CN113655481A - 一种InSAR变形监测精度提升和检验方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种InSAR变形监测精度提升和检验方法及系统，通过人工设置一套或多套电源通讯边缘计算及智能控制子系统，子系统通过散射体位置和姿态条件调整实现相干增强和附加约束以提高变形解析精度或作为基准检验变形监测精度；系统根据卫星轨道、雷达参数、变形解析方法结合被监测对象相关信息进行系统配置，每套子系统由双金属标、阵列位移计、散射体、散射体位置姿态精密控制装置、电源通讯边缘计算及雨雪量监测装置组成，可以根据相干条件调整散射体的位置和姿态从而增强相干性并为系统计算提供约束条件，或根据人的指令模拟三维变形和姿态调整从而实现对变形监测精度的检验。
Description
技术领域
本发明属于堤坝结构、山体滑坡、采空区及地下水抽采区地表变形监测技术领域，具体涉及InSAR表面变形监测相干增强方法及精度检验系统。
背景技术
采用InSAR变形监测及其衍生方法，如D-InSAR、MT-InSAR、PS-InSAR、SBAS-InSAR、MAI-InSAR等进行表面变形监测具有被监测对象表面或地面配套设施简单、分布式监测、不受云层影响等优势，是城市被监测对象表面或地面沉降、大面积地下水抽采区、煤矿采空区、渠道堤坝等大尺寸建筑物表面变形监测的有效方法，已经在城市地面、地下水抽采区地面以及深圳、重庆等地区水库大坝变形监测中得到应用。图像配准、校正和补偿等技术的引入，特别是引入高精度DEM数据、融合多轨道D-InSAR和Offset-Tracking等的3维（距离向、方位向、视线向）形变估计等对提高InSAR变形监测具有十分重要的意义。提高InSAR变形监测精度和稳定性首先必须获得清晰的相干图像，为此必须解决其参数率定、图像配准以及失相干问题。为避免时空失相干，目前采取的方法主要是采用PS和DS方法，实际上上述方法放置在变形区域，对于大变形区域或复杂的变形区域同样存在失去相干风险，同样由于雨雪覆盖也将导致失相干或难以形成有效干涉图像，从而给星载数据或机载数据的解译带来困难甚至导致表面变形监测失败。
发明内容
本发明目的在于提供一种InSAR变形监测精度提升和检验方法及系统，减少时空失相干和提供一种野外现场实时检测InSAR变形监测精度的方法及系统。
为达到上述目的，本发明所采用的技术方案是：
第一方面，本发明提供了一种InSAR变形监测精度提升方法，包括相干增加和提供精准变形约束条件，其特征在于，
基于卫星轨道和SAR雷达参数结合被监测对象的位置、方位及变形信息，根据相干条件选择代表性的点布置一套或多套电源通讯边缘计算及智能控制子系统，每套电源通讯边缘计算及智能控制子系统由双金属标、阵列式位移计、散射体以及电源通讯边缘计算及雨雪量监测装置和散射体位置姿态精密控制装置组成；
根据相干条件控制位置姿态精密控制装置调整散射体的位置和姿态，使得干涉信号最强、相干条件最好；
散射体调整后的位置和姿态由阵列式位移计结合双金属标进行三维测量，以及横滚、俯仰和方位角度联合精准控制。
调整后散射体的位置具有确定和精度的三维坐标和姿态信息，作为InSAR变形监测数据解析的约束条件，从而提高变形解译精度。
优选的，通过雨雪量监测装置检测被监测对象表面或地面的降雪量，当监测的散射体表面积雪时控制除雪装置对散射体进行自动除雪；
通过雨雪量监测装置检测被监测对象表面或地面的降雨，当监测的散射体表面积水时控制雨刮器和加热除湿器对散射体进行自动除雨除湿。
优选的，采用影响相干的输入因素数据集训练散射体控制模型，将控制参数输入驱动电机。
第二方面，本发明提供了一种用于InSAR变形监测精度检验方法，其特征在于，还包括，控制位置姿态精密控制装置运动用于调整散射体的位置，模拟被监测对象表面或地面变形过程，对比散射体的实际位移值与检测位移值检测卫星监测数据的准确性。
根据被监测对象表面变形范围，按正交设计选择代表性的三维变形和表面姿态，通过指令控制将散射体驱动到相应的位置和保持相应的姿态，散射体的姿态包括散射体的横滚角α、俯仰角β和偏航角γ，并认定散射体的位置、横滚角α、俯仰角β和偏航角γ为真值A；
通过InSAR相应的算法对散射体或所在结构部位进行变形监测，获得相应的实测六维向量为测量值B；
通过真值A与测量值B之间的广义距离或差别计算比较即可进行InSAR精度的检验。
第三方面，本发明提供了一种用于增强相干的地表变形监测系统，包括：
雨雪量监测和清除模块，检测散射体的覆雨和覆雪情况，对散射体进行自动除雨、除湿和除雪；
变形检测模块，检测被监测对象表面或地面水平方向和竖直三维变形；
散射体调整模块，控制位置姿态精密控制装置运动用于调整散射体的位置和角度；
控制模块，用于控制雨雪量监测和清除模块、变形检测模块和散射体调整模块。
电源和通讯模块用于给电机和自身提供电源，通讯模块用无线方式实现与后方或移动终端的双向通讯，接受上级指令和上传相关监测及设备自检信息。
优选的，变形检测模块包括双金属标检测装置和双向变形检测装置：双向变形检测装置采用阵列式位移计用于检测被监测对象表面或地面水平方向变形；所述双金属标检测装置用于检测检测被监测对象表面或地面竖直方向变形。
优选的，所述位置姿态精密控制装置设置于所述双向变形检测装置上，与双向变形检测装置采用万向节连接。
优选的，散射体位置姿态精密控制装置包括三维位置平动结构和姿态调整结构；散射体设置于姿态调整结构上；所述姿态调整结构设置于三维位置平动结构上；
所述姿态调整结构包括水平转动台、俯仰角调节机构、横滚角调节机构；所述水平转动台设置于所述三维位置平动结构上；所述俯仰角调节机构设置于横滚角调节机构；所述横滚角调节机构设置于水平转动台上；所述散射体设置于横滚角调节机构上。
优选的，所述三维位置平动结构包括升降机构、横向线型模组、纵向线型模组；所述姿态调整结构设置于纵向线型模组上；所述纵向线型模组设置于横向线型模组上；所述横向线型模组设置于升降机构上；
优选的，所述升降机构包括支撑座、丝杠、电机；所述丝杠与支撑座螺纹连接；所述电机驱动丝杠转动，且所述电机沿丝杠轴线滑动连接于所述支撑座上；所述丝杠顶部与所述横向线型模组转动连接；所述横向线型模组通过导柱滑动连接于所述支撑座上。
与现有技术相比，本发明所达到的有益效果：
本发明中检测被监测区域尤其是系统安装位置处的降雨量和降雪量，对散射体进行自动除雨、除湿和除雪，避免了雨雪造成失相干；通过控制位置姿态精密控制装置运动调整散射体的位置和角度，增强相干性，避免了因为地表变形导致的失相干问题；控制位置姿态精密控制装置运动用于调整散射体的位置和姿态，模拟被监测区域的变形过程，对比散射体的实际位移值与卫星监测数据，以检验InSAR变形监测方法和数据的准确性。
附图说明
图1为本发明实施例提供的一种用于表面变形监测系统相干增强和精度检验系统的代表性电源通讯边缘计算及智能控制子系统组成图；
图2 为本发明实施例提供的散射体位置姿态精密控制装置的结构图；
图3为本发明实施例提供的一种InSAR变形监测相干增强方法的流程图。
附图中，1被监测对象表面或地面、2阵列式位移计、3散射体位置姿态精密控制装置、31升降装置、311支撑座、312驱动及控制电机、313高精密丝杠、32横向线型模组、321光滑导柱、33纵向线型模组、34水平方位转动台、35横滚角调节机构、36俯仰角调节机构、4散射体、5双金属标、6电源通讯边缘计算及雨雪量监测装置。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
实施例一
如图1-3所示，一种InSAR变形监测精度提升方法，包括：
基于被监测对象表面或地面1的位置、朝向、坡度等结合卫星轨道和雷达参数获取相干条件及影响参数，布设一套或多套电源通讯边缘计算及智能控制子系统，每套电源通讯边缘计算及智能控制子系统由双金属标5、阵列式位移计2、散射体4以及电源通讯边缘计算及雨雪量监测装置6和散射体位置姿态精密控制装置3组成；
根据相干条件调整散射体4位置或姿态，形成最清晰的相干图像以便于图像解析；
根据已知的散射体位置和姿态并将其作为精准变形引入InSAR变形解析过程，作为已知约束条件提高变形解译精度。
采用影响相干的输入因素数据集训练散射体控制模型，将控制参数输入驱动电机；通过控制模型控制散射体位置姿态精密控制装置3运动；控制散射体位置姿态精密控制装置3运动调整散射体4的位置。
通过电源通讯边缘计算及雨雪量监测装置6检测散射体所在位置的降雪量，覆雪影响到相干条件或变形测值时，控制除雪装置对散射体进行自动除雪；通过电源通讯边缘计算及雨雪量监测装置6检测散射体所在位置的降雨量，当监测的降雨影响到相干条件或变形测值时，控制雨刮器和加热除湿器对散射体进行自动除雨除湿，对散射体进行自动除雨、除湿和除雪，避免了雨雪对相干条件或变形测值的影响。
由于被监测对象表面或地面1大的变形影响相干条件时，通过散射体位置姿态精密控制装置3二次调整散射体4，从而实现相干增强，避免了因为被监测对象表面或地面大的变形导致的失相干。
实施例二
一种用于InSAR变形监测精度检验方法，应用于可以在实施例1所述InSAR变形监测精度提升方法中，散射体位置姿态精密控制装置3运动用于调整散射体的位置，模拟被监测对象表面或地面变形过程，对比散射体4的实际位移值与检测位移值检测卫星监测数据的准确性。
根据被监测对象表面变形范围，按正交设计选择代表性的三维变形和表面姿态，通过指令控制将散射体驱动到相应的位置和保持相应的姿态，散射体4的姿态包括散射体的横滚角α、俯仰角β和偏航角γ，并认定散射体的位置、横滚角α、俯仰角β和偏航角γ为真值A；
通过InSAR相应的算法对散射体或所在结构部位进行变形监测，获得相应的实测六维向量为测量值B；
通过真值A与测量值B之间的广义距离或差别计算比较即可进行InSAR精度的检验。
实施例三
如图1-2所示，一种用于增强相干的地表变形监测系统，包括：
雨雪量监测和清除模块，检测被监测对象表面或地面1的降雨量和降雪量，对散射体进行自动除雨、除湿和除雪；
变形检测模块，检测被监测对象表面或地面1水平方向变形和竖直方向变形；
散射体调整模块，控制位置姿态精密控制装置运动用于调整散射体4的位置和角度；
控制模块，用于控制雨雪量监测和清除模块、变形检测模块和散射体调整模块。
所述变形检测模块包括双金属标检测装置5和阵列式位移计2：阵列式位移计2用于检测被监测对象表面或地面1水平方向变形；所述双金属标检测装置5用于检测检测被监测对象表面或地面1竖直方向变形；所述散射体位置姿态精密控制装置3设置于所述阵列式位移计2上。
所述散射体位置姿态精密控制装置3包括三维位置平动结构和姿态调整结构；散射体4设置于姿态调整结构上；所述姿态调整结构设置于三维位置平动结构上；
所述姿态调整结构包括水平转动台34、俯仰角调节机构36、横滚角调节机构35；所述水平方位转动台34设置于所述三维位置平动结构上；所述俯仰角调节机构36设置于横滚角调节机构35；所述横滚角调节机构35设置于水平方位转动台34上；所述散射体4设置于横滚角调节机构35上；所述水平方位转动台34、俯仰角调节机构36、横滚角调节机构35通过相应的步进电机或伺服电机驱动；通过姿态调整结构调节所述散射体4的角度。
所述三维位置平动结构包括升降机构31、横向线型模组32、纵向线型模组33；所述姿态调整结构设置于纵向线型模组33上；所述纵向线型模组33设置于横向线型模组32上；所述横向线型模组32设置于升降机构31上；
所述升降机构31包括支撑座311、高精密丝杠313、电机312；所述丝杠313与支撑座311螺纹连接；所述电机312驱动丝杠313转动，且所述电机312沿丝杠轴线滑动连接于所述支撑座311上；所述丝杠313顶部与所述横向线型模组32转动连接；所述横向线型模组32通过导柱321滑动连接于所述支撑座311上。
本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质（包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等）上实施的计算机程序产品的形式。
本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备（系统）、和计算机程序产品的流程图和／或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和／或方框图中的每一流程和／或方框、以及流程图和／或方框图中的流程和／或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和／或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和／或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和／或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种InSAR变形监测精度提升方法，包括相干增加和提供精准变形约束条件，其特征在于，
基于卫星轨道和SAR雷达参数结合被监测对象的位置、方位及变形信息，根据相干条件选择代表性的点布置一套或多套散射体控制装置，每套电源通讯边缘计算及智能控制子系统由双金属标、阵列式位移计、散射体以及电源通讯边缘计算及雨雪量监测装置和散射体位置姿态精密控制装置组成；
根据相干条件控制位置姿态精密控制装置调整散射体的位置和姿态，使得干涉信号最强、相干条件最好；
散射体调整后的位置和姿态由阵列式位移计结合双金属标进行三维测量，以及横滚、俯仰和方位角度联合精准控制；
调整后散射体的位置具有确定和精度的三维坐标和姿态信息，作为InSAR变形监测数据解析的约束条件，从而提高变形解译精度。
2.根据权利要求1所述的一种用于增强相干的地表变形监测方法，其特征在于，还包括，通过雨雪量监测装置检测被监测对象表面或地面的降雪量，当监测的散射体表面积雪时控制除雪装置对散射体进行自动除雪；
通过雨雪量监测装置检测被监测对象表面或地面的降雨，当监测的散射体表面积水时控制雨刮器和加热除湿器对散射体进行自动除雨除湿。
3.根据权利要求1所述的一种用于增强相干的地表变形监测方法，其特征在于，采用影响相干的输入因素数据集训练散射体控制模型，将控制参数输入驱动电机。
4.一种用于InSAR变形监测精度检验方法，其特征在于，还包括，控制位置姿态精密控制装置运动用于调整散射体的位置，模拟被监测对象表面或地面变形过程，对比散射体的实际位移值与检测位移值检测卫星监测数据的准确性；
根据被监测对象表面变形范围，按正交设计选择代表性的三维变形和表面姿态，通过指令控制将散射体驱动到相应的位置和保持相应的姿态，散射体的姿态包括散射体的横滚角α、俯仰角β和偏航角γ，并认定散射体的位置、横滚角α、俯仰角β和偏航角γ为真值A；
通过InSAR相应的算法对散射体或所在结构部位进行变形监测，获得相应的实测六维向量为测量值B；
通过真值A与测量值B之间的广义距离或差别计算比较即可进行InSAR精度的检验。
5.一种用于增强相干的地表变形监测系统，包括：
雨雪量监测和清除模块，检测散射体的覆雨和覆雪情况，对散射体进行自动除雨、除湿和除雪；
变形检测模块，检测被监测对象表面或地面水平方向和竖直三维变形；
散射体调整模块，控制位置姿态精密控制装置运动用于调整散射体的位置和角度；
控制模块，用于控制雨雪量监测和清除模块、变形检测模块和散射体调整模块；
电源和通讯模块用于给电机和自身提供电源，通讯模块用无线方式实现与后方或移动终端的双向通讯，接受上级指令和上传相关监测及设备自检信息。
6.根据权利要求5所述的一种用于增强相干的地表变形监测系统，其特征在于，变形检测模块包括双金属标检测装置和双向变形检测装置：双向变形检测装置采用阵列式位移计用于检测被监测对象表面或地面水平方向变形；所述双金属标检测装置用于检测检测被监测对象表面或地面竖直方向变形。
7.根据权利要求5所述的一种用于增强相干的地表变形监测系统，其特征在于，所述位置姿态精密控制装置设置于所述双向变形检测装置上，与双向变形检测装置采用万向节连接。
8.根据权利要求5或7所述的一种用于增强相干的地表变形监测系统，其特征在于，散射体位置姿态精密控制装置包括三维位置平动结构和姿态调整结构；散射体设置于姿态调整结构上；所述姿态调整结构设置于三维位置平动结构上；
所述姿态调整结构包括水平转动台、俯仰角调节机构、横滚角调节机构；所述水平转动台设置于所述三维位置平动结构上；所述俯仰角调节机构设置于横滚角调节机构；所述横滚角调节机构设置于水平转动台上；所述散射体设置于横滚角调节机构上。
9.根据权利要求8所述的位置姿态精密控制装置，其特征在于，所述三维位置平动结构包括升降机构、横向线型模组、纵向线型模组；所述姿态调整结构设置于纵向线型模组上；所述纵向线型模组设置于横向线型模组上；所述横向线型模组设置于升降机构上。
10.根据权利要求9所述的位置姿态精密控制装置，其特征在于，所述升降机构包括支撑座、丝杠、电机；所述丝杠与支撑座螺纹连接；所述电机驱动丝杠转动，且所述电机沿丝杠轴线滑动连接于所述支撑座上；所述丝杠顶部与所述横向线型模组转动连接；所述横向线型模组通过导柱滑动连接于所述支撑座上。
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