CN114924270A - 基于GNSS的InSAR形变监测基准建立方法及装置 - Google Patents

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CN114924270A CN202210610573.0A CN202210610573A CN114924270A CN 114924270 A CN114924270 A CN 114924270A CN 202210610573 A CN202210610573 A CN 202210610573A CN 114924270 A CN114924270 A CN 114924270A
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Abstract

本发明实施例涉及一种基于GNSS的InSAR形变监测基准建立方法及装置，该方法包括步骤：获取无地面形变先验信息的PS目标点的第一形变信息；利用所述第一形变信息对PS目标点进行分级与标定；根据所述分级与标定的结果，计算PS目标点的线性形变速率和高程修正值；将标定后的PS目标点作为InSAR形变起算基准建立InSAR形变监测基准。该技术方案利用GNSS长期连续形变监测信息作为先验信息，对InSAR中PS目标点进行参考点的准确、快速识别以及稳定性分级与速率标定，将标定后的PS点纳入PS基线函数模型和PS网平差模型，获得附有地面信息的PSInSAR形变场，保障形变基准参考点的客观性、可靠性和统一性。

Description

基于GNSS的InSAR形变监测基准建立方法及装置
技术领域
本发明实施例涉及大地测量形变监测技术领域，尤其涉及一种基于GNSS的InSAR形变监测基准建立方法及装置。
背景技术
高精度干涉合成孔径雷达(Interferometric Synthetic Aperture Radar，以下简称“InSAR”)形变监测在大地测量、工程测量、地球变化监测、地球系统科学等领域具有巨大应用前景，已广泛应用于工程形变监测和各种灾害监测，如城市地表沉降、矿区形变监测、震后形变监测等。由于InSAR直接监测量为视线方向形变，且InSAR卫星轨道倾角较为单一，卫星数目也有限，导致InSAR监测三维地表形变的可靠性受到广泛关注。
目前InSAR在大范围工程化应用中主要存在以下问题：由于形变参考基准相对独立而引发系统偏差，呈现出跨区域形变监测基准不统一问题。如何全面利用地面全球导航卫星系统(Global Navigation Satellite System，以下简称“GNSS”)基准站网长期连续观测、高精度、高时间分辨率的优势，实现InSAR跨影像、跨区域全国范围形变监测参考基准的统一，提高InSAR绝对形变监测精度，避免目前InSAR自限性参考点选取带来的系统偏差，是目前亟待解决的问题。
发明内容
基于现有技术的上述情况，本发明实施例的目的在于提供一种基于GNSS的InSAR形变监测基准建立方法及装置，利用地面高精度连续观测GNSS技术，以InSAR稳定自然/人造永久散射体(Persistent Scatterers，以下简称“PS”)点为纽带，构建InSAR PS基线网和GNSS等大地监测网联合组网解算模型，从而建立大范围全尺度InSAR统一参考的形变基准。
为达到上述目的，根据本发明的一个方面，提供了一种基于GNSS的InSAR形变监测基准建立方法，包括：
S101、利用InSAR数据获取无地面形变先验信息的PS目标点的第一形变信息；
S102、基于GNSS数据，利用所述第一形变信息对PS目标点进行分级与标定；
S103、根据所述分级与标定的结果，计算PS目标点的线性形变速率和高程修正值；
S104、将标定后的PS目标点作为InSAR形变起算基准建立InSAR形变监测基准。
进一步的，所述步骤S101中，利用振幅和相位联合阈值法，获得PS目标点的第一形变信息。
进一步的，所述步骤S102中，分级与标定包括：
S1021、从区域三维形变场获取雷达视线方向上PS目标点的第二形变信息；
S1022、计算所述第一形变信息与第二形变信息的相关系数；
S1023、根据所述相关系数，对该PS目标点进行分级，并对该PS目标点进行速率标定，以求得形变速率之差Δvij。
进一步的，所述分级包括将PS目标点划分为多级稳定点和非稳定点。
进一步的，所述步骤S1023中，采用如下约束公式进行速率标定，以求得形变速率之差Δvij：
PS目标点形变速率差标定：
Figure BDA0003671871880000021
一级稳定PS目标点绝对形变速率标定：
Figure BDA0003671871880000022
其中，Δvi,j为干涉图中邻域PS目标点i和j之间的形变速率之差；vl为干涉图中PS目标点l的速率；λ11、λ12、λ21和λ22为权因子，且λ11+λ12＝1,λ21+λ22＝1；
Figure BDA0003671871880000023
为InSAR获取的雷达视线方向上的i与j之间形变速率差；
Figure BDA0003671871880000024
Figure BDA0003671871880000025
为GNSS获取的雷达视线方向上的i与j之间形变速率差；
Figure BDA0003671871880000026
为InSAR获取的雷达视线方向上的形变速率；
Figure BDA0003671871880000031
为GNSS获取的雷达视线方向上的形变速率。
进一步的，所述步骤S103中，计算PS目标点的线性形变速率和高程修正值，包括：
S1031、计算附有先验形变约束的PS网所有基线差分参数解；
S1032、利用所述差分参数解获得PS目标点的线性形变速率和高程修正值的最优解。
进一步的，所述步骤S1031中，利用基于干涉相位邻域PS点差分相位基本函数模型计算附有先验形变约束的PS网所有基线差分参数解；其中，所述基于干涉相位邻域PS点差分相位基本函数模型为：
Figure BDA0003671871880000032
其中，
Figure BDA0003671871880000033
为干涉图中邻域PS目标点i和j之间高程误差之差，Δvij为干涉图中邻域PS目标点i和j之间的形变速率之差；
Figure BDA0003671871880000034
为干涉相位邻域PS点差分相位；
Figure BDA0003671871880000035
为干涉图中邻域PS目标点i和j之间大气等残余相位之差，λ为雷达波长，R为雷达到地面点的距离，θ为雷达视角，Bk和Tk分别为第k个干涉像对的垂直空间基线和时间基线；
利用基于干涉相位邻域PS点差分相位基本函数模型计算附有先验形变约束的PS网所有基线差分参数解，包括步骤：
将已知的
Figure BDA0003671871880000036
值和求得的Δvij作为已知参数，纳入上述基本函数模型，以求解获得附有先验形变约束的PS网所有基线差分参数解
Figure BDA0003671871880000037
和
Figure BDA0003671871880000038
其中，Δvij通过PS-InSAR数据处理中的解空间搜索求得。
进一步的，所述步骤S1032中，利用所述差分参数解获得PS目标点的线性形变速率和高程修正值的最优解，包括：
将所述求得所有基线差分参数解
Figure BDA0003671871880000039
和
Figure BDA00036718718800000310
作为已知量，反带回所述基本函数模型，求取所有的
Figure BDA00036718718800000311
和Δvij值。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，
所述约束条件为：
Figure BDA0003671871880000041
其中，T为参考点的数量，G为其余T-1个参考点基线设计矩阵，WT为其已知的先验信息。
10.一种基于GNSS的InSAR形变监测基准建立装置，其特征在于，包括第一形变信息获取模块、分级与标定模块、计算模块、以及形变监测基准建立模块；其中，
所述第一形变信息获取模块，用于获取无地面形变先验信息的PS目标点的第一形变信息；
所述分级与标定模块，用于利用所述第一形变信息对PS目标点进行分级与标定；
所述计算模块，用于根据所述分级与标定的结果，计算PS目标点的线性形变速率和高程修正值
所述形变监测基准建立模块，用于将标定后的PS目标点作为InSAR形变起算基准建立InSAR形变监测基准。
综上所述，本发明实施例提供了一种基于GNSS的InSAR形变监测基准建立方法及装置，该方法包括步骤：S101、获取无地面形变先验信息的PS目标点的第一形变信息；S102、利用所述第一形变信息对PS目标点进行分级与标定；S103、根据所述分级与标定的结果，计算PS目标点的线性形变速率和高程修正值。本发明实施例提供的技术方案，利用GNSS长期连续形变监测信息作为先验信息，对InSAR中PS目标点进行参考点的准确、快速识别以及稳定性分级与速率标定，基于自适应窗口滑动方法对InSAR/GNSS同期形变时间序列进行快速联合分析与标校，将标定后的PS点纳入PS基线函数模型和PS网平差模型，获得附有地面信息的PSInSAR形变场，实现基于海量永久散射体快速分析及其形变参考点的准确优选，保障形变基准参考点的客观性、可靠性和统一性。
附图说明
图1是本发明实施例提供的基于GNSS的InSAR形变监测基准建立方法的流程图；
图2是本发明实施例中PS目标点的分级与标定的流程图；
图3是本发明实施例中计算PS目标点的线性形变速率和高程修正值的流程图；
图4是本发明实施例提供的基于GNSS的InSAR形变监测基准建立装置的构成框图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面结合具体实施方式并参照附图，对本发明进一步详细说明。应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。
需要说明的是，除非另外定义，本发明一个或多个实施例使用的技术术语或者科学术语应当为本公开所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本发明一个或多个实施例中使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。“包括”或者“包含”等类似的词语意指出现该词前面的元件或者物件涵盖出现在该词后面列举的元件或者物件及其等同，而不排除其他元件或者物件。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电性的连接，不管是直接的还是间接的。“上”、“下”、“左”、“右”等仅用于表示相对位置关系，当被描述对象的绝对位置改变后，则该相对位置关系也可能相应地改变。
下面对结合附图对本发明的技术方案进行详细说明。本发明的实施例中，提供了一种基于GNSS的InSAR形变监测基准建立方法，该方法的流程图如图1所示，包括如下步骤：
S101、利用InSAR数据获取无地面形变先验信息的PS目标点的第一形变信息。该步骤中，可以利用振幅和相位联合阈值法，获得初始PS目标点，即无地面形变先验信息的PS目标点的第一形变信息。
S102、基于GNSS数据，利用所述第一形变信息对PS目标点进行分级与标定。图2中示出了该实施例中PS目标点的分级与标定的流程图，利用PS目标点的第一形变信息与先验GNSS地面第二形变信息的相关系数的大小，判断PS点与先验信息的符合精度，在此基础上，将PS点划分为一级、二级、……等多级稳定点，以及非稳定点。稳定点严格符合PS点稳定假设，非稳定点可视为非线性形变监测点。该分级与标定的流程可以通过如下步骤实现：
S1021、从区域三维形变场获取雷达视线方向上PS目标点的第二形变信息。该步骤中，可以根据GNSS长期连续观测获得的地面形变作为先验模型，通过该先验模型获取雷达视线方向上PS目标点的第二形变信息。
S1022、计算所述第一形变信息与第二形变信息的相关系数。
Figure BDA0003671871880000061
其中，r表示第一形变信息与第二形变信息的相关系数，
S1023、根据所述相关系数，对该PS目标点进行稳定性分级，并对该PS目标点进行速率标定。该稳定性分级可以将PS目标点划分为一级、二级、……等多级稳定点和非稳定点，其中级数越低标识该PS目标点的稳定性越高。以划分为三级稳定点和非稳定点为例，当所计算的相关系数未超过第一阈值时，将该PS目标点划分为不稳定点；当所计算的相关系数超过第一阈值但未超过第二阈值时，将该PS目标点划分为三级稳定点；当所计算的相关系数超过第二阈值但未超过第三阈值时，将该PS目标点划分为二级稳定点；当所计算的相关系数超过第三阈值时，将该PS目标点划分为一级稳定点。稳定点的级数以及各级阈值均可以根据实际需要设置。通过上述基于区域三维形变场的参考基准进行稳定性分级的步骤，可以识别出具有高级别稳定性的PS目标点，以建立PS基线网与GNSS站网的有效连接。以GNSS地面长期连续的先验形变信息为参考，进行不同级别PS点的标定，针对高等级稳定PS目标点赋予可靠的地面先验形变基准，对邻域PS目标点的形变速率差和PS目标点的绝对形变进行分别标定。可以采用以下约束方法实现标定：
PS目标点形变速率差标定：
Figure BDA0003671871880000071
一级稳定PS目标点绝对形变速率标定：
Figure BDA0003671871880000072
其中，Δvi,j为干涉图中邻域PS目标点i和j之间的形变速率之差；vl为干涉图中PS目标点l的速率；λ11、λ12、λ21和λ22为权因子，且λ11+λ12＝1,λ21+λ22＝1；
Figure BDA0003671871880000073
为InSAR获取的雷达视线方向上的i与j之间形变速率差；
Figure BDA0003671871880000074
为GNSS获取的雷达视线方向上的i与j之间形变速率差；
Figure BDA0003671871880000075
为InSAR获取的雷达视线方向上的形变速率；
Figure BDA0003671871880000076
为GNSS获取的雷达视线方向上的形变速率。通过准确标定PS目标点，可以为PS基线解算、网平差提供更多先验信息，也可为InSAR大气误差的估计提供更多的多余观测信息。
S103、根据所述分级与标定的结果，计算PS目标点的线性形变速率和高程修正值。图3中示出了计算PS目标点的线性形变速率和高程修正值的流程图。
S1031、计算附有先验形变约束的PS网所有基线差分参数解。该步骤S1031中，利用基于干涉相位邻域PS点差分相位基本函数模型计算附有先验形变约束的PS网所有基线差分参数解。附有先验形变约束的基线差分参数解算，顾及同一影像内大气状态的自相关特性，从空间尺度对邻域PS干涉相位再次差分，能在一定程度上减弱大气相位延迟的影响。基于干涉相位邻域PS点差分相位基本函数模型为：
Figure BDA0003671871880000077
其中，
Figure BDA0003671871880000078
为干涉图中邻域PS目标点i和j之间高程误差之差，Δvij为干涉图中邻域PS目标点i和j之间的形变速率之差；
Figure BDA0003671871880000081
为干涉相位邻域PS点差分相位；
Figure BDA0003671871880000082
为干涉图中邻域PS目标点i和j之间大气等残余相位之差，λ为雷达波长，R为雷达到地面点的距离，θ为雷达视角，Bk和Tk分别为第k个干涉像对的垂直空间基线和时间基线。该步骤中利用基于干涉相位邻域PS点差分相位基本函数模型计算附有先验形变约束的PS网所有基线差分参数解，包括步骤：
将求得的
Figure BDA0003671871880000083
值和已知的Δvij作为已知参数，纳入上述基本函数模型，以求解获得附有先验形变约束的PS网所有基线差分参数解
Figure BDA0003671871880000084
和
Figure BDA0003671871880000085
其中，Δvij可以通过PS-InSAR数据处理中的解空间搜索求得，属于本领域通用的求解方法。
上述求解过程中，在基于干涉相位邻域PS点差分相位基本函数模型中增加约束条件，该约束条件为：
GX＝WT＝O
Figure BDA0003671871880000086
其中，T为参考点的数量，G为其余T-1个参考点基线设计矩阵，WT为其已知的先验信息。从而可以获得PS点线性形变速率、高程修正值的最优解。
S1032、利用所述差分参数解获得PS目标点的线性形变速率和高程修正值的最优解，包括：将所述求得所有基线差分参数解
Figure BDA0003671871880000087
和
Figure BDA0003671871880000088
作为已知量，反带回所述基本函数模型，求取所有的
Figure BDA0003671871880000089
和Δvij值。
S104、将标定后的PS目标点作为InSAR形变起算基准建立InSAR形变监测基准。
本发明的实施例，还提供了一种基于GNSS的InSAR形变监测基准建立装置，该装置的构成框图如图4所示，包括第一形变信息获取模块、分级与标定模块、以及计算模块。
第一形变信息获取模块，用于获取无地面形变先验信息的PS目标点的第一形变信息。
分级与标定模块，用于利用所述第一形变信息对PS目标点进行分级与标定。
计算模块，用于根据所述分级与标定的结果，计算PS目标点的线性形变速率和高程修正值。
形变监测基准建立模块，用于将标定后的PS目标点作为InSAR形变起算基准建立InSAR形变监测基准。
本发明该实施例提供的基于GNSS的InSAR形变监测基准建立装置中，各模块实现其功能的具体过程与本发明上述实施例提供的基于GNSS的InSAR形变监测基准建立方法的各步骤相同，在此不再一一赘述。
综上所述，本发明实施例涉及一种基于GNSS的InSAR形变监测基准建立方法及装置，该方法包括步骤：S101、获取无地面形变先验信息的PS目标点的第一形变信息；S102、利用所述第一形变信息对PS目标点进行分级与标定；S103、根据所述分级与标定的结果，计算PS目标点的线性形变速率和高程修正值；S104、将标定后的PS目标点作为InSAR形变起算基准建立InSAR形变监测基准。本发明实施例提供的技术方案，利用GNSS长期连续形变监测信息作为先验信息，对InSAR中PS目标点进行参考点的准确、快速识别以及稳定性分级与速率标定，基于自适应窗口滑动方法对InSAR/GNSS同期形变时间序列进行快速联合分析与标校，将标定后的PS点纳入PS基线函数模型和PS网平差模型，获得附有地面信息的PSInSAR形变场，实现基于海量永久散射体快速分析及其形变参考点的准确优选，保障形变基准参考点的客观性、可靠性和统一性。
应当理解的是，以上任何实施例的讨论仅为示例性的，并非旨在暗示本发明的范围(包括权利要求)被限于这些例子；在本发明的思路下，以上实施例或者不同实施例中的技术特征之间也可以进行组合，步骤可以以任意顺序实现，并存在如上所述的本发明一个或多个实施例的不同方面的许多其它变化，为了简明它们没有在细节中提供。本发明的上述具体实施方式仅仅用于示例性说明或解释本发明的原理，而不构成对本发明的限制。因此，在不偏离本发明的精神和范围的情况下所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。此外，本发明所附权利要求旨在涵盖落入所附权利要求范围和边界、或者这种范围和边界的等同形式内的全部变化和修改例。

Claims (10)

1.一种基于GNSS的InSAR形变监测基准建立方法，其特征在于，包括：
S101、利用InSAR数据获取无地面形变先验信息的PS目标点的第一形变信息；
S102、基于GNSS数据，利用所述第一形变信息对PS目标点进行分级与标定；
S103、根据所述分级与标定的结果，计算PS目标点的线性形变速率和高程修正值；
S104、将标定后的PS目标点作为InSAR形变起算基准建立InSAR形变监测基准。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤S101中，利用振幅和相位联合阈值法，获得PS目标点的第一形变信息。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤S102中，分级与标定包括：
S1021、从区域三维形变场获取雷达视线方向上PS目标点的第二形变信息；
S1022、计算所述第一形变信息与第二形变信息的相关系数；
S1023、根据所述相关系数，对该PS目标点进行分级，并对该PS目标点进行速率标定，以求得形变速率之差Δvij。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述分级包括将PS目标点划分为多级稳定点和非稳定点。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述步骤S1023中，采用如下约束公式进行速率标定，以求得形变速率之差Δvij：
PS目标点形变速率差标定：
Figure FDA0003671871870000011
一级稳定PS目标点绝对形变速率标定：
Figure FDA0003671871870000012
其中，Δvi,j为干涉图中邻域PS目标点i和j之间的形变速率之差；vl为干涉图中PS目标点l的速率；λ11、λ12、λ21和λ22为权因子，且λ11+λ12＝1,λ21+λ22＝1；
Figure FDA0003671871870000021
为InSAR获取的雷达视线方向上的i与j之间形变速率差；
Figure FDA00036718718700000212
Figure FDA0003671871870000022
为GNSS获取的雷达视线方向上的i与j之间形变速率差；
Figure FDA0003671871870000023
为InSAR获取的雷达视线方向上的形变速率；
Figure FDA0003671871870000024
为GNSS获取的雷达视线方向上的形变速率。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述步骤S103中，计算PS目标点的线性形变速率和高程修正值，包括：
S1031、计算附有先验形变约束的PS网所有基线差分参数解；
S1032、利用所述差分参数解获得PS目标点的线性形变速率和高程修正值的最优解。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述步骤S1031中，利用基于干涉相位邻域PS点差分相位基本函数模型计算附有先验形变约束的PS网所有基线差分参数解；其中，
所述基于干涉相位邻域PS点差分相位基本函数模型为：
Figure FDA0003671871870000025
其中，
Figure FDA0003671871870000026
为干涉图中邻域PS目标点i和j之间高程误差之差，Δvij为干涉图中邻域PS目标点i和j之间的形变速率之差；
Figure FDA0003671871870000027
为干涉相位邻域PS点差分相位；
Figure FDA0003671871870000028
为干涉图中邻域PS目标点i和j之间大气等残余相位之差，λ为雷达波长，R为雷达到地面点的距离，θ为雷达视角，Bk和Tk分别为第k个干涉像对的垂直空间基线和时间基线；
利用基于干涉相位邻域PS点差分相位基本函数模型计算附有先验形变约束的PS网所有基线差分参数解，包括步骤：
将已知的
Figure FDA0003671871870000029
值和求得的Δvij作为已知参数，纳入上述基本函数模型，以求解获得附有先验形变约束的PS网所有基线差分参数解
Figure FDA00036718718700000210
和
Figure FDA00036718718700000211
其中，Δvij通过PS-InSAR数据处理中的解空间搜索求得。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述步骤S1032中，利用所述差分参数解获得PS目标点的线性形变速率和高程修正值的最优解，包括：
将所述求得所有基线差分参数解
Figure FDA0003671871870000031
和
Figure FDA0003671871870000032
作为已知量，反带回所述基本函数模型，求取所有的
Figure FDA0003671871870000033
和Δvij值。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，
所述约束条件为：
Figure FDA0003671871870000034
其中，T为参考点的数量，G为其余T-1个参考点基线设计矩阵，WT为其已知的先验信息。
10.一种基于GNSS的InSAR形变监测基准建立装置，其特征在于，包括第一形变信息获取模块、分级与标定模块、计算模块、以及形变监测基准建立模块；其中，
所述第一形变信息获取模块，用于获取无地面形变先验信息的PS目标点的第一形变信息；
所述分级与标定模块，用于利用所述第一形变信息对PS目标点进行分级与标定；
所述计算模块，用于根据所述分级与标定的结果，计算PS目标点的线性形变速率和高程修正值
所述形变监测基准建立模块，用于将标定后的PS目标点作为InSAR形变起算基准建立InSAR形变监测基准。
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