CN114185048A - 地基InSAR提取滑坡位移向量的方法、系统及存储介质 - Google Patents
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Abstract
Description
技术领域
本发明涉及合成孔径雷达技术领域,尤其涉及一种基于单视图像的地基InSAR沿最大坡度方向提取滑坡位移向量的方法、系统及存储介质。
背景技术
地基干涉合成孔径雷达(Interferometric Synthetic Aperture Radar,InSAR)是一种有效的边坡稳定监测遥感技术手段,相比星载、机载干涉合成孔雷达和三维激光、摄影测量等手段,具有远距离非接触监测、形变测量精度高、数据更新率高、不受气候光照影响等优点,成为灾害隐患现场持续监测和早期预警的重要装备。
但地基InSAR由于其原理性的限制,即测量得到的相位干涉差仅能获取视线(LOS)方向的位移量。而实际滑坡发生的位移方向往往与雷达LOS方向不一致,此时雷达测量到的方向实际上是实际滑坡位移向量在LOS方向的投影。因为这一局限性,地基InSAR往往用于趋势性边坡形变测量,难以对边坡形变进行定量分析。因此,地基InSAR如何获取实际边坡位移大小和方向(或位移向量)一直是研究的热点之一。
传统的获取实际边坡位移向量的方法,在条件许可下,一般可以通过多视图像,也即多个SAR轨道从不同视角对同一场景生成的图像,对同一位置处提取不同视角的位移值,再通过三角运算获得二维或三维位移值,然后合成实际位移向量。多轨图像一般通过同一平台按不同轨道运行、或不同平台按不同轨道运行获得。在地基InSAR应用中,比较典型的包括《一种基于多基地MIMO-SAR的三维形变监测系统》(CN 104849712 A)和《Multi-staticMIMO-SAR Three Dimensional Deformation Measurement System》(10.1109/APSAR.2015.7306212)提出利用三个空间上分布的MIMO雷达对同一场景进行监测,从而通过三角投影关系解算出该场景的三维形变场的方法;但是利用地基InSAR进行边坡监测,特别是对地质灾害进行应急监测的应用中,从成本和部署难度考虑,往往难以布置多个设备或一个设备在多个位置对同一场景进行监测。
在星载InSAR应用中,可以采用多孔径干涉(MAI)技术通过方位向滤波器将SAR孔径分成若干子孔径,并利用子孔径形成方位向的多视图像估计方位和距离二维位移值。但地基SAR孔径很短,即使分为若干子孔径,子孔径的视角变化非常小,实际上方位向估计精度很差;
也有研究表明,采用偏移量跟踪(OT)方法通过时序图像中相邻图像的互相关获取场景在方位和距离二维上亚分辨率级位移,一般位移测量精度可以达到分辨率的1/30到1/10。但由于地基SAR孔径很短,方位向分辨率往往不高(如5mrad方位角分辨率在1公里处对应方位向分辨率5米),此方法位移测量精度无法满足边坡稳定监测毫米级的需求;
在地下采矿引起的地表沉降、冰川移动等特殊情况下,也可以通过基于裂缝发育等先验知识对三维位移进行估计,但该方法对于大多数边坡并不适用。
因此,本领域存在极大不足,考虑到地基InSAR多视图像获取工程上的困难性,亟需一种基于单视图像的地基InSAR提取实际滑坡位移向量的方法、系统,既能够降低成本和部署难度,又能保证测量精度。
发明内容
鉴于上述现有技术的不足之处,本发明提供一种基于单视图像的地基InSAR提取实际滑坡位移向量的方法、系统及存储介质,能够通过LOS方向位移结合三维地形对实际滑坡大小和方向进行估计,且设备成本低和部署难度低,还能保证测量精度。
为了达到上述目的,本发明采取了以下技术方案:
地基InSAR提取实际滑坡位移向量的方法,包括步骤:
作为上述方案进一步的改进,在所述步骤S1中,提取滑坡场景的坡向和坡度时,三维地形的坡度图和坡向图利用GDAL(https://gdal.org)的gdaldem slope/aspect命令生成,或ArcGIS、QGIS相关工具软件获得。
作为上述方案进一步的改进,对获得的滑坡场景的坡度图和坡向图进行平滑滤波,如合适窗大小的均值、高斯等滤波器,以抑制小尺度坡度和坡向带来的噪声。
作为上述方案进一步的改进,在步骤S2中,视线(LOS)方向的获取步骤如下:
本发明还提供一种地基InSAR提取实际滑坡位移向量的系统,包括:
坡向和坡度获取模块,用于获取目标位置的坡向和坡度;
视线(LOS)方向获取模块,用于获取雷达到目标位置的视线(LOS)方向;
本发明还提供一种存储介质,所述存储介质上存储有地基InSAR提取滑坡位移向量的方法,所述地基InSAR提取滑坡位移向量的程序被处理器执行时实现上述地基InSAR提取实际滑坡位移向量的方法的步骤。
需要说明的是,考虑到目标位置的单位向量的三维坐标仅仅与三维地形及雷达位置有关,当监测开始后不再变化,因此可以根据数字高程信息,在监测前对滑坡场景中每一个点从经纬度提取高度,并根据雷达位置生成对应的投影系数,在监测时直接调用即可。
由于本发明采用了以上技术方案,使本申请具备的有益效果在于 :
相较于现有技术,本发明提供的地基InSAR提取滑坡位移向量的方法,首先根据数字高程信息提取滑坡场景中目标位置的坡向和坡度;再基于单视图像的地基InSAR,测量得到雷达到目标位置的视线(LOS)方向位移;最后将步骤S2获得的视线(LOS)方向位移投影到步骤S1中坡向和坡度所确定的最大坡度方向上,从而获得滑坡位移向量。与传统的多轨图像测量雷达LOS方向相比,本发明提供的实际滑坡位移向量提取方法,仅需在现场部署一个雷达,大大减低了现场的部署难度以及整体设备成本,尤其适合地质灾害进行应急监测;与传统的偏移量跟踪(OT)方法相比,地基SAR孔径短对测试结果没有影响,从而避免了由于地基SAR孔径短造成的位移测量精度不高的问题,也即,提高了实际滑坡位移向量的测量精度。
具体实施方式
基于本发明中的实施例,本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例,都属于本发明保护的范围。
另外,本发明各个实施例之间的技术方案可以相互结合,但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础,当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在,也不在本发明要求的保护范围之内。
以下对本发明作进一步描述:
实施例1:
大部分滑坡是在重力作用下发生和发展的,特别滑坡的初始变形和等速变形阶段中重力往往是主要影响因素,而这两个阶段是地基InSAR边坡稳定监测的重要对象,因为地基InSAR的亚毫米精度和分钟级数据更新率非常适用于识别早期稳定性隐患。而此类滑坡的一个重要特点是,位移向量往往与边坡的最大坡度方向一致,即滑坡沿最大坡度方向进行,基于此,在重力性滑坡的早期阶段,本发明提供一种地基InSAR提取实际滑坡位移向量的方法,包括步骤:
S1、根据数字高程信息提取滑坡场景中目标位置的坡向和坡度,具体的,提取滑坡场景的坡向和坡度时,三维地形的坡度图和坡向图利用GDAL(https://gdal.org)的gdaldem slope/aspect命令生成,或ArcGIS、QGIS相关工具软件获得,同时对获得的滑坡场景的坡度图和坡向图进行平滑滤波,如合适窗大小的均值、高斯等滤波器对坡度图和坡向图进行平滑滤波,以抑制小尺度坡度和坡向带来的噪声;
本发明提供的地基InSAR提取滑坡位移向量的方法,首先根据数字高程信息提取滑坡场景中目标位置的坡向和坡度;再基于单视图像的地基InSAR,测量得到雷达到目标位置的视线(LOS)方向位移;最后将步骤S2获得的视线(LOS)方向位移投影到步骤S1中坡向和坡度所确定的最大坡度方向上,从而获得实际滑坡位移向量。与传统的多轨图像测量雷达LOS方向相比,本发明提供的实际滑坡位移向量提取方法,仅需在现场部署一个雷达,大大减低了现场的部署难度以及整体设备成本,尤其适合地质灾害进行应急监测;与传统的偏移量跟踪(OT)方法相比,地基SAR孔径短对测试结果没有影响,从而避免了由于地基SAR孔径短造成的位移测量精度不高的问题,也即,提高了实际滑坡位移向量的测量精度。
作为优选的实施例,通过地理角度定义或几何角度定义来获取坡向;坡向以地理角度定义顺时针增加,以正北方向为0°角度;或者坡向以几何角度定义逆时针增加,以东方向为0°角度;且地理角度和几何角度存在以下关系:,其中为目标位置的坡向地理角度,为目标位置的坡向几何角度。
作为优选的实施例,在步骤S2中,所述视线(LOS)方向的获取步骤如下:
需要说明的是,考虑到目标位置的单位向量的三维坐标仅仅与三维地形及雷达位置有关,当监测开始后不再变化,因此可以根据数字高程信息,在监测前对滑坡场景中每一个点从经纬度提取高度,并根据雷达位置生成对应的投影系数,在监测时直接调用即可。
实施例2:
本发明还提供一种地基InSAR提取滑坡位移向量的系统,包括:
坡向和坡度获取模块,用于获取目标位置的坡向和坡度;
视线(LOS)方向获取模块,用于获取雷达到目标位置的视线(LOS)方向;
实施例3:
本发明还提供一种存储介质,所述存储介质上存储有地基InSAR提取滑坡位移向量的程序,所述地基InSAR提取滑坡位移向量程序被处理器执行时实现上述地基InSAR提取实际滑坡位移向量的方法的步骤。
上述存储介质可能包含高速RAM存储器,也可能还包括非易失性存储器(non-volatilememory),例如至少一个磁盘存储器。可以理解的是,存储介质可以为随机存储器(Random Access Memory,RAM)、磁碟、硬盘、固态硬盘(solid state disk,SSD)或者非易失性存储器等各种可以存储程序代码的机器可读介质。
本领域内的技术人员应明白,本发明实施例可提供为方法或存储介质。因此,本发明实施例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,本发明实施例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。
以上是本发明的详细的介绍,本文中应用了具体个例对本发明的原理以及实施方式进行了阐述,以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法以及核心思想。应当指出,对于本技术领域的普通技术人员来说,在不脱离本发明原理的前提下,还可以对本发明进行若干改进和修饰,这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。
Claims (10)
7.根据权利要求1-3任意一项所述的地基InSAR提取滑坡位移向量的方法,其特征在于,所述步骤S1中,提取滑坡场景的坡向和坡度时,三维地形的坡度图和坡向图利用GDAL的gdaldem slope/aspect命令生成,或ArcGIS、QGIS相关工具软件获得。
8.根据权利要求7所述的地基InSAR提取滑坡位移向量的方法,其特征在于,对获得的滑坡场景的坡度图和坡向图进行平滑滤波,以抑制小尺度坡度和坡向带来的噪声。
10.一种存储介质,其特征在于,所述存储介质上存储有如权利要求1-8任意一项所述的地基InSAR提取滑坡位移向量的方法,所述地基InSAR提取滑坡位移向量程序被处理器执行时实现上述地基InSAR提取实际滑坡位移向量的方法的步骤。
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