一种提高差分干涉测量技术获取地表形变精度的方法

本发明涉及对由矿区地下开采、地震、山体崩塌、滑坡、火山活动引起的地表移动监测以及防灾减灾等领域。本发明提供了在上述技术领域中提高差分干涉测量技术获取地表形变精度的一种方法，并提供了计算由差分干涉测量获取的地表形变误差、评估干涉测量精度的数学模型。

对由矿区地下开采、地震、山体崩塌、滑坡、火山活动引起的地表移动进行监测、精确获取地表移动信息对于减轻由这些地质灾害对地表基础设施的损害与自然环境的破坏以及防灾减灾具有重要意义。

合成孔径雷达SAR(Synthetic Aperture Radar)干涉测量是一种先进的对地观测技术，是目前微波遥感领域较为流行的研究手段之一，已广泛应用于许多领域，如：地球动力学，冰川漂移，森林调查和海洋调查。差分雷达干涉测量(D-InSAR，DifferentialSynthetic Aperture Radar Interferometry)以其高分辨率、连续空间覆盖和获取地表动态变化能力等优势，在测量地表形变方面出类拔萃，尤其是应用于矿区地下开采、地震、山体崩塌、滑坡、火山活动引起的地表移动监测。但是，如何有效提高所获取的地表形变的精度，并计算由差分干涉测量获取的地表形变误差、评估干涉测量精度仍然是亟待解决的问题。

本发明所要解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供一种提高差分干涉测量技术获取地表形变精度的方法，计算差分干涉地表形变误差、评估干涉测量精度，提高差分干涉技术获取地表形变的精度，进而使得差分干涉测量在地质灾害监测中具有可行性。

本发明解决上述技术问题的技术方案如下：

一种提高差分干涉测量技术获取地表形变精度的方法，并计算由差分干涉测量获取的地表形变误差、评估干涉测量精度的数学模型，包括以下步骤：

步骤1：收集相关数据资料，包括SAR系统参数、SAR卫星轨道参数的位置矢量、SAR影像SLC数据(Single look complex,单视复数)；

步骤2：基于上述收集到的卫星轨道参数来计算各SAR像对垂直基线，选择SAR差分像对与SAR地形像对；

步骤3：对上述SAR像对进行差分干涉测量处理，获取研究区域地表形变信息；

步骤4：用本发明提供的数学模型，计算差分干涉地表形变均方根误差、评估干涉测量精度。

所述步骤2具体实现过程为：

(21)利用基线估算工具，选取一幅发生形变前的SAR影像作为辅影像，计算各像对的垂直基线，再依据各像对垂直基线是否小于临界干涉基线，判断像对是否满足干涉基本条件；

(22)在满足干涉基本条件的基础上，考虑各像对垂直基线的关系，选择垂直基线大的SAR像对作为地形像对，选择垂直基线小的SAR像对作为差分像对。

所述步骤3具体实现过程如下：

(31)生成地形像对的干涉图。具体操作包括：基于主辅影像的配准多项式实现SLC影像互配准；生成干涉图；去除干涉图中的平地相位；利用两景强度数据以及去平后的干涉图进行相干性估计；对干涉图进行滤波处理去除干涉噪声，再进行相位解缠。处理结果是地形像对干涉图；

(32)生成差分像对的干涉图。具体操作包括：SLC影像互配准；干涉图生成；去除平地效应；相干性估计；对干涉图进行滤波处理去除干涉噪声，再进行相位解缠。处理结果是SAR差分像对干涉图；

(33)对SAR差分像对干涉图与SAR地形像对干涉图进行差分处理，获得差分干涉相位图；

(34)将差分干涉图相位转换为雷达视线方向的地表形变信息。首先对差分干涉相位图进行滤波处理以去除大气相位的影响，再由公式(1)将差分干涉相位转换为沿雷达视线向的地表形变量：

(1)式中，Δr是沿雷达视线向的地表形变量；分别是差分像对和地形像对的干涉相位；B1和B2分别表示差分像对和地形像对的垂直基线，λ是SAR系统的波长。

最后进行地理编码，获取具有地理坐标参考的雷达视线方向上地表形变信息。

上述操作均可在合成孔径雷达干涉处理软件中(如：GAMMA，SARscape，SARPROZ，EarthView，Doris，StaMPS等)进行。

所述步骤4中，用本发明提供的以下数学模型，计算差分干涉测量获取的地表形变均方根误差、评估干涉测量精度：

(2)式中，σΔr为地表形变的均方根误差；B1、B2分别为差分像对和地形像对的垂直基线；分别是差分像对和地形像对干涉相位误差；σB1、σB2分别为差分像对和地形像对的垂直基线误差。

当差分像对垂直基线与地形像对垂直基线之比很小甚至接近零时，即：时，公式(2)可简化为公式(3)：

(2)式及(3)式均为本发明提供的计算差分干涉测量获取的地表形变均方根误差的数学模型。

本发明与现有技术方法相比优势在于：

(1)如何提高差分干涉技术获取地表形变的精度是待解决而又至关重要的问题之一。现有合成孔径雷达干涉测量技术文献中介绍是如何实施差分干涉测量操作(参见:[1]Wegmüller U.and C.L.Werner,GAMMA SAR processor and interferometry software,Proceedings of 3rd ERS Scientific Symposium,Florence,Italy,17-20March 1997；[2]Werner C.,U.Wegmüller,T.Strozzi,and A.Wiesmann,，，Gamma SARandInterferometric Processing Software”,Proceedings of ERS-ENVISAT Symposium,Gothenburg,Sweden,16-20Oct.2000；[3]http://www.sarmap.ch/pdf/SARscapeTechnical)，并未对其获取成果的质量或精度进行量化评定，具有一定的盲目性。本发明依据误差传播定律，系统地分析了影响差分干涉测量获取地表形变误差的各种因素，包括：地形像对和差分像对的干涉相位误差、垂直基线误差、垂直基线长度及其组合关系，具有系统性与严密的理论性；

(2)本发明定量化描述了各个误差因素对于地表形变误差的具体影响方式，即：地形像对的垂直基线与差分像对的垂直基线对干涉测量获取的地表形变误差的影响截然相反。其中，地形像对的垂直基线对各种误差传播起着“抑制”作用；而差分像对的垂直基线对各种误差的传播起着“放大”作用。据此，在选取像对进行差分干涉时，应选择垂直基线较大的SAR像对作为地形像对，而选择垂直基线较小的SAR像对作为差分像对，以提高获取地表形变信息的精度。另外，当差分像对的垂直基线长度与地形像对的垂直基线长度之比接近零或足够小时，地形像对的垂直基线误差和干涉相位误差对于地表形变误差几乎没有传播效应。本发明所提供的方法可有效提高差分干涉测量技术获取地表形变的精度，具有较高的理论意义与实用价值，且具有操作简单、可行性强、获取成果精度高的优势；

(3)本发明还提供了计算由差分干涉测量获取的地表形变均方根误差的数学模型，以评估差分干涉测量精度。这对于差分干涉测量在工程化过程中的可行性分析以及提高用差分干涉测量技术获取地表形变信息的精度具有重要的指导意义。将本发明提供的方法与数学模型用于矿区地表移动、地震同步形变、滑坡、崩塌等的监测与防灾减灾等领域中，所产生的社会与经济效益是难以估量的。随着合成孔径雷达卫星技术的迅猛发展，本发明将更广泛地应用于地质灾害监测与防震减灾等领域中，造福全人类。

图1为本发明提供的一种提高差分干涉测量技术获取地表形变精度方法的流程图。

下面结合附图及实施例对本发明进行详细说明。

如图1所示，本发明提供的一种提高差分干涉测量技术获取地表形变精度的方法的流程图，具体实施步骤如下：

步骤1：收集相关数据资料，包括SAR系统参数、SAR卫星轨道参数(位置矢量)、SAR单视复数数据(Single look complex，SLC)；

其中，SLC数据包括覆盖同一地区两幅形变发生前的SAR影像和一幅形变发生后的SAR影像。

步骤2：基于上述收集到的卫星轨道参数来计算各SAR像对垂直基线，选择SAR差分像对与SAR地形像对；

(1)利用合成孔径雷达干涉处理软件(如：GAMMA，SARscape，SARPROZ，EarthView，Doris，StaMPS等)中基线估算的工具，选取一幅发生形变前的SAR影像作为辅影像，计算各像对的垂直基线，再依据各像对垂直基线是否小于临界干涉基线，判断像对是否满足干涉基本条件。

(2)在满足干涉基本条件的基础上，考虑各像对的垂直基线关系，选择垂直基线大的像对作为地形像对，选择选择垂直基线小的像对作为差分像对。

步骤3：对上述SAR像对进行差分干涉测量处理，获取研究区域地表形变信息；

(1)生成地形像对的干涉图。具体操作包括：基于主辅影像的配准多项式实现SLC影像互配准；生成干涉图；去除干涉图中的平地相位；利用两景强度数据以及去平后的干涉图进行相干性估计；对干涉图进行滤波处理去除干涉噪声，再进行相位解缠。处理结果是SAR地形像对干涉图。

(2)生成差分像对的干涉图。具体操作包括：SLC影像互配准；干涉图生成；去除平地效应；相干性估计；对干涉图进行滤波处理去除干涉噪声，再进行相位解缠。处理结果是差分像对干涉图。

(3)对SAR差分像对干涉图与SAR地形像对干涉图进行差分处理，获得差分干涉相位图。

(4)将差分干涉图相位转换为雷达视线方向的地表形变信息。首先对差分干涉相位图进行滤波处理以去除大气相位的影响，再由公式(1)将差分干涉相位转换为沿雷达视线向的地表形变量：

其中Δr是沿雷达视线向的地表形变量；分别是去除平地相位趋势的差分像对和地形像对的干涉相位；B1和B2分别表示差分像对和地形像对的垂直基线，λ是SAR系统波长。

最后进行地理编码，获取具有地理坐标参考的雷达视线方向上地表形变信息。

上述操作均在合成孔径雷达干涉处理软件(如：GAMMA，SARscape，SARPROZ，EarthView，Doris，StaMPS等)中进行。

步骤4：用本发明提供的数学模型，计算差分干涉测量获取的地表形变均方根误差，评估干涉测量精度。

(1)根据测量误差的传播规律，差分干涉测量获取的地表形变均方根误差为：

(2)当差分像对的垂直基线与地形像对的垂直基线之比足够小甚至接近零时，即：时，(2)式可简化为：

(3)式中，σΔr为地表形变的均方根误差；分别是去除平地相位趋势的差分像对和地形像对干涉相位的误差；σB1、σB2分别为差分像对和地形像对的垂直基线误差。

(2)式与(3)式均为本发明提供的计算差分干涉测量获取的地表形变均方根误差的数学模型。

凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。