CN114035188B - 一种地基雷达冰川流速高精度监测方法与系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种地基雷达冰川流速高精度监测方法与系统，解决了传统观念技术中难以控制全局的高精度转换、难以分辨控制点的问题，其中方法包括：步骤S1：联合无人机航测与地基雷达监测站点的布设数据，建立GB‑SAR二维坐标系到三维地方坐标系转换模型，实现GB‑SAR视线向监测系统与目标三维系统的框架统一；步骤S2：基于解空间搜索匹配方法的GB‑SAR监测数据高精度地理编码，实现监测目标点坐标的精确测定；步骤S3：基于GB‑SAR高精度监测数据的冰川流速信息专题动态提取，完成冰川地物散射环境下监测目标点跟踪识别，实现了坐标的精确测定和冰川流速专题信息动态提取的技术效果。

Description

一种地基雷达冰川流速高精度监测方法与系统
技术领域
本发明属于地基雷达编码技术领域，具体涉及一种地基雷达冰川流速高精度监测方法与系统。
背景技术
对冰川流速进行动态监测可有效反映冰川的动态演化规律，并据此揭示冰川的退化状况，是冰川资源利用、气候变化风险控制与相关灾害预警的重要措施之一，受到各行业部门和学者的高度重视。目前，针对冰川流速动态监测的技术途径主要以光学遥感影像解译和分析为主，难以对冰川运动场进行准确的量化，且受气候条件制约较为严重。尤其是在中国藏东南多云雾地区，光学遥感数据更是匮乏。地基雷达(GB-SAR)具有分辨率高、自动化程度高、不受气候条件制约、形变提取精度高等突出技术优势，可有效弥补光学遥感手段的不足。此外，地基雷达系统使用滑动轨道以较短的工作周期反复成像，能够克服时间和空间失相干问题，它近乎为零的空间基线，使得干涉建模不受基线误差干扰，精度极高。地基雷达稳定的监测系统应用于变化迅速的冰川流速监测具有极强的适用性和可靠性，对于地基雷达冰川高精度监测相关系统实现值得深入研究。
GB-SAR冰川流速监测系统难点在于，GB-SAR由于其安装布设方式及其天线大小限制，其成像距离相对较近(最远探测距离仅可达5-10 km)，目标大部分区域处于雷达天线辐射场近场区域，不满足远场近似条件，形成了GB-SAR影像特殊的扇形格网坐标系。正是由于成像方法、空间几何关系上的区别，GB-SAR影像坐标系统变换方法与传统方法存在较大差异。因此，GB-SAR影像数据处理和判读的首要任务就是依据雷达二维平面坐标确定变形发生的实际位置。由于同真实的三维变形体有一定差距，在直接依据雷达二维影像或干涉图进行判读时，需要研究人员对影像成像方式有较深刻的理解并具有一定经验，否则易造成变形目标或区域的错误识别。为正确识别变形目标和位置、便于同其它监测技术对比或融合分析，需要建立精确严密的坐标系统变换模型，实现雷达影像在三维空间系统中的精确地理编码。
目前较为常用的GB-SAR影像二维平面坐标系到三维坐标系统的转换方法主要有参数变换法和坐标编码法。参数变换法主要包括直接变换法和相似变换法，但由于GB-SAR成像几何投影方式的特殊性，在目标到雷达中心俯仰角偏大时采用直接变换方法会引起较大的平面坐标偏移误差。相似变换法利用有限数量的参考点计算转换参数，可在地形坡度变化较小的区域达到一定的转换精度，但不严密的转换模型难以实现全局的高精度转换。坐标编码法模型相对严密，但也存在一定的缺陷。坐标编码法的精度依赖于控制点的选取及定位的质量。实际工作中一般采用安装人工角反射器作为控制点并测量其在三维坐标系中的位置，但在密集岩石/建筑物等地物散射强烈而复杂的区域则难以分辨这些控制点，如表碛覆盖的冰川、表面碎屑流分布的滑坡、大量矿石堆积的矿区等。此外，若控制点距离雷达中心较远，像元方位向分辨率变大，加之旁瓣效应的影响，使角反射器的位置在雷达影像中更加难以精确定位。以上地理编码方法的不足使GB-SAR在冰川流速监测应用实践中难以实现高精度动态跟踪监测。
发明内容
针对现有技术中冰川表面布控困难，全局高精度转换难以控制、冰川表面监测目标点难以精确跟踪识别的问题，本发明提供一种地基雷达冰川流速高精度监测方法与系统，其目的在于：克服冰川表面复杂地物散射环境下监测目标点跟踪识别困难、实现坐标的精确测定和冰川流速专题信息动态提取。
本发明采用的技术方案如下：
一种地基雷达冰川流速高精度监测方法，包括以下步骤：
步骤S1：结合无人机航测数据与地基雷达监测站点的布设数据，建立GB-SAR二维坐标系到三维坐标系统的转换模型，实现GB-SAR视线向监测系统与目标三维系统的框架的统一；
步骤S2：基于解空间搜索匹配方法的GB-SAR监测数据高精度地理编码，实现监测目标点坐标的精确测定；
步骤S3：基于GB-SAR高精度监测数据的冰川流速信息的动态提取，完成冰川地物散射环境下监测目标点的跟踪识别。
采用上述方案，可克服冰川表面复杂地物散射环境下传统雷达影像目标点识别、控制点选取困难的情况；无需在监测区域布设人工角反射器等作为控制点，可有效避免使用角反射器作为控制点带来的坐标难以精确测定的缺陷，大大减轻了工作强度；该监测方法可实现亚像元级的监测精度，可应用于GB-SAR冰川流速的精确三维解译和时空规律分析，大大增强了本方法的适用性。
所述步骤 S1的具体步骤为：
步骤S11：确定GB-SAR二维坐标系中各坐标要素在需要转换的三维坐标系中的位置及方位，确定GB-SAR雷达中心点及雷达布设的导轨坐标方位角；
步骤S12：将GB-SAR雷达中心点、导轨坐标方位角与UAV航测像控点或区域控制网联解，得到GB-SAR雷达中心点在三维坐标系统中的坐标和Y坐标轴、N坐标轴的水平转角，完成监测系统与目标三维系统的框架统一。
采用上述方案，其中要素测量工作包括影像地面控制点测量和GB-SAR布设点位精测，目标坐标系统一般具有一定的特殊性和独立性，通过测量影像地面控制点可使UAV航测的解算成果归算至目标坐标系，并作为后续坐标转换的基础支撑数据。
所述步骤S2的具体步骤为：
步骤S21：根据监测需求设定地理编码模型的角度分辨率和距离分辨率；
步骤S22：在步骤S21的基础上，基于解空间搜索匹配方法逐一搜索匹配各方向上的距离，并将最小距离匹配的雷达二维坐标系的像元点赋值到三维坐标系统。
采用上述方案，由于GB-SAR成像特殊的扇形投影方式导致影像坐标具有距离向分辨率固定、方位向分辨率随观测距离的增加而降低的特性，本方法以雷达成像基本原理为出发点，即不论在何种坐标系中，地物目标点至地基雷达中心点的欧式距离相等，本方法采用精密工程测量的方式进行全局控制测量，测量地基雷达中心与导轨坐标方位角，并直接与整个区域UAV航测像控点或区域控制网联测，可精确求解地基雷达中心点在三维坐标系统中的坐标和两坐标轴系水平转角。其坐标精度可达毫米级，角度测量精度可达0.5秒，能够满足地基雷达的精准坐标转换需要。
所述步骤S3的具体步骤为：
步骤S31：在步骤S2的基础上，针对监测目标点或兴趣点进行单一目标时序曲线实时生成并跟踪监测；
步骤S32：提取整个监测区域形变，生成冰川监测全域流速信息。
本发明提供了一种用于上述方法的一种地基雷达冰川流速高精度监测系统，包括模型转换模块、地理编码模块和动态提取模块，所述模型转换模块连接地理编码模块，地理编码模块连接动态提取模块。
综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：
1.可克服冰川表面复杂地物散射环境下传统雷达影像目标点识别、控制点选取困难的情况；无需在监测区域布设人工角反射器等作为控制点，可有效避免使用角反射器作为控制点带来的坐标难以精确测定的缺陷，大大减轻了工作强度；该冰川流速监测系统可实现亚像元级的投影精度，可应用于GB-SAR冰川流速监测的精确三维解译和时空规律分析，大大增强了本方法的适用性。
2.由于GB-SAR成像特殊的扇形投影方式导致影像坐标具有距离向分辨率固定、方位向分辨率随观测距离的增加而降低的特性，监测方法以雷达成像基本原理为出发点，即不论在何种坐标系中，地物目标点至地基雷达中心点的欧式距离相等，本监测方法采用精密工程测量的方式进行全局控制测量，测量地基雷达中心与导轨坐标方位角，并直接与整个区域UAV航测像控点或区域控制网联解，可精确求解地基雷达中心点在三维坐标系统中的坐标和两坐标轴系水平转角。其坐标精度可达毫米级，角度测量精度可达0.5秒，能够满足地基雷达冰川流速高精度动态监测的需要。
附图说明
本发明将通过例子并参照附图的方式说明，其中：
图1是本发明的流程图；
图2是本发明的解空间搜索坐标编码示意图；
图3是本发明的实例结果示意图；
图4是本发明的监测目标点动态跟踪监测时序结果示意图；
图5是本发明的冰川流速监测系统专题分析图。
具体实施方式
本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。
下面结合图1-图5对本发明作详细说明。
实施例一：
一种地基雷达冰川流速高精度监测方法，包括以下步骤：
步骤S1：结合无人机航测数据与地基雷达监测站点的布设数据，建立GB-SAR二维坐标系到三维坐标系统的转换模型，实现GB-SAR视线向监测系统与目标三维系统的框架的统一；
步骤S2：基于解空间搜索匹配方法的GB-SAR监测数据高精度地理编码，实现监测目标点坐标的精确测定；
步骤S3：基于GB-SAR高精度监测数据的冰川流速信息的动态提取，完成冰川地物散射环境下监测目标点的跟踪识别。
所述步骤S1的具体步骤为：
步骤S11：确定GB-SAR二维坐标系中各坐标要素在需要转换的三维坐标系中的位置及方位，确定GB-SAR雷达中心点及雷达布设的导轨坐标方位角；
步骤S12：将GB-SAR雷达中心点、雷达布设方位角坐标与UAV航测像控点或区域控制网联解，得到GB-SAR雷达中心点在三维坐标系统中的坐标和Y坐标轴、N坐标轴的水平转角，完成监测系统与目标三维系统的框架统一。
所述步骤S2的具体步骤为：
步骤S21：根据监测需求设定地理编码模型的角度分辨率和距离分辨率；
步骤S22：在步骤S21的基础上，基于解空间搜索匹配方法逐一搜索匹配各方向上的距离，并将最小距离匹配的雷达二维坐标系的像元点赋值到三维坐标系统。
所述步骤S3的具体步骤为：
步骤S31：在步骤S2的基础上，针对监测目标点或兴趣点进行单一目标时序曲线实时生成并跟踪监测；
步骤S32：提取整个监测区域形变，生成冰川监测全域流速信息。
本实施例中用于上述方法的一种地基雷达冰川流速高精度监测方法系统，包括模型转换模块、地理编码模块和动态提取模块，所述模型转换模块连接地理编码模块，地理编码模块连接动态提取模块。
其中模型转换模块用于建立GB-SAR二维坐标系到三维坐标系统的转换模型；地理编码模块用于GB-SAR监测数据高精度地理编码，以实现监测目标点坐标的精确测定；动态提取模块用于提取基于GB-SAR高精度监测数据的冰川流速信息的动态，完成冰川地物散射环境下监测目标点的跟踪识别。其中地理编码模块中的地理编码流程与坐标确定是模型转换模块中得到的三维坐标系统，动态提取模块中的单一目标时序曲线实时生成并跟踪检测的目标点的坐标通过地理编码模块得到。
在步骤S1中，为实现对GB-SAR冰川流速高精度监测结果地理编码，首先精确测定各坐标要素在目标坐标系统中的精确位置及方位等信息，可通过GNSS/全站仪精确测定，要素测量工作主要包括影像地面控制点(PCP)测量和GB-SAR布设点位精测。
因实际工作的需求不同，目标坐标系统一般也具有一定的特殊性和独立性，通过测量影像地面控制点可使UAV航测的解算成果归算至目标坐标系，并作为后续坐标转换的基础支撑数据；同时，通过与地面控制点联测，精确测定GB-SAR雷达中心点坐标及雷达布设导轨坐标方位角，方位角亦可在雷达布设时通过测定观测墩定位螺杆中心坐标计算得到，完成以上各要素在目标坐标系统中的统一后，便可进一步开展坐标转换模型的建立。
由于GB-SAR成像特殊的扇形投影方式导致影像坐标具有距离向分辨率固定、方位向分辨率随观测距离的增加而降低的特性，此外，因地基雷达为斜距投影，成像投影面与水平面呈一定的夹角，导致同一地物在两坐标系中的尺度不一致，若实地高程变化过大更会加剧坐标的偏移。雷达视线方向越靠近水平方向坐标偏移越小，地物与雷达中心点高差越大投影偏差越大。
在了解误差来源的基础上，我们以雷达成像基本原理为出发点，即不论在何种坐标系中，地物目标点至地基雷达中心点的欧式距离相等。设地物点P在雷达坐标系G-XY中的坐标为，故而地物点
Figure 765935DEST_PATH_IMAGE001
在雷达坐标系G-XY中可用如下关系式表示：
Figure 586255DEST_PATH_IMAGE002
;
Figure 784018DEST_PATH_IMAGE003
其中，
Figure 534936DEST_PATH_IMAGE004
为P点至雷达中心点G的距离，
Figure 16602DEST_PATH_IMAGE005
为P点到雷达中心线方向的偏角，由于地基雷达扫描角度有限，一般在±50°范围内，实际转换时可限定
Figure 194774DEST_PATH_IMAGE005
值域以减小计算量，提高转化效率，如
Figure 879833DEST_PATH_IMAGE006
。
设地物点P在三维坐标系统O-ENZ中的坐标为
Figure 259210DEST_PATH_IMAGE007
，地基雷达中心点G在O-ENZ中的坐标为
Figure 80536DEST_PATH_IMAGE008
，地物点P在三维坐标系统中可表示为如下关系式：
Figure 491925DEST_PATH_IMAGE009
；
Figure 851231DEST_PATH_IMAGE010
；
其中，
Figure 740690DEST_PATH_IMAGE011
为地物点P与雷达中心点G的欧式距离，
Figure 682101DEST_PATH_IMAGE012
为GP的水平面投影象限角。
确立地物点在两坐标系中对应的距离和角度信息后，需在距离相等的基础上进一步对角度关系进行匹配，建立联系方程组，为后期距离解空间搜索匹配提供数学基础。由于布设地基雷达时雷达视线的朝向(Y坐标轴方向)与三维坐标系统北方向(N坐标轴方向)不一致，因此需进行坐标轴系关系求解。
Figure 998813DEST_PATH_IMAGE013
为两坐标轴系水平转角，通常可利用公共点进行计算。实际监测中，采取布设角反射器并测量出角反射器的三维空间坐标，并在雷达影像中识别出相应的点位并进行计算，该方法虽操作简便，但局限性较大，有反射回波不好识别，分辨率较低，人工判读依赖性大等缺点，很难实现精确的水平转角计算。
本方法采用精密工程测量的方式进行全局控制测量，测量地基雷达中心与导轨方位角，并直接与整个区域UAV航测像控点或区域控制网联解，可精确求解地基雷达中心点在三维坐标系统中的坐标和两坐标轴系水平转角
Figure 409197DEST_PATH_IMAGE013
。其坐标精度可达毫米级，角度测量精度可达0.5″，完全能够满足地基雷达的精准坐标转换需要。
通过以上轴系关系求解，可联立坐标转换方程组如下：
Figure 836767DEST_PATH_IMAGE014
；
即：
Figure 898264DEST_PATH_IMAGE015
整体关系式变为由GB-SAR二维雷达影像坐标系中像元
Figure 651456DEST_PATH_IMAGE016
求得其在三维坐标系统中对应的像元
Figure 985355DEST_PATH_IMAGE017
的过程，其中坐标轴系角度关系式中的±号由GB-SAR在三维坐标系统中的布设方位象限决定。
在步骤S2中，采用传统方式很难求解海量的转换数据，对于该点，可通过PC端，使用解空间搜索的方式按最小距离准则寻求雷达坐标像元P对应的三维地方坐标。
首先根据项目实际监测分辨率需求，设定转换模型的角度分辨率及距离分辨率。因GB-SAR分辨率(距离向约0.5 m，方位向约4 mrad)低于UAV航测成果DSM格网分辨率，故一般将GB-SAR进行过采样或将DSM进行降采样以适配格网分辨率，经此处理后可减少斑点噪声的干扰。在此基础上，根据格网大小逐一求解DSM中各像元中心到雷达中心的距离集合
Figure 216616DEST_PATH_IMAGE018
和象限角集合
Figure 867040DEST_PATH_IMAGE019
，GB-SAR中像元至雷达中心的距离集合
Figure 541866DEST_PATH_IMAGE020
及像元偏离雷达中心线偏角集合
Figure 176110DEST_PATH_IMAGE021
。最后，在角度匹配的基础上，采用距离最小原则，逐一匹配该方向上的距离，并将距离匹配的雷达二维坐标系像元点赋值至三维坐标系统坐标，达到坐标编码的目的。
此外，为降低搜索工作量和提高匹配精度，可根据地基雷达布设当地的实际情况设置搜索范围和设置距离淘汰阈值：若该角度方位向上无有效距离值匹配，则进一步在该点方位向上设定的角度阈值范围内进行距离解空间搜索，搜索匹配方法原理如图2所示。
为精确求取雷达影像坐标系中像元P(X, Y)在地方三维坐标系中的对应坐标值P(E, N, Z)，在前文坐标框架统一的基础上，通过几何关系匹配，可以确定雷达像元点P所对应的DSM三维地形剖面。逐一匹配该剖面上DSM像元至雷达中心的距离，求取搜索阈值内距离最小的值为最优解。
搜索阈值设置如图2所示，
Figure 211062DEST_PATH_IMAGE022
、
Figure 715993DEST_PATH_IMAGE023
、
Figure 263517DEST_PATH_IMAGE024
分别为距离向搜索阈值、方位向搜索阈值，以及高程搜索阈值。搜索阈值可根据实际监测需要自定义设置，超出该区域的距离匹配解将被淘汰。一般监测实例中，
Figure 385057DEST_PATH_IMAGE022
、
Figure 958121DEST_PATH_IMAGE023
应与雷达/DSM格网分辨率相适应，数量级统一。为解空间搜索更加全面，
Figure 333870DEST_PATH_IMAGE024
可默认为整个剖面高程值域，即搜索匹配该波束方向上所有DSM高程点，选取距离地基雷达传感器中心最小距离值对应的像元点作为最优匹配点，依此方式对所有雷达影像像元逐一搜索匹配，实现地基雷达影像的高精度地理编码。本方法基于地基雷达冰川流速高精度监测系统验证实例监测结果如图3所示。
最后，对GB-SAR监测投影结果误差进行计算，定量评估其精度。地理编码精度指标分为距离向误差和方位向误差。其基本方法为将经前文解空间搜索匹配方法匹配后的地方三维坐标系中对应的像元
Figure 599766DEST_PATH_IMAGE025
分别与原始GB-SAR影像中的像元P做差分计算，分别计算每个像元在距离向与方位向误差，从而实现每个像元精度指标的定量评估。最终再统计所有像元的精度指标，评估地理编码的整体精度，计算公式如下所示。
Figure 880706DEST_PATH_IMAGE026
其中，
Figure 772307DEST_PATH_IMAGE027
为距离向编码误差，
Figure 517410DEST_PATH_IMAGE028
为方位向编码误差，
Figure 954207DEST_PATH_IMAGE029
为GB-SAR像元P经解空间搜索地理编码后在地方三维坐标系中的像元
Figure 519181DEST_PATH_IMAGE030
至雷达中心G的距离，
Figure 184779DEST_PATH_IMAGE031
为像元
Figure 987650DEST_PATH_IMAGE030
在三维坐标系中对应的象限角。
在步骤S3中，我们基于高精度监测结果地理编码，可实现监测目标点/兴趣点的动态高精度识别跟踪。将基于地基雷达冰川流速高精度监测方法进行系统化，实现点目标的实时动态跟踪监测和冰川区域流速形变场的专题信息提取。
对于监测点目标，首先通过识别其方位、色彩、纹理等信息，在航测影像三维成果中提取其三维坐标，基于步骤S2高精度冰川目标坐标编码，查询到其对应的GB-SAR像元，提取其高精度时序曲线。由于GB-SAR具有较高的监测时间间隔，最高可达2分钟，采用本监测方法，可实时提取其位移时间序列，达到动态实时监测的目的。点目标动态监测时序曲线如图4所示。
对于整个监测区域，采用本监测系统，其实时高精度流速监测数据不仅能够准确滑动冰川流动区域边界与空间分布，更能在时域上直观地反映冰川流动速度变化地全过程，这对于冰川表面流速场分析和其运动消融分析提供了精确地专题数据。冰川流速场专题信息提取结果如图5所示。本发明基于地基雷达冰川流速高精度监测系统具有较好地应用前景。以上所述实施例仅表达了本申请的具体实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本申请保护范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请技术方案构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。

Claims (3)

1.一种地基雷达冰川流速高精度监测方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤S1：结合无人机航测数据与地基雷达监测站点的布设数据，建立GB-SAR二维坐标系到三维地方坐标系的转换模型，实现GB-SAR视线向监测系统与目标三维系统的框架的统一；
步骤S2：基于解空间搜索匹配方法的GB-SAR监测数据高精度地理编码，实现监测目标点坐标的精确测定；
步骤S3：基于GB-SAR高精度监测数据的冰川流速信息的动态提取，完成冰川地物散射环境下监测目标点的跟踪识别；
所述步骤S1的具体步骤为：
步骤S11：确定GB-SAR二维坐标系中各坐标要素在需要转换的三维坐标系统中的位置及方位，确定GB-SAR雷达中心点及GB-SAR雷达布设的导轨坐标方位角；
步骤S12：将GB-SAR雷达中心点、导轨坐标方位角与UAV航测像控点或区域控制网联解，得到GB-SAR雷达中心点在三维地方坐标系中的坐标和Y坐标轴、N坐标轴的水平转角，完成监测系统与目标三维系统的框架统一；
所述步骤S2的具体步骤为：
步骤S21：根据监测需求设定地理编码模型的角度分辨率和距离分辨率；
步骤S22：在步骤S21的基础上，基于解空间搜索方法逐一搜索匹配各方向上的距离，并将最小距离匹配的雷达二维坐标系的像元点赋值到三维地方坐标系。
2.根据权利要求1所述的一种地基雷达冰川流速高精度监测方法，其特征在于，所述步骤S3的具体步骤为：
步骤S31：在步骤S2的基础上，针对监测目标点或兴趣点进行单一目标时序曲线实时生成并跟踪监测；
步骤S32：提取整个监测区域形变，生成冰川监测全域流速信息。
3.一种应用权利要求1至2之一所述一种地基雷达冰川流速高精度监测方法的系统，其特征在于，包括模型转换模块、地理编码模块和动态提取模块，所述模型转换模块连接地理编码模块，地理编码模块连接动态提取模块。
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