一种基于合成孔径雷达干涉测量技术的地表形变检测方法

摘要

本发明公开了一种基于合成孔径雷达干涉测量技术的地表形变检测方法，对待检测区域的合成孔径雷达影像进行收集，根据拍摄时间进行排序；选取宽幅模式下时间间隔为1年的两景影像，利用差分合成孔径雷达干涉测量技术对影像进行处理，得到间隔期间内的地表形变量概图；提取形变区的范围，根据所述形变区的范围对全部的合成孔径雷达影像进行裁剪，利用时间序列合成孔径雷达干涉测量技术对裁剪后的影像进行处理，得到该地区形变时间序列详图。本发明可在事先不确定地表是否有形变的情况下实现对地表形变范围和形变量级的快速获取，有利于地质灾害隐患点的快速识别，对于提高大范围内地质灾害普查效率具有积极作用。

说明书

技术领域

本发明涉及地表形变监测技术领域，尤其涉及一种基于合成孔径雷达干涉测量技术的地表形变检测方法。

背景技术

合成孔径雷达干涉测量(Interferometric of Synthetic ApertureRadar，InSAR)技术作为一项新型的空间对地观测技术，具有全天候、覆盖广、精度高等特点，在地表形变监测领域有着得天独厚的优势，在城市地面沉降监测、边坡形变监测、地壳形变监测、人工建筑物形变监测等领域得到了广泛应用，效果较好。InSAR技术主要包括差分合成孔径雷达干涉测量(DifferentialInterferometric of Synthetic Aperture Radar，D-InSAR)和时间序列合成孔径雷达干涉测量(Time Series Interferometric ofSyntheticAperture Radar，TS-InSAR)，其中D-InSAR技术的监测精度可达厘米级，一般可用于检测年累计形变为厘米至分米级地表变化，TS-InSAR技术的监测精度可达毫米级，一般可用于检测年累计形变为毫米至分米级地表变化。由于D-InSAR技术只对两景影像做差分处理，易受大气效应为主的失相干因数影响，故其具有计算时间短、精度差的特点，而TS-InSAR技术需要处理的影像数量一般为几十景，能较好的消除大气效应等失相干因素的影响，故其精度虽然较高，但计算时间却会呈几何级数增长。以哨兵1A宽幅(InterferometricWide Swath，IW)影像为例，1景影像的范围约为250km×200km，假设多视后的像元分辨率为15m，则1景影像的像元数量级为2×108，D-InSAR技术处理一次涉及到的像元总数为4×108。当利用PS-InSAR技术对20景影像进行处理时，涉及到的像元总数为19×4×108＝7.6×109，利用SBAS-InSAR技术对20景影像进行处理时，涉及到的像元总数最多为190×4

×108＝7.6×1010，计算量分别扩大了19倍和190倍，而实际产生地表形变的只是影像中的一部分，导致所需耗费的计算时间冗长。

目前解决上述问题的办法主要有两种：一是升级计算所需软硬件，提高解算效率，但对于大范围的地表形变计算仍显捉襟见肘；二是先对影像进行裁剪，只对形变区的影像进行TS-InSAR解算，但是对于形变地区范围未知的地质灾害调查难以适用。

发明内容

为解决现有技术存在的局限和缺陷，本发明提供一种基于合成孔径雷达干涉测量技术的地表形变检测方法，包括：

收集同一颗卫星在待检测区不同时间节点的重复轨道宽幅模式合成孔径雷达影像，将所述合成孔径雷达影像按照时间进行排序；

选择任意两幅时间间隔为1年的合成孔径雷达影像，利用差分合成孔径雷达干涉测量技术获取所述待检测区的形变量概图；

从所述形变量概图中提取局部形变区域的范围，根据所述局部形变区域的范围对全部的合成孔径雷达影像进行裁剪；

利用时间序列合成孔径雷达干涉测量技术对裁剪后的合成孔径雷达影像进行处理，得到局部形变的时间序列详图。

可选的，所述合成孔径雷达影像的观测周期固定，影像时间跨度大于1年，所述影像时间跨度与所述观测周期为正相关的关系，所述合成孔径雷达影像的总数大于18幅。

可选的，根据观测环境设置所述任意两幅合成孔径雷达影像的时间间隔，而且影像时间避开积雪覆盖的冬季；

所述差分合成孔径雷达干涉测量方法使用高精度数字高程模型、卫星精密轨道数据和大气校正数据，以提高所述待检测区的形变量概图的精度；

当所述形变量概图无法识别出有效形变值时，选择另外两幅合成孔径雷达影像继续进行差分合成孔径雷达干涉测量解算，直到所使用的影像时间叠加后等于全部的合成孔径雷达影像的时间跨度。

可选的，所述局部形变区域的范围为完全覆盖局部形变区的矩形，所述矩形的面积大于或者等于1km×1km。

可选的，所述时间序列合成孔径雷达干涉测量技术包括永久散射体合成孔径雷达干涉测量技术或者小基线集合成孔径雷达干涉测量技术。

本发明具有下述有益效果：

本发明提供一种基于合成孔径雷达干涉测量技术的地表形变检测方法，对待检测区域的合成孔径雷达影像进行收集，根据拍摄时间进行排序；选取宽幅模式下时间间隔为1年的两景影像，利用差分合成孔径雷达干涉测量技术对影像进行处理，得到间隔期间内的地表形变量概图；提取形变区的范围，根据所述形变区的范围对全部的合成孔径雷达影像进行裁剪，利用时间序列合成孔径雷达干涉测量技术对裁剪后的影像进行处理，得到该地区形变时间序列详图。本发明提供的技术方案可在事先不确定地表是否有形变的情况下实现对地表形变范围和形变量级的快速获取，有利于地质灾害隐患点的快速识别，对于提高大范围内地质灾害普查效率具有积极作用。本发明提供的技术方案能够实现对大范围的地表形变的快速检测，快速提取形变范围，极大提高局部形变值的计算效率。

附图说明

图1为本发明实施例一提供的基于合成孔径雷达干涉测量技术的地表形变检测方法的流程图。

图2为本发明实施例一提供的地表形变概略图。

图3为本发明实施例一提供的地表形变详图。

图4为本发明实施例一提供的形变时间序列图。

具体实施方式

为使本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图对本发明提供的基于合成孔径雷达干涉测量技术的地表形变检测方法进行详细描述。

实施例一

本实施例提供一种基于InSAR技术的地表形变快速检测方法，主要包括以下步骤：步骤一，收集同一颗卫星在待检测区不同时间节点的重复轨道宽幅模式SAR影像，并按照时间排序；步骤二，选择任意两幅时间间隔为1年的SAR影像，利用D-InSAR技术获取待检测区的形变量概图；步骤三，从形变量概图中提取局部形变区域的范围，并按该范围对全部SAR影像进行裁剪；步骤四，利用TS-InSAR技术对裁剪后的影像进行处理，得到局部形变的时间序列详图。

所述步骤一中的SAR影像的观测周期固定，时间跨度最好大于1年，当影像时间跨度大时，观测周期长，当影像时间跨度小时，观测周期可适度缩短，但须保证SAR影像总数大于18幅以上。

所述步骤二中任意两幅SAR影像的时间间隔可在观测环境好(植被覆盖少、地势平缓)的情况下适当增大，影像时间须避开积雪覆盖的冬季；所述的D-InSAR方法应使用高精度DEM、卫星精密轨道数据和大气校正数据尽量提高检测区形变量概图的精度；当形变量概图无法识别出有效形变值时，选择另外两幅影像继续D-InSAR解算，直到所使用的影像时间叠加后等于全部SAR影像的时间跨度。

所述步骤三中的形变区范围为完全覆盖局部形变区的矩形，其面积最小为1km×1km。所述步骤四中的TS-InSAR技术包括永久散射体合成孔径雷达干涉测量(PersistentScatterer Interferometric of Synthetic Aperture Radar，PS-InSAR)、小基线集合成孔径雷达干涉测量(Small Baseline Subset Interferometric of Synthetic ApertureRadar，SBAS-InSAR)以及一切在此基础上衍生的时间序列干涉测量方法。

图1为本发明实施例一提供的基于合成孔径雷达干涉测量技术的地表形变检测方法的流程图。本实施例提供一种基于InSAR技术的地表形变快速检测方法，包括以下步骤：

步骤一，下载并收集研究区的重复轨道SAR影像，为使影像覆盖范围尽可能广，建议使用宽幅模式数据，数据间隔为卫星重返周期的整数倍，给数据按时间排序，保证相邻两景影像的时间间隔尽量相等。

步骤二，选择任意两幅时间间隔为1年的SAR影像，尽量避开积雪覆盖的冬季，当研究区植被覆盖少、地势平缓时可适度增大影像的选取时间间隔。然后利用D-InSAR技术对选取的影像进行处理，主要包括影像配准、干涉图生成、干涉去平、大气校正、滤波、相位解缠、轨道精炼和重去平、地理编码一系列步骤，得到研究区的地表形变概略图。当形变量概略图无法识别出有效形变值时，选择另外两幅影像继续D-InSAR解算，直到所使用的影像时间叠加后等于全部SAR影像的时间跨度。

步骤三，从形变量概图中提取局部形变区域的范围，并按该范围对全部SAR影像进行裁剪，形变区范围为完全覆盖局部形变区的矩形，其面积最小为1km×1km。

步骤四，利用PS-InSAR或SBAS-InSAR技术对裁剪后的影像进行处理，主要包括主影像选取、影像配准、干涉图生成、干涉去平、滤波、相位解缠、轨道精炼和重去平、大气相位估计、地理编码得到局部形变的时间序列详图。

考虑到不同SAR卫星在“宽幅”和“窄幅”数据兼具的共性，本实施例以欧空局哨兵1A卫星数据在天津地区的应用为例来详细描述本发明的效果。

本实施例选择2017年8月与2018年8月的两景升轨哨兵1A卫星数据，按照步骤二所述的流程进行D-InSAR数据处理，并下载相应的精密轨道数据和欧洲中期天气预报数据进行轨道精炼和大气校正，得到的地表形变概略图如图2所示。图2为本发明实施例一提供的地表形变概略图。从图2可以看出有三个明显的局部沉降中心1、2、3，分别为北京东南部、河北廊坊及周边、武清区王庆坨镇。

由于残余大气效应及时空失相干的影响，所得到的沉降数值和范围并不准确，在此利用SBAS-InSAR技术对裁剪后的区域3进行进一步的结算，选取的影像时间跨度为2017年1月至2019年12月，时间间隔为1景/月，所得到的精确形变结果如图3所示。图3为本发明实施例一提供的地表形变详图。在高性能服务器工作模式下，利用全部24景影像做时序处理所需的时间为20.8×24h，本方法综合耗时1.5×24h，能显著提高计算效率，并能精细的反应局部形变特征。局部沉降中心的形变时间序列如图4所示。图4为本发明实施例一提供的形变时间序列图。

本实施例提供一种基于合成孔径雷达干涉测量技术的地表形变检测方法，对待检测区域的合成孔径雷达影像进行收集，根据拍摄时间进行排序；选取宽幅模式下时间间隔为1年的两景影像，利用差分合成孔径雷达干涉测量技术对影像进行处理，得到间隔期间内的地表形变量概图；提取形变区的范围，根据所述形变区的范围对全部的合成孔径雷达影像进行裁剪，利用时间序列合成孔径雷达干涉测量技术对裁剪后的影像进行处理，得到该地区形变时间序列详图。本实施例提供的技术方案可在事先不确定地表是否有形变的情况下实现对地表形变范围和形变量级的快速获取，有利于地质灾害隐患点的快速识别，对于提高大范围内地质灾害普查效率具有积极作用。本实施例提供的技术方案能够实现对大范围的地表形变的快速检测，快速提取形变范围，极大提高局部形变值的计算效率。

可以理解的是，以上实施方式仅仅是为了说明本发明的原理而采用的示例性实施方式，然而本发明并不局限于此。对于本领域内的普通技术人员而言，在不脱离本发明的精神和实质的情况下，可以做出各种变型和改进，这些变型和改进也视为本发明的保护范围。