CN115287984B - 基于星载InSAR的道面平整度评价方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于星载InSAR的道面平整度评价方法及系统，该方法包括：先对InSAR数据进行面域范围的二维插值，然后再叠加到初始剖面数据上得到输入的剖面数据；根据输入的剖面数据建立平整度的初始映射表，最后计算出道面BBI映射表。本发明方法通过对星载InSAR数据的处理后获得道面平整度的映射表，从而能够有效地应用于机场道面的检测。

Description

基于星载InSAR的道面平整度评价方法及系统

技术领域

本发明涉及机场道面平整度的检测，具体地指一种基于星载InSAR的道面平整度评价方法及系统。

背景技术

近年我国大力推进四型机场的建设，对机场飞行区状态监测提出了更高的要求，例如机场道面的平整度，目前以人工和检测车辆为主的测量方式存在数据覆盖量低、耗时耗力的问题，此外检测时还需要封闭场地，从而对航班运行造成影响，等等的问题，难以满足目前绿色机场、智慧机场建设的要求。

发明内容

本发明目的在于克服上述现有技术的不足而提供一种基于星载InSAR的道面平整度评价方法及系统，该方法通过对星载InSAR数据的处理后获得道面平整度的映射表，从而能够有效地应用于机场道面的检测。

实现本发明目的采用的技术方案是一种基于星载InSAR的道面平整度评价方法，该方法包括：

S1、先对InSAR数据进行面域范围的二维插值，然后再叠加到初始剖面数据上得到输入的剖面数据；

S2、根据输入的剖面数据建立平整度的初始映射表；

S3、按照确定的若干个直尺长度，选择其中最小的，然后取第一个剖面数据点作为左端点，根据直尺长度及采样间距计算出直尺右端点；然后从左到右依次取计算点，计算点到左右端点距离的较小值即为隆起长度；计算点高程与直尺在该点的高程之差为隆起高度，根据该处隆起长度计算规范中规定的可接受区域上限与超量区域上限，然后将隆起高度与可接受区域上限作商得到BBI，若该BBI大于1，则进而计算超量区域上限的商，BBI如果大于映射表中已有的数值，则将该次BBI计算的关键参数写入到平整度映射表中；

S4、取下一个计算点，如果不是右端点则按上述S3操作计算该计算点；如果是右端点则退出计算点的循环，取下一个采样点作为左端点，如果该采样点对应直尺长度的右端点达到了最后一个采样点则退出端点的循环，否则计算同长度的下一个直尺范围；取下一个直尺长度，如果直尺长度已经超出了需计算的长度范围，则退出直尺长度的循环，输出平整度映射表，否则更换直尺长度继续算法。

此外，本发明还提供一种基于星载InSAR的道面平整度评价系统，该系统包括：

InSAR数据模块，用于获取InSAR数据；

剖面数据模块，用于根据InSAR数据得到剖面数据；

平整度映射表模块，用于根据所述剖面数据计算得到平整度映射表。本发明针对星载insar的道面平整度算法，比较了不同采样间距、插值方法等影响因素后得出的算法，能够在较长时间跨度内实现连续的区域沉降监测。

附图说明

图1为实施例基于星载InSAR的道面平整度评价方法的流程图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明。

如图1所示，本实施例一种基于星载InSAR的道面平整度评价方法包括：

S1、先对InSAR数据进行面域范围的二维插值，然后再叠加到初始剖面数据上得到输入的剖面数据。

本发明使用的星载InSAR数据来源于Sentinel-1A雷达卫星。Sentinel-1A雷达卫星是欧洲委员会和欧洲航天局针对哥白尼全球对地观测项目研制的首颗卫星，由两颗卫星组成，载有C波段合成孔径雷达，可提供连续图像(白天、黑夜和各种天气)。为了接替和改进已经退役的ENVISAT卫星，于2014年4月3日发射升空。有双极化，短重访周期，快速产品生成的能力，可精确测定卫星位置和姿态为同一地区的长时间序列监测提供技术支撑。在近极地太阳同步轨道上运行，采用严格的轨道控制技术，确保空间基线足够小，相干性增高，干涉分析可以有效开展。由于数据量大，数据覆盖范围不一定为相同的研究区域，需要先对整景Sentinel-1进行提取，然后提取出研究区范围数据，再进行配准和裁剪。

在实际应用中，干涉雷达由于在传递中受到大气延迟效应，长时空基线引起的时间和空间失相干以及轨道误差和地形误差的影响，严重地制约了传统InSAR技术在区域地表形变监测方面的应用。为了克服传统InSAR技术的局限性，本实施例采用同济大学测绘学院自主研发的处理技术TCPInSAR。TCPInSAR通过创新性的算法可以克服传统InSAR技术的局限性，突破时间和空间失相干、大气延迟、轨道误差和地形误差影响，提高数据的利用率，获取长时间、大范围、高精度的地表形变信息。TCPInSAR的基本原理是利用多景同一地区的多景SAR影像生成多主影像的干涉图，根据不同误差的时空特性建立时空物理模型进而消除各类误差对最终形变的影响。经过时空基线选择，影像配准，干涉差分处理，高相干点识别，时序形变参数解算等步骤后，得到垂直向平均形变速率，具体处理流程如图1所示，包括以下步骤：获得N+1幅SAR影像，根据SAR影像提取公共区域的数据，然后读入精密轨道后选取主影像；SAR影像配准后进行PS点识别和DS点识别后融合得到高相干点；对所述高相干点进行相位解缠得到差分干涉图相干点相位，然后进行干涉点回归分析得到年平均形变速率。

按照《道面评价规范》，最适合BBI(平整度)计算的采样间距为0.25m，因此插值的过程按照0.25m的取样间距进行。本实施例先对InSAR数据进行面域范围的二维插值，然后再叠加到初始剖面数据上得到输入的剖面数据。

由于InSAR数据覆盖范围较大，除了飞行区外也包括航站楼以及场外的无关建筑无关用地等，飞行区内的数据点除了覆盖在跑道、滑行道、机坪外，还有包括了跑道道肩、跑道与滑行道以及滑行道之间的草坪等。由于这些表面的性质各不相同，对卫星雷达的回波性能不同，因此InSAR数据的解析结果也可不能不同。以跑道两侧的草坪举例，在一年范围内由于季节变化，草的长势以及土的含水率对雷达波的散射会有变化，导致InSAR数据在这些范围内虽然数据点很密集，但不一定能反映真实的沉降情况。所以在进行面域的二维插值的时候，首先需要排除这些数据点的影响。

在QGIS中的数据操作流程如下：(1)使用“缓冲区”工具，在跑道中线建立一个矩形缓冲区，考虑到跑道宽度为60m，道肩(有铺面)宽度大约为一个水泥板的宽度(5m)，选取35m作为缓冲距离。(2)应用“按位置提取”工具，将所有位于缓冲区内的InSAR数据点提取出来。(3)使用“不规则三角网插值”工具，对提取的InSAR数据点进行插值，生成栅格文件。(4)利用“沿几何图形的点”工具，对跑道中线间隔0.25m取点，与检测车采样间距对应。(5)最后应用“对栅格值取样”工具，用中线上间距0.25m的点在InSAR插值生成的栅格上取值，得到全断面与检测车数据点完全对应的一系列沉降值。

不规则三角网插值(Triangulated Irregular Network Interpolation，TIN)多用在与地形相关的插值中。这种方法的插值不同于反距离加权法(Inverse DistanceWeighted，IDW，QGIS中亦提供此种插值^[10])，IDW法只关注点的值以及需要插值的点到该点的距离，以距离作为权重计算插值点的值。TIN法则是对整个分析范围内以某个算法建立不规则三角网，再单独对每个不同的三角形进行分析，三角形内的任意一个插值点由三个端点插值而得。建立不规则三角网的方式有几种，其中最常用的也是QGIS所提供的方法为Delaunay法，分割原则为任意一个三角形的外接圆均不能包含任何非该三角形的端点的点。在不规则三角网分割的基础上，单个三角形内的插值也可以有不同的方法，QGIS中提供了线性(Linear)和三次方(Clough-Toucher或Cubic)两种方法^[10]。其中线性插值计算简单，只需对三角形内单独进行二维线性插值即可。而Clough-Toucher方法需要建立三次多项式，将所有分割的三角形联立求解，最后的计算结果可以保证插值面平滑，一阶导数跨三角形间连续。

需要注意的是，跑道真航向角为并不完全沿着经线或纬线。受到QGIS插值算法的限制，插值生成的正方形像元只能沿经线及纬线方向延伸，而并不与跑道中线平行，导致取样后在特定的区域会出现锯齿状图案。这些锯齿为处理过程中存在的系统误差。为了减少该误差，可以首先对取样后的剖面线性插值加密为更小的采样间隔(如从0.25m加密为0.025m，与检测车原始值对应)，叠加后再进行Butterworth滤波，并计算BBI值。

S2、根据输入的剖面数据建立平整度的初始映射表；

S3、BBI计算的核心在于找出最不利的隆起，隆起长度越小越不利，隆起高度越大越不利。程序编写的核心在于必须完整地遍历所有的直尺范围以及在一个直尺范围内遍历所有的计算点。为了在保证完整遍历的前提下尽量提高运算速度，编写的程序需要尽量减少循环的次数。理论上说，完全不使用循环，改用全部向量化(Vectorization)的方法直接进行矩阵或向量运算最有利于提高运算效率。然而在本例中，无法完全向量化，依旧需要一定的循环，而在循环内嵌套向量化的运算规则并不能对计算效率产生正面影响。因此本程序的编写依旧基于循环进行。

循环按照直尺长度——直尺范围(端点)——计算点的顺序进行。读入剖面数据之后首先根据剖面数据点的数量建立一个空白映射表。映射表的主要作用是在之后对每个点的BBI计算时可以更方便地索引之前的计算值并进行比较。然后开始BBI计算的主循环：

按照确定的若干个直尺长度，选择其中最小的，然后取第一个剖面数据点作为左端点，根据直尺长度及采样间距可以计算出直尺右端点。然后从左到右依次取计算点，计算点到左右端点距离的较小值即为隆起长度；计算点高程与直尺在该点的高程之差为隆起高度，其中直尺高程可以通过端点高程差按距离线性内插得到。根据该处隆起长度计算规范中规定的“可接受区域”上限与“超量区域”上限，然后将隆起高度与“可接受区域”上限作商得到BBI，若该BBI大于1，则进而计算“超量区域”上限的商。BBI如果大于映射表中已有的数值，则将该次BBI计算的关键参数写入到映射表中，关键参数包括BBI值、隆起长度、隆起高度、左端点、右端点。

S4、进入三层嵌套循环：取下一个计算点，如果不是右端点则按上述S3操作计算该计算点；如果是右端点则退出计算点的循环，取下一个采样点作为左端点，如果该采样点对应直尺长度的右端点达到了最后一个采样点则退出端点的循环，否则计算同长度的下一个直尺范围；取下一个直尺长度，如果直尺长度已经超出了需计算的长度范围，则退出直尺长度的循环，输出平整度映射表，否则更换直尺长度继续算法。

本实施例还提供一种实现上述基于星载InSAR的道面平整度评价方法的系统，该系统包括：

InSAR数据模块，用于获取InSAR数据，InSAR数据模块根据TCPInSAR获得InSAR数据，并得到道面垂直向平均形变速率。

剖面数据模块，用于根据InSAR数据得到剖面数据，剖面数据模块对InSAR数据进行面域范围的二维插值，然后再叠加到初始剖面数据上得到输入的剖面数据。

平整度映射表模块，用于根据所述剖面数据计算得到平整度映射表，计算过程为上述步骤S3-S4，通过计算机软件实现上述算法，通过软件按照上述流程实现相应的算法为本领域常用技术手段，此处不再赘述。

Claims (7)

1.一种基于星载InSAR的道面平整度评价方法，其特征在于，包括：

S1、先对InSAR数据进行面域范围的二维插值，然后再叠加到初始剖面数据上得到输入的剖面数据；

S2、根据输入的剖面数据建立平整度的初始映射表；

S3、按照确定的若干个直尺长度，选择其中最小的，然后取第一个剖面数据点作为左端点，根据直尺长度及采样间距计算出直尺右端点；然后从左到右依次取计算点，计算点到左右端点距离的较小值即为隆起长度；计算点高程与直尺在该点的高程之差为隆起高度，根据该处隆起长度计算可接受区域上限与超量区域上限，然后将隆起高度与可接受区域上限作商得到BBI，若该BBI大于1，则进而计算超量区域上限的商，BBI如果大于映射表中已有的数值，则将该次BBI计算的关键参数写入到平整度映射表中；所述关键参数包括BBI值、隆起长度、隆起高度、左端点、右端点；

S4、取下一个计算点，如果不是右端点则按上述S3操作计算该计算点；如果是右端点则退出计算点的循环，取下一个采样点作为左端点，如果该采样点对应直尺长度的右端点达到了最后一个采样点则退出端点的循环，否则计算同长度的下一个直尺范围；取下一个直尺长度，如果直尺长度已经超出了需计算的长度范围，则退出直尺长度的循环，输出平整度映射表，否则更换直尺长度继续重复S3-S4。

2.根据权利要求1所述基于星载InSAR的道面平整度评价方法，其特征在于：所述直尺在该点的高程通过端点高程差按距离线性内插得到。

3.根据权利要求1-2任一所述基于星载InSAR的道面平整度评价方法，其特征在于：所述InSAR数据为根据TCPInSAR获得道面垂直向平均形变速率，通过以下步骤获得：

获得N+1幅SAR影像，根据SAR影像提取公共区域的数据，然后读入精密轨道后选取主影像；

SAR影像配准后进行PS点识别和DS点识别后融合得到高相干点；

对所述高相干点进行相位解缠得到差分干涉图相干点相位，然后进行干涉点回归分析得到年平均形变速率。

4.根据权利要求3所述基于星载InSAR的道面平整度评价方法，其特征在于：对所述道面垂直向平均形变速率进行面域三角网插值。

5.一种基于星载InSAR的道面平整度评价系统，其特征在于，包括：

InSAR数据模块，用于获取InSAR数据；

剖面数据模块，用于根据InSAR数据得到剖面数据；

平整度映射表模块，用于根据所述剖面数据计算得到平整度映射表；所述平整度映射表模块根据所述剖面数据计算得到平整度映射表包括：

按照确定的若干个直尺长度，选择其中最小的，然后取第一个剖面数据点作为左端点，根据直尺长度及采样间距计算出直尺右端点；然后从左到右依次取计算点，计算点到左右端点距离的较小值即为隆起长度；计算点高程与直尺在该点的高程之差为隆起高度，根据该处隆起长度计算可接受区域上限与超量区域上限，然后将隆起高度与可接受区域上限作商得到BBI，若该BBI大于1，则进而计算超量区域上限的商，BBI如果大于映射表中已有的数值，则将该次BBI计算的关键参数写入到平整度映射表中；所述关键参数包括BBI值、隆起长度、隆起高度、左端点、右端点；

取下一个计算点，如果不是右端点则按上述S3操作计算该计算点；如果是右端点则退出计算点的循环，取下一个采样点作为左端点，如果该采样点对应直尺长度的右端点达到了最后一个采样点则退出端点的循环，否则计算同长度的下一个直尺范围；取下一个直尺长度，如果直尺长度已经超出了需计算的长度范围，则退出直尺长度的循环，输出平整度映射表，否则更换直尺长度继续重复上述操作。

6.根据权利要求5所述基于星载InSAR的道面平整度评价系统，其特征在于：所述InSAR数据模块根据TCPInSAR获得InSAR数据，并得到道面垂直向平均形变速率。

7.根据权利要求5所述基于星载InSAR的道面平整度评价系统，其特征在于：所述剖面数据模块对InSAR数据进行面域范围的二维插值，然后再叠加到初始剖面数据上得到输入的剖面数据。