CN112505696B - 一种基于星载sar的露天矿边坡形变动态监测方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于星载SAR的露天矿边坡形变动态监测方法，包括如下步骤：步骤S1.采用多几何卫星数据融合方法计算地表Ve、Vn、Vu，即东西、南北和垂直方向上的运动速率，即得到地表三维运动变化；步骤S2.采用MAI技术获得地表在方位向上的运动信息，即水平方向上的运动速率Vs；步骤S3.将多几何卫星数据融合方法计算得到的垂直向运动速率Vu和MAI技术得到的水平向速率Vs矢量合成可得到坡向的运动速率VSlope，结合Ve、Vn、Vu、VSlope，为露天矿边坡形变动态监测提供技术支撑。本发明所述方法可以使用星载SAR数据进行露天矿三维形变监测，利用多轨道SAR数据，多种干涉技术结合，可以大面积高精度的获得露天矿的形变速率，方便监测露天矿安全。

Description

一种基于星载SAR的露天矿边坡形变动态监测方法
技术领域
本发明属于形变监测技术领域，具体涉及一种基于星载SAR的露天矿边坡形变动态监测方法。
背景技术
SAR(Synthetic Aperture Radar)即为合成孔径雷达，利用合成孔径原理，实现高分辨的微波成像，合成孔径雷达不受气候限制，能够实现全天候对地观测，并具有一定的地表穿透能力，因此在地质、自然灾害监测等领域具有广泛的应用前景，SAR按照搭载方式可分为星载SAR、机载SAR和地基SAR，常规的露天矿边坡监测使用地基SAR对边坡进行形变监测，往往无法得到边坡三维的形变信息，只能得到沿着雷达视线方向(LOS方向)的形变量，无法得到沿着边坡方向以及边坡在竖直、水平方向上的形变量，如何获得不同角度的露天矿边坡形变信息进而得到边坡三维运动信息，进而现对露天矿边坡进行高精度的形变监测是现阶段亟待解决的问题。
本发明提出使用多角度星载SAR实现边坡的三维形变监测弥补了地基SAR监测的不足。
发明内容
针对地基SAR无法获得露天矿边坡三维形变的缺点，本发明提供一种基于星载SAR的露天矿边坡形变动态监测方法，目的在于检测露天矿边坡实现三维动态，本发明通过多角度的高分辨率星载SAR数据，采用三维InSAR技术和多孔径干涉(MAI)技术，实现边坡三维形变的监测。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种基于星载SAR的露天矿边坡形变动态监测方法，包括如下步骤：
步骤S1.基于多角度几何卫星数据融合法解算监测区域地表三维的运动速率：
采集露天矿边坡监测区域的多角度的几何卫星SAR数据和数字高程模型，以角度分组后进行时序InSAR处理，获得监测区域的LOS方向形变量，利用LOS向(雷达视线方向)形变量，采用几何分解法解算监测区域地表三维运动速率；
步骤S2.采用多孔径干涉(MAI)获取监测区域地表水平方向运动速率：
将步骤S1中分组后的SAR数据进行多孔径干涉处理，获得SAR卫星运动方向上的运动速率，即监测区域地表水平方向运动速率(方位向运动速率)；
骤S3.计算边坡方向运动速率，监测露天矿边坡形变：
对步骤S1中解算的地表三维运动速率中的垂直方向运动速率和步骤S2中获得的地表水平方向运动速率进行矢量合成，计算边坡方向运动速率，联合边坡方向运动速率和地表三维运动速率对露天矿边坡形变进行动态监测。
进一步地，步骤S1中的多角度的几何卫星SAR数据为轨道编号不同和升降轨方式不同的卫星数据，且至少采集监测区域的三个不同角度的卫星SAR数据。
进一步地，步骤S1具体包括：
S11.时序InSAR处理：对SAR数据进行图像配准干涉处理、干涉图解缠，相位转形变，求得LOS方向形变量；
S12.利用LOS向形变量，基于如下形变分解方程以获取地表三维形变量及运动速率：
Dlos＝Ducosθ-Dnsinθcos(α-3π/2)-Desinθsin(α-3π/2)
式中Dlos为地表监测区域的LOS方向形变量，θ为监测区域的雷达入射角，α为卫星的飞行方位角(以北向起算顺时针为正)，Du、De和Dn分别表示监测区域的垂直、东西和南北方向的三维形变分量；结合SAR数据采集时间间隔，即可获得监测区域地表垂直、东西和南北方向的运动速率Vu、Ve、Vn。
进一步地，步骤S2具体包括：
S21.对步骤S1中分组后的SAR数据进行干涉处理得到前视干涉图和后视干涉图，对前、后视干涉图进行差分处理、去除地平、地形相位，即可解算出SAR卫星运动方向上的形变量，即地表水平方向形变量；
S22.将地表水平方向的形变量分解为东西和南北两个方向上的水平形变分量；基于如下公式获得监测区域地表水平方向运动速率：
Dazi＝-Dea·cos(α-3π/2)+Dna·sin(α-3π/2)
其中Dazi为多孔径干涉处理获得的监测区域地表水平方向的形变量，α为卫星的飞行方位角(以北向起算顺时针为正)，Dea和Dna分别表示监测区域的东西向和南北向的水平形变分量；结合SAR数据采集时间间隔，即可获得监测区域地表水平方向运动速率Vs。
进一步地，步骤S3中矢量合成边坡方向运动速率的公式为：
式中Vu为步骤S12中解算的监测区域地表垂直方向运动速率，Vs为步骤S22获得的监测区域地表水平方向运动速率，Vslope为监测区域边坡方向的运动速率。
进一步地，将步骤S12中分解出的东西和南北方向形变分量De和Dn与步骤S22中获得的东西和南北方向形变分量Dea和Dna相互校验，如果互差范围在±5mm之内即可进行下一步，否则需要更换SAR数据。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
1.本发明所述方法可以使用星载SAR数据进行露天矿三维形变监测，利用多轨道SAR数据，多种干涉技术结合，可以大面积高精度的获得露天矿的形变速率，方便监测露天矿安全。
2.本发明所述方法采用多轨道SAR影像可以对露天矿边坡、地表和矿坑进行全面监测。
附图说明
图1为本发明所述露天矿形变动态监测流程图；
图2为实施例中露天矿地表形变分解模型；
图3为实施例中露天矿SAR强度影像图；
图4为实施例中露天矿三个监测区域的三维形变监测结果对比图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例
本发明提供一种基于星载SAR的露天矿边坡形变动态监测方法，如图1所示，包括以下步骤：
步骤S1：基于多角度几何卫星数据融合法解算监测区域地表三维的运动速率：
S11.数据准备：在欧空局官网下载露天矿边坡监测区域3个角度的几何卫星SAR数据(SAR图像集)、和在CSI-CGIAR Chief GeoNetwork Technologist网站上下载监测区域数字高程模型数据，将SAR数据以角度分为3组，每组SAR数据均需要进行时序InSAR处理，时序InSAR技术具体步骤包括：
1)SAR数据时空基线的估计以选择主影像；
2)将辅影像与主影像进行配准干涉处理；
3)将数字高程模型进行地形相位模拟生成地形相位；
4)将干涉图进行地形相位去除，进而求得形变相位；
5)将形变相位接缠，转为形变量；
完成上述过程即可获得露天矿边坡监测区域沿雷达视线方向上的形变量Dlos；
S12.将形变值Dlos采用几何分解法分解到东西、南北和垂直三个方向上，获取相应的形变量，其中分解公式为：
Dlos＝Ducosθ-Dnsinθcos(α-3π/2)-Desinθsin(α-3π/2)
结合图2露天矿地表形变三维分解模型，Du、De和Dn分别表示监测区域的垂直向、东西向和南北向的三维形变分量，θ为监测区域的雷达入射角，α为卫星的飞行方位角(以北向起算顺时针为正，图中未示出)，在遥感卫星技术领域中，监测区域内任意点O点的雷达入射角即为监测区域的雷达入射角，监测区域内任意点O点的三维形变量即为监测区域的三维形变量。
S13.将三维形变结果除以数据采集对应的时间范围可得到三个方向的形变速率，即将Du、De和Dn转换为Vu、Ve和Vn，它们分别表示地表垂直、东西和南北方向的运动速率；
步骤S2.采用MAI技术获取监测区域地表水平方向运动速率：
S21.将步骤S1中分组后的SAR数据任意取两组进行多孔径干涉处理，具体步骤包括：
1)通过SAR数据的采样时间特征，选择主影像数据；
2)主辅影像影像分割，分割为前视和后视；
3)将两个前视影像和两个后视影像进行干涉处理分别生成前视干涉图与后视干涉图；
4)前视干涉图和后视干涉图干涉处理；
5)去除地形相位和互差相位，得到形变相位转为形变量；
完成上述过程即可露天矿边坡监测区域在SAR卫星运动方向上的形变量Dazi，即为地表水平方向形变量。
S22.对地表水平方向的形变量Dazi进行分解，将其分解为南北方向和东西方向形变，分解公式为：
Dazi＝-Dea·cos(α-3π/2)+Dna·sin(α-3π/2)
Dea和Dna分别表示MAI技术求得的东西和南北向形变量，α为卫星的飞行方位角；
再使用时序InSAR分解出的东西、南北形变量De和Dn多孔径干涉分解出的形变量Dea、Dna相互校验，如果互差范围在±5mm之内即可进行下一步，否则需要更换SAR数据；
S23.将多孔径干涉处理获得的地表水平方向形变量Dazi，除以数据采集对应的时间范围，即可获得监测区域地表的水平方向的运动速率Vs。
步骤S3.计算边坡方向运动速率，监测露天矿边坡形变：
对水平方向运动速率与垂直方向运动速率进行合成即可得到边坡方向运动速率Vslope，公式为：
选择某露天矿坡上、坡下和地表A、B和C三个代表性区域，露天矿SAR强度影像如图3所示，基于上述方法计算出A、B和C三个监测区域坡向运动速率，联合坡向运动速率和地表三维运动速率对露天矿边坡形变进行动态监测，监测结果如图4(图中各组直方图按A、B、C依次排列，纵坐标为mm/a，毫米/年)。
本发明采用的数据时间在相同范围内，采用了多个角度的雷达影像对其进行分组干涉处理，利用雷达干涉测量形变本原理、视线向形变和方位向形变的基本属性，对其几何原理进行分析，分解其形变值，在露天矿边坡进行形变合成，得到露天矿三维的形变场。
以上技术方案阐述了本发明的技术思路，不能以此限定本发明的保护范围，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上技术方案所作的任何改动及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (6)

1.一种基于星载SAR的露天矿边坡形变动态监测方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤S1.基于多角度几何卫星数据融合法解算监测区域地表三维的运动速率：
采集露天矿边坡监测区域的多角度的几何卫星SAR数据和数字高程模型，以角度分组后进行时序InSAR处理，获得监测区域的LOS方向形变量，利用LOS向形变量，采用几何分解法解算监测区域地表三维运动速率；
步骤S2.采用多孔径干涉获取监测区域地表水平方向运动速率：
将步骤S1中分组后的SAR数据进行多孔径干涉处理，获得SAR卫星运动方向上的运动速率，即监测区域地表水平方向运动速率；
骤S3.计算边坡方向运动速率，监测露天矿边坡形变：
对步骤S1中解算的地表三维运动速率中的垂直方向运动速率和步骤S2中获得的地表水平方向运动速率进行矢量合成，计算边坡方向运动速率，联合边坡方向运动速率和地表三维运动速率对露天矿边坡形变进行动态监测。
2.根据权利要求1所述的一种基于星载SAR的露天矿边坡形变动态监测方法，其特征在于，步骤S1中的多角度的几何卫星SAR数据为轨道编号不同和升降轨方式不同的卫星数据，且至少采集监测区域的三个不同角度的卫星SAR数据。
3.根据权利要求1所述的一种基于星载SAR的露天矿边坡形变动态监测方法，其特征在于，步骤S1具体包括：
S11.时序InSAR处理：对SAR数据进行图像配准干涉处理、干涉图解缠，相位转形变，求得LOS方向形变量；
S12.利用LOS向形变量，基于如下形变分解方程以获取地表三维形变量及运动速率：
Dlos＝Ducosθ-Dnsinθcos(α-3π/2)-Desinθsin(α-3π/2)
式中Dlos为地表监测区域的LOS方向形变量，θ为监测区域的雷达入射角，α为卫星的飞行方位角，Du、De和Dn分别表示监测区域的垂直、东西和南北方向的三维形变分量；结合SAR数据采集时间间隔，即可获得监测区域地表垂直、东西和南北方向的运动速率Vu、Ve、Vn。
4.根据权利要求3所述的一种基于星载SAR的露天矿边坡形变动态监测方法，其特征在于，步骤S2具体包括：
S21.对步骤S1中分组后的SAR数据进行干涉处理得到前视干涉图和后视干涉图，对前、后视干涉图进行差分处理、去除地平、地形相位，即可解算出SAR卫星运动方向上的形变量，即地表水平方向形变量；
S22.将地表水平方向的形变量分解为东西和南北两个方向上的水平形变分量；基于如下公式获得监测区域地表水平方向运动速率：
Dazi＝-Dea·cos(α-3π/2)+Dna·sin(α-3π/2)
其中Dazi为多孔径干涉处理获得的监测区域的地表水平方向的形变量，α为卫星的飞行方位角，Dea和Dna分别表示监测区域的的东西向和南北向的水平形变分量；结合SAR数据采集时间间隔，即可获得监测区域地表的水平方向的运动速率Vs。
5.根据权利要求4所述的一种基于星载SAR的露天矿边坡形变动态监测方法，其特征在于，步骤S3中矢量合成边坡方向运动速率的公式为：
式中Vu为步骤S12中解算的监测区域地表垂直方向运动速率，Vs为步骤S22获得的监测区域地表水平方向运动速率，Vslope为监测区域边坡方向的运动速率。
6.根据权利要求4所述的一种基于星载SAR的露天矿边坡形变动态监测方法，其特征在于，将步骤S12中分解出的东西和南北方向形变分量De和Dn与步骤S22中获得的东西和南北方向形变分量Dea和Dna相互校验，如果互差范围在±5mm之内，则结合SAR数据采集时间间隔，获得监测区域地表的水平方向的运动速率Vs，否则需要更换SAR数据。
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