一種提高geosar差分干涉形變測量精度的數(shù)據(jù)快速處理方法
【專利摘要】一種提高GEOSAR差分干涉形變測量精度的數(shù)據(jù)快速處理方法，在原有圖像數(shù)據(jù)集PS-InSAR方法估計形變測量結(jié)果的基礎(chǔ)上，用小基線技術(shù)僅對部分原有圖像和新增加圖像進行SBAS-InSAR處理，然后與原來的形變測量結(jié)果進行加權(quán)平均，得到新的形變測量結(jié)果，當(dāng)經(jīng)過一段時間之后該時間段內(nèi)新增加的圖像總數(shù)達到最初PS所用原始圖像數(shù)量的一定比例后，再對當(dāng)前時刻獲得的所有圖像進行PS-InSAR處理，將PS-InSAR處理結(jié)果更新，如此重復(fù)下去。即將傳統(tǒng)的PS-InSAR低頻次處理與SBAS技術(shù)高頻次處理結(jié)合起來，利用SBAS處理的小數(shù)據(jù)量加快了處理速度，提高了地表形變的測量精度和數(shù)據(jù)處理的速度。
【專利說明】-種提高GEOSAR差分干涉形變測量精度的數(shù)據(jù)快速處理 方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種提高差分干涉形變測量精度的數(shù)據(jù)快速處理方法，尤其是一種提 高GEOSAR差分干涉形變測量精度的數(shù)據(jù)快速處理方法，屬于地球同步軌道SAR差分干涉形 變測量領(lǐng)域。

【背景技術(shù)】
[0002] 與中低軌衛(wèi)星SAR相比，地球同步軌道衛(wèi)星合成孔徑雷達（GEOSAR)在對地觀測系 統(tǒng)中具有以下的優(yōu)勢：高時間分辨率，重訪周期短，覆蓋范圍廣，區(qū)域長時間連續(xù)觀測。對同 一觀測區(qū)域，GEOSAR每隔24小時甚至幾小時進行一次重復(fù)成像觀測，即一天甚至幾小時可 獲得一幅新的SAR圖像數(shù)據(jù)。因此GEOSAR差分干涉（GEO-DInSAR)能夠短周期、高頻次、長 時間對廣域災(zāi)害進行連續(xù)監(jiān)測，并對事件發(fā)生前后的數(shù)據(jù)進行及時錄取，并可近實時的提 供由于地震或火山活動（或其他地表活動）引起的地殼運動和地表變化。GEO-DInSAR的圖 像獲取速度非常高，能夠在較短的時間內(nèi)獲得大量的觀測數(shù)據(jù)，在與低軌相同的時間尺度 上（例如35天）獲取的圖像對數(shù)量多得多，有利于提高形變測量精度。GEOSAR與中低軌衛(wèi) 星SAR系統(tǒng)相比較，重訪周期短，較容易獲得小基線集。但永久散射體技術(shù)（PS-InSAR)處 理不能進行批處理操作，因此，如果有新的圖像數(shù)據(jù)更新，需要將新數(shù)據(jù)和舊數(shù)據(jù)重新進行 處理，將帶來運算量巨大及復(fù)雜度高的問題。因此，GEO-DInSAR也帶來了短時間內(nèi)海量數(shù) 據(jù)快速處理的問題。在實際工程應(yīng)用中及時獲取地表信息，地表形變的測量精度和更新速 度是至關(guān)重要的兩個因素。
[0003] 目前，國內(nèi)外多家研究機構(gòu)開展了 GEOSAR的相關(guān)研究，如美國NASAJPL實驗室、英 國Cranfield大學(xué)、中國空間技術(shù)研究院、中科院電子所和北京理工大學(xué)等，在GEOSAR的差 分干涉方面，主要是GEOSAR干涉測量模型方面的研究成果，而關(guān)于海量數(shù)據(jù)的快速處理方 法未見相關(guān)文獻有報道。而對于低軌SAR，PS技術(shù)進行地表形變緩慢監(jiān)測方面，近年發(fā)展了 一些新技術(shù)，如永久散射體（PS-InSAR)和小基線集時序分析技術(shù)（SBAS-InSAR)。PS-InSAR 可以不考慮時間和空間基線的限制，能夠充分利用數(shù)據(jù)，大范圍、長時間監(jiān)測地表緩慢形 變。但PS-InSAR需要大量的數(shù)據(jù)（一般至少需要25幅圖像以上進行處理），對長時間累積 數(shù)據(jù)進行處理，數(shù)據(jù)矩陣是滿秩的，因此形變速率的估計結(jié)果可靠性較高。而SBAS-InSAR 技術(shù)不需要大量的數(shù)據(jù)，一般8幅圖像以上即可，遵循集合內(nèi)SAR影像時間和空間基線距 小，集合間的SAR影像時間和空間基線距大的原則，將所有獲得的SAR影像數(shù)據(jù)分成若干個 集合，再利用最小二乘（LS)方法或者奇異值分解（SVD)方法將多個小基線集聯(lián)合起來求 解。該方法時間采樣率高，能夠有效地減弱時空失相干的影響，從而使得到的形變圖在時間 和空間上更為連續(xù)，但是由于無公共圖像，誤差源比較多，且數(shù)據(jù)矩陣不滿秩，與PS-InSAR 相比，估計結(jié)果的可靠性及穩(wěn)定性較差一些。因此，兩種方法各有優(yōu)劣勢。對于永久散射體 和小基線集InSAR時序分析技術(shù)兩者之間的關(guān)系，現(xiàn)有文獻的研究成果主要是以下兩個方 面：PS-InSAR和SABS-InSAR兩種方法在實際地表形變監(jiān)測中的應(yīng)用及地表監(jiān)測結(jié)果的對 比分析；將PS-InSAR技術(shù)和SBAS技術(shù)結(jié)合起來，克服了傳統(tǒng)PSInSAR技術(shù)對影像數(shù)量要求 苛刻的缺陷。但由于低軌SAR系統(tǒng)獲取的圖像數(shù)據(jù)集合時間采樣率不高，并不存在海量數(shù) 據(jù)的快速處理問題。因此關(guān)于海量數(shù)據(jù)的快速處理方法的文獻未見報道。
[0004] 目前國內(nèi)外對于GEO-DInSAR的研究均剛剛起步，地表形變的測量精度和海量數(shù) 據(jù)的快速處理，有利于及時獲取地表信息，是GEO-DInSAR在實際工程應(yīng)用中必須解決的問 題之一。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明的目的是：針對GEOSAR重訪周期短，短時間獲得海量圖像數(shù)據(jù)的特性，為 了解決GEO-DInSAR海量數(shù)據(jù)快速處理的問題，提出了一種提高GEOSAR差分干涉形變測量 精度的數(shù)據(jù)快速處理方法，結(jié)合了 PS-InSAR和SBAS-InSAR處理方法對GEOSAR圖像進行處 理，可以在實際工程應(yīng)用中及時獲取地表信息。
[0006] 本發(fā)明的技術(shù)解決方案是：一種提高GEOSAR差分干涉形變測量精度的數(shù)據(jù)快速 處理方法,步驟如下：
[0007] (1)獲得N幅GEOSAR圖像數(shù)據(jù)，構(gòu)成GEOSAR圖像數(shù)據(jù)集合，所述N大于等于25 ; 所述圖像數(shù)據(jù)為GEOSAR對同一個地表觀測場景進行成像的數(shù)據(jù)；
[0008] (2)對步驟（1)中獲得的GEOSAR圖像數(shù)據(jù)集合進行永久散射體InSAR處理，即 PS-InSAR處理，計算出PS地表形變檢測結(jié)果，并計算出PS-InSAR處理中最大綜合相干 系數(shù)Pl;同時對步驟（1)中獲得的GEOSAR圖像數(shù)據(jù)集合進行小基線集InSAR處理，即 SBAS-InSAR處理，計算出小基線集地表形變結(jié)果，并計算出SBAS-InSAR處理中平均綜合相 干系數(shù)P 2 ;
[0009] (3)獲得新的GEOSAR圖像數(shù)據(jù)，并對新獲取的GEOSAR圖像數(shù)據(jù)進行篩選，若滿 足篩選條件，則將新獲取的GEOSAR圖像數(shù)據(jù)加入步驟（1)中的GEOSAR圖像數(shù)據(jù)集合，更 新GEOSAR圖像數(shù)據(jù)為M ;具體篩選條件如下：新獲取的GEOSAR圖像數(shù)據(jù)與步驟（1)中 GEOSAR圖像數(shù)據(jù)集合的地表觀測場景相同且與步驟（1)中GEOSAR圖像數(shù)據(jù)集合中任意一 幅GEOSAR圖像的配準(zhǔn)結(jié)果滿足預(yù)設(shè)相干條件；
[0010] 所述預(yù)設(shè)相干條件具體為：從配準(zhǔn)后的新獲取GEOSAR圖像中選取一塊圖像，計算 該塊圖像與步驟（I) GEOSAR圖像數(shù)據(jù)集合中每一幅GEOSAR圖像的相干系數(shù)，若求得的N個 相干系數(shù)中有Nl個相干系數(shù)超過預(yù)定閾值P，則配準(zhǔn)結(jié)果滿足預(yù)設(shè)相干條件；
[0011] (4)若當(dāng)前圖像數(shù)據(jù)集合中的圖像數(shù)量M滿足如下條件：
[0012] (M-N) /Ν> η
[0013] 則進入（5)，否則進入（6)，其中η為預(yù)先設(shè)定的比例常數(shù)，η>50% ;
[0014] (5)對步驟⑷中的GEOSAR圖像數(shù)據(jù)集合進行PS-InSAR處理，計算出PS地表形 變檢測結(jié)果，更新步驟（2)中計算的PS地表形變檢測結(jié)果，并更新PS-InSAR處理中最大綜 合相干系數(shù)P 1和PS-InSAR處理的圖像數(shù)據(jù)集合的數(shù)量，S卩令N = M，返回步驟（3);
[0015] (6)選取步驟（4)GEOSAR圖像數(shù)據(jù)集合中的N2幅GEOSAR圖像構(gòu)成Ml個小基線 集，對步驟（3)中新獲取GEOSAR圖像數(shù)據(jù)所在的小基線集進行小基線集InSAR處理，獲得 小基線集地表形變檢測結(jié)果，并更新小基線集InSAR處理的平均綜合相干系數(shù)P 2 ;所述N2 和Ml根據(jù)設(shè)定的小基線集篩選條件確定；
[0016] (7)將PS地表形變檢測結(jié)果與步驟（6)獲得的小基線集地表形變檢測結(jié)果按照加 權(quán)平均方法獲得當(dāng)前地表形變檢測結(jié)果；
[0017] (8)重復(fù)執(zhí)行⑶?（7)，直到無新獲取的GEOSAR圖像為止。
[0018] 所述步驟⑶中 Ν1>Ν*0· 6 ;Ρ>0· 6。
[0019] 所述步驟（7)中的加權(quán)平均方法由公式：
[0020] R = (Rl*wl+R2*w2) / (wl+w2)
[0021] 給出，其中，R為當(dāng)前地表形變檢測結(jié)果，Rl和R2分別為PS地表形變檢測結(jié)果和 小基線集地表形變檢測結(jié)果，wl和《2為加權(quán)系數(shù)，且wl= P l，w2= P 2。
[0022] 本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的有益效果為：
[0023] (I)GEOSAR比低軌SAR在相同時間尺度上獲取的圖像對數(shù)量多得多，存在海量數(shù) 據(jù)快速處理問題，目前國內(nèi)外關(guān)于GEO-DInSAR的海量數(shù)據(jù)處理問題處于空白階段，該發(fā)明 結(jié)合低頻次更新PS-InSAR和高頻次更新SBAS-InSAR形變檢測結(jié)果，得到快速更新的形變 檢測結(jié)果，有利于在實際工程應(yīng)用時及時獲取地表信息；
[0024] (2) PS-InSAR處理不能進行批處理操作，如果有新的圖像數(shù)據(jù)更新，需要將新數(shù)據(jù) 和舊數(shù)據(jù)重新進行處理，將帶來運算量巨大及復(fù)雜度高的問題。與僅采用PS-InSAR方法相 t匕，該發(fā)明所提方法對PS-InSAR處理運算量和復(fù)雜度均降低了；與僅采用SBAS-InSAR方法 相比，該發(fā)明充分利用了所有的觀測數(shù)據(jù)，可靠度和穩(wěn)定性更高；
[0025] (3)該發(fā)明充分利用了所有的觀測數(shù)據(jù)，保證了結(jié)果的可靠性和穩(wěn)定度，并減少了 運算量和加快了形變檢測結(jié)果的更新速度，有利于在實際工程應(yīng)用時及時獲取地表信息， 而且，該方法同樣適用于在衛(wèi)星編隊模式下圖像數(shù)據(jù)量大的情況。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0026] 圖1是本發(fā)明的處理流程框圖；
[0027] 圖2是PS-InSAR方法的地表形變檢測仿真結(jié)果，其中，圖2(a)是選擇公共主圖像 的綜合相干系數(shù)，圖2(b)是線性形變速度估計結(jié)果圖；
[0028] 圖3是SBAS-InSAR方法的地表形變檢測仿真結(jié)果，其中，圖3 (a)是各個圖像對應(yīng) 的綜合相干系數(shù)，圖3(b)是線性形變速度估計結(jié)果圖；
[0029] 圖4是聯(lián)合PS-InSAR和SBAS-InSAR兩種方法進行綜合相關(guān)系數(shù)加權(quán)的形變檢測 快速更新結(jié)果。

【具體實施方式】
[0030] 如圖1所示為本發(fā)明的處理流程框圖，由圖1可知，本發(fā)明提供的一種提高GEOSAR 差分干涉形變測量精度的數(shù)據(jù)快速處理方法，步驟如下：
[0031] (1)獲得N幅GEOSAR圖像數(shù)據(jù)，構(gòu)成GEOSAR圖像數(shù)據(jù)集合，所述N大于等于25 ; 所述圖像數(shù)據(jù)為GEOSAR對同一個地表觀測場景進行成像的數(shù)據(jù)；
[0032] (2)對步驟（1)中獲得的GEOSAR圖像數(shù)據(jù)集合進行永久散射體InSAR處理，即 PS-InSAR處理，計算出PS地表形變檢測結(jié)果，并計算出PS-InSAR處理中最大綜合相干 系數(shù)P 1 ;同時對步驟（1)中獲得的GEOSAR圖像數(shù)據(jù)集合進行小基線集InSAR處理，即 SBAS-InSAR處理，計算出小基線集地表形變結(jié)果，并計算出SBAS-InSAR處理中平均綜合相 干系數(shù)P 2 ;
[0033] 所述PS-InSAR處理中最大綜合相干系數(shù)P 1由公式

【權(quán)利要求】
1. 一種提高GEOSAR差分干涉形變測量精度的數(shù)據(jù)快速處理方法，其特征在于步驟如 下： (1) 獲得N幅GEOSAR圖像數(shù)據(jù)，構(gòu)成GEOSAR圖像數(shù)據(jù)集合，所述N大于等于25 ;所述 圖像數(shù)據(jù)為GEOSAR對同一個地表觀測場景進行成像的數(shù)據(jù)； (2) 對步驟⑴中獲得的GEOSAR圖像數(shù)據(jù)集合進行永久散射體InSAR處理，即 PS-InSAR處理，計算出PS地表形變檢測結(jié)果，并計算出PS-InSAR處理中最大綜合相干 系數(shù)P1;同時對步驟（1)中獲得的GEOSAR圖像數(shù)據(jù)集合進行小基線集InSAR處理，即 SBAS-InSAR處理，計算出小基線集地表形變結(jié)果，并計算出SBAS-InSAR處理中平均綜合相 干系數(shù)P 2 ; (3) 獲得新的GEOSAR圖像數(shù)據(jù)，并對新獲取的GEOSAR圖像數(shù)據(jù)進行篩選，若滿足篩選 條件，則將新獲取的GEOSAR圖像數(shù)據(jù)加入步驟（1)中的GEOSAR圖像數(shù)據(jù)集合，更新GEOSAR 圖像數(shù)據(jù)為M ;具體篩選條件如下：新獲取的GEOSAR圖像數(shù)據(jù)與步驟（1)中GEOSAR圖像數(shù) 據(jù)集合的地表觀測場景相同且與步驟（1)中GEOSAR圖像數(shù)據(jù)集合中任意一幅GEOSAR圖像 的配準(zhǔn)結(jié)果滿足預(yù)設(shè)相干條件； 所述預(yù)設(shè)相干條件具體為：從配準(zhǔn)后的新獲取GEOSAR圖像中選取一塊圖像，計算該塊 圖像與步驟（1) GEOSAR圖像數(shù)據(jù)集合中每一幅GEOSAR圖像的相干系數(shù)，若求得的N個相干 系數(shù)中有N1個相干系數(shù)超過預(yù)定閾值P，則配準(zhǔn)結(jié)果滿足預(yù)設(shè)相干條件； (4) 若當(dāng)前圖像數(shù)據(jù)集合中的圖像數(shù)量M滿足如下條件： (M-N)/N> n 則進入（5)，否則進入（6)，其中n為預(yù)先設(shè)定的比例常數(shù)，n>50% ; (5) 對步驟（4)中的GEOSAR圖像數(shù)據(jù)集合進行PS-InSAR處理，計算出PS地表形變檢 測結(jié)果，更新步驟（2)中計算的PS地表形變檢測結(jié)果，并更新PS-InSAR處理中最大綜合相 干系數(shù)P 1和PS-InSAR處理的圖像數(shù)據(jù)集合的數(shù)量，S卩令N = M，返回步驟（3); (6) 選取步驟（4) GEOSAR圖像數(shù)據(jù)集合中的N2幅GEOSAR圖像構(gòu)成Ml個小基線集，對 步驟（3)中新獲取GEOSAR圖像數(shù)據(jù)所在的小基線集進行小基線集InSAR處理，獲得小基線 集地表形變檢測結(jié)果，并更新小基線集InSAR處理的平均綜合相干系數(shù)P 2 ;所述N2和Ml 根據(jù)設(shè)定的小基線集篩選條件確定； (7) 將PS地表形變檢測結(jié)果與步驟（6)獲得的小基線集地表形變檢測結(jié)果按照加權(quán)平 均方法獲得當(dāng)前地表形變檢測結(jié)果； (8) 重復(fù)執(zhí)行⑶?（7)，直到無新獲取的GEOSAR圖像為止。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種提高GEOSAR差分干涉形變測量精度的數(shù)據(jù)快速處理方 法，其特征在于：所述步驟（3)中N1>N*0. 6 ;P>0. 6。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種提高GEOSAR差分干涉形變測量精度的數(shù)據(jù)快速處理方 法，其特征在于：所述步驟（7)中的加權(quán)平均方法由公式： R= (Rl*wl+R2*w2)/(wl+w2) 給出，其中，R為當(dāng)前地表形變檢測結(jié)果，R1和R2分別為PS地表形變檢測結(jié)果和小基 線集地表形變檢測結(jié)果，wl和《2為加權(quán)系數(shù)，且wl = P l，w2 = P2。
【文檔編號】G01S13/90GK104459692SQ201410707642
【公開日】2015年3月25日 申請日期:2014年11月27日 優(yōu)先權(quán)日:2014年11月27日
【發(fā)明者】黎薇萍, 索志勇, 李財品, 李光廷, 王偉偉, 楊曉超, 趙泓懿, 王旭艷, 聶世康, 李東濤 申請人:西安空間無線電技術(shù)研究所