一种基于高精度DEM提高InSAR技术监测地表形变精度的方法
【专利摘要】一种基于高精度DEM提高InSAR技术监测地表形变精度的方法，它有五大步骤：步骤一、由雷达数据生成干涉纹图；步骤二、差分干涉相位图的生成；步骤三、误差相位的构成及特征分析；步骤四、误差相位最优函数校正模型的建立；步骤五、根据步骤二和步骤四的结果恢复监测区的地表形变信息。该方法通过提取研究区不同区域的误差相位和高程值或误差相位、高程以及沿距离/方位向的坐标值，基于最小二乘法，分别建立相应区域误差相位的最优函数校正模型，最后，将模拟的误差相位从差分干涉图中去除，进而恢复监测区沿雷达视线向的形变信息。本发明在星载合成孔径雷达监测地表形变技术应用领域具有实用价值和广阔的应用前景。
【专利说明】—种基于高精度DEM提高InSAR技术监测地表形变精度的方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种基于高精度数字高程模型(DEM)提高合成孔径雷达干涉测量(InSAR)技术监测地表形变精度的方法，属于星载合成孔径雷达监测地表形变【技术领域】，它适用于基于高分辨率雷达数据和外部高精度DEM，根据误差相位与研究区高程之间的某种函数关系，建立研究区的区域最优误差相位校正模型，恢复研究区地面目标沿雷达视线向的形变信息，从而进一步提高InSAR技术监测地表形变的能力。
【背景技术】
[0002]InSAR技术监测地表形变的核心是通过获取雷达与地面目标之间的相位信息恢复地面监测目标的几何及形变特征，对地表微小形变具有很强的敏感性。由于雷达两次观测条件的变化，包括雷达轨道偏差、地物后向散射特性变化以及噪声的影响，使得两次获取的地面目标的雷达信号相干性降低，难以完成空间离散分布的雷达目标的相位解缠。此外，雷达卫星的基线误差、引入的外部DEM数据不准确以及雷达卫星两次观测时刻大气波动的影响等，这些因素都会降低InSAR技术监测地表形变结果的精度。针对这一问题，当前常用的解决方法有两种:一种是传统合成孔径雷达差分干涉技术(D-1nSAR);—种是基于具有稳定散射特性的相干点目标时间序列分析技术。
[0003]传统D-1nSAR技术的基本思路是，在保证主辅影像配准误差在1/8个像元以下，并对主辅影像进行带通滤波处理后，通过主辅影像共轭相乘及差分处理去除平地相位和地形相位，最终得到的差分干涉图中的误差相位主要是由雷达数据两次获取期间较大的大气波动引起的。在可获取外部大气数据的情况下，将大气层中的水汽含量转换为大气相位，将其从差分相位图中消除，进而得到监测区地表的形变信息。这种方法假设轨道基线及外部DEM数据完全精确，数据在处理过程中产生的误差忽略不计，单纯依靠外部地面气象参数进行水汽延迟校正，但现有的大气水汽监测网络以及物理模型并不能对大气中的水汽含量沿微波信号的路径进行足够准确的外推；基于具有稳定散射特性的相干点目标时间序列分析技术的基本思路是，基于具有稳定散射特性的相干点目标，根据其干涉相位的构成及各相位分量的时空特征，对相干目标的干涉相位进行时间序列分析，估算DEM误差、大气波动与轨道误差以及噪声等，逐步将这些非形变相位分离，从而准确获取地表的形变信息。这些方法包括永久散射体干涉测量技术(PSI)、短基线干涉测量法(SBAS)、点目标干涉测量分析(IPTA)等，它们对雷达数据量的要求较高，一般需要25景甚至更多的SAR影像，当数据量较少且监测区非线性形变梯度较大时，应用中存在一定的局限。
【发明内容】
[0004]本发明的目的是，针对现有方法没有考虑轨道基线及外部DEM数据不准确引起的误差，使得InSAR技术监测地表形变结果的精度不高，甚至有时难以恢复短时间段内地表形变信息的问题，提供了一种基于高精度DEM提高InSAR技术监测地表形变精度的方法，它是一种通过建立差分干涉图中误差相位与研究区高程之间的最优函数校正模型去除误差相位提高InSAR监测地表形变精度的方法。通过推导、分析发现，差分干涉图中的误差相位主要由两部分组成:一是轨道基线和外部DEM数据不准确引起的误差相位；一是大气波动，即大气湿分量变化引起的延迟相位，两者都与研究区的高程密切相关。另外，在地形起伏较大、降水丰沛的高山峡谷区的局部区域，大气延迟相位也是地理位置的函数。于是根据研究区误差相位的分布特征不同，分别提取相应区域内的误差相位、高程信息以及沿距离向/方位向的坐标，基于最小二乘法，对误差相位与高程、沿距离向/方位向的坐标值进行函数拟合，在保证函数模型简单、残差平方和最小的前提下，建立相应区域误差相位的最优多项式校正模型。最后，将模型模拟的误差相位从差分干涉图中去除，进而较为准确地恢复出形变区域沿雷达视线向的形变信息。
[0005]技术解决方案
[0006]本发明的技术解决方案见附图1，包括以下五个步骤:
[0007](1)由雷达数据生成干涉纹图；
[0008](2)差分干涉相位图的生成；
[0009](3)误差相位的构成及特征分析；
[0010](4)误差相位最优函数校正模型的建立；
[0011](5)根据步骤二和步骤四的结果恢复监测区的地表形变信息。
[0012]本发明一种基于高精度DEM提高InSAR技术监测地表形变精度的方法，该方法具体步骤如下:
[0013]步骤一:由雷达数据生成干涉纹图
[0014]通过星载SAR传感器获取的雷达数据，基于相干性进行主辅影像选择。将主辅影像进行精确配准，根据配准多项式将辅影像与主影像的配准误差控制在1/8个像元以下，并对两者进行带通滤波处理，然后将它们逐像素共轭相乘生成干涉纹图。
[0015]步骤二:差分干涉相位图的生成
[0016]基于卫星轨道参数及干涉纹图的条纹频率，分别估算平行基线和垂直基线；根据SAR影像的坐标系统及投影等信息，将外部高精度DEM转换到SAR坐标系下，结合卫星轨道信息模拟研究区的地形相位、平地相位，将其从干涉纹图中去除，得到差分干涉相位图。
[0017]步骤三:误差相位的构成及特征分析
[0018]经过差分处理并对差分干涉相位图进行相位解缠，解缠后的差分干涉相位图中任一像素X的差分干涉相位Λ φ^(χ)可由形变相位Λ Φ^(χ)和误差相位Λ Φ60(χ)两部分组成，其中误差相位Λ Φ60(χ)可由如下公式表示。
[0019]
【权利要求】
1.一种基于高精度DEM提高InSAR技术监测地表形变精度的方法，其特征在于:该方法具体步骤如下:步骤一:由雷达数据生成干涉纹图通过星载SAR传感器获取的雷达数据，基于相干性进行主辅影像选择；将主辅影像进行精确配准，根据配准多项式将辅影像与主影像的配准误差控制在1/8个像元以下，并对两者进行带通滤波处理，然后将它们逐像素共轭相乘生成干涉纹图；步骤二:差分干涉相位图的生成基于卫星轨道参数及干涉纹图的条纹频率，分别估算平行基线和垂直基线；根据SAR影像的坐标系统及投影信息，将外部高精度DEM转换到SAR坐标系下，结合卫星轨道信息模拟研究区的地形相位、平地相位，将其从干涉纹图中去除，得到差分干涉相位图；步骤三:误差相位的构成及特征分析经过差分处理并对差分干涉相位图进行相位解缠，解缠后的差分干涉相位图中任一像素X的差分干涉相位Λ Φ^(χ)由形变相位Λ Φ^(χ)和误差相位Λ (χ)两部分组成，其中误差相位Λ Φ (χ)由如下公式表示:Δ Φ error (χ)= Δ Φ ε _h (χ) + Δ Φ b (χ) + Λ Φ atm (χ) + Δ w (χ) (1)其中，Λ Φ E_h(x)为垂直基线及外部DEM数据不准确造成的地形误差相位，Λ (Κ(χ)为平行基线不准确引起的平地误差相位，Λ Φ3?ω(χ)为大气湿延迟引起的误差相位，Λ w(x)为随机的噪声误差相位；垂直基线及外部DEM数据不准确造成的地形误差相位的计算公式如下所示:
【文档编号】G01S13/90GK103675790SQ201310717105
【公开日】2014年3月26日 申请日期:2013年12月23日 优先权日:2013年12月23日
【发明者】李曼, 夏耶, 张玲, 郭小方, 葛大庆, 王艳 申请人:中国国土资源航空物探遥感中心