对应的二维平面坐标与高程值：
HP＝ZS-(R0+jM)cosθ，
其中，XP、YP分别为所述二维平面坐标中的横坐标和纵坐标，HP为所述高程值，XS、YS、ZS分别为像素点对应的飞行器的三维地理位置坐标，Vx、Vy、Vz分别为像素点对应的飞行器在空间直角坐标系中的x轴、y轴及z轴方向上的速度，j为像素点在InSAR数据中的斜距方向的序号，M为斜距分辨率，λ为InSAR波长，R0为近地点斜距，θ为所述天线波束的对地俯角。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，通过如下公式计算所述基线倾角：
其中，α为所述基线倾角，Bx、By、Bz分别为两副接收天线所构成的空间基线在空间直角坐标系中的x轴、y轴及z轴方向上的分量。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，通过如下公式计算所述天线波束的对地俯角：
其中，θ为所述天线波束的对地俯角，α为所述基线倾角，π为圆周率，λ为InSAR的波长，φ为所述解缠相位，Bx、By、Bz分别为InSAR两副接收天线所构成的空间基线在空间直角坐标系中的x轴、y轴及z轴方向上的分量。
4.一种基于InSAR解缠相位生成数字表面模型的装置，其特征在于，包括：
干涉相位图生成模块，用于根据InSAR获取的图像数据，生成干涉相位图；
解缠相位计算模块，用于确定所述干涉相位图中每个像素点的解缠相位；
斜距平方差计算模块，用于根据所述解缠相位，计算所述InSAR的两副天线的斜距平方差；
基线倾角计算模块，用于根据所述InSAR的两副接收天线所构成的空间基线，计算基线倾角；
对地俯角计算模块，用于根据所述基线倾角以及所述每个像素点的解缠相位，计算所述InSAR的天线波束的对地俯角；
位置数据计算模块，用于根据所述斜距平方差以及所述对地俯角，计算所述干涉相位图中每个像素点对应的二维平面坐标与高程值；
数字表面模型生成模块，用于基于所述每个像素点对应的二维平面坐标与高程值，生成数字表面模型；
通过如下公式计算所述斜距平方差：
其中，D为所述斜距平方差，R0为近地点斜距，j为像素点在InSAR数据中的斜距方向的序号，M为斜距分辨率，π为圆周率，λ为InSAR的波长，φ为所述解缠相位，Bx、By、Bz分别为两副接收天线所构成的空间基线在空间直角坐标系中的x轴、y轴及z轴方向上的分量；
通过如下公式计算所述干涉相位图中每个像素点对应的二维平面坐标与高程值：
HP＝ZS-(R0+jM)cosθ，
其中，XP、YP分别为所述二维平面坐标中的横坐标和纵坐标，HP为所述高程值，XS、YS、ZS分别为像素点对应的飞行器的三维地理位置坐标，Vx、Vy、Vz分别为像素点对应的飞行器在空间直角坐标系中的x轴、y轴及z轴方向上的速度，j为像素点在InSAR数据中的斜距方向的序号，M为斜距分辨率，λ为InSAR波长，R0为近地点斜距，θ为所述天线波束的对地俯角。
5.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机指令，所述指令被执行时实现权利要求1-3中任意一项所述方法的步骤。
6.一种计算机设备，包括处理器以及用于存储处理器可执行指令的存储器，所述处理器执行所述指令时实现权利要求1-3中任意一项所述方法的步骤。
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