多轨道InSAR震间形变速率场拼接方法、装置、设备及介质与流程

多轨道insar震间形变速率场拼接方法、装置、设备及介质
技术领域
1.本公开涉及数据处理技术领域，尤其涉及一种多轨道insar(interferometric synthetic aperture radar，合成孔径雷达干涉测量)震间形变速率场拼接方法、装置、设备及介质。


背景技术：

2.insar是一种高精度、高效率的地表形变测量方法。随着合成孔径雷达干涉测量技术的飞速发展，海量高质量的干涉图使得大面积的地表形变监测成为可能。
3.然而，星载sar的标准景幅宽有限，常常无法覆盖整个形变区域，需要将多轨insar数据进行拼接来开展大范围地表形变的监测，以青藏高原地区为例，其内部分布许多东西走向的大型走滑断裂，走向长度往往达到上百公里，需要多个同一轨道(升轨或者降轨)sar数据条带才能完全覆盖。
4.相关技术中，通过邻轨ps(永久散射体，persistent scatterer)-insar地面沉降结果拼接处理的方式是假设地表只发生了垂直运动，但是实际情况中，地表的运动方向是三维的，导致拼接结果不够准确。


技术实现要素：

5.为了解决上述技术问题或者至少部分地解决上述技术问题，本公开提供了一种多轨道insar震间形变速率场拼接方法、装置、设备及介质。
6.本公开实施例提供了一种多轨道insar震间形变速率场拼接方法，所述方法包括：
7.获取目标区域的全球导航卫星系统gnss(global navigation satellite system，全球导航卫星系统)的三维形变速率和多轨道合成孔径雷达sar数据；
8.将所述三维形变速率投影至目标向，得到第一目标向形变速率；
9.将所述sar数据进行时序处理，得到每个轨道的第二目标向形变速率；
10.基于所述第一目标向形变速率对所述第二目标向形变速率进行参考基准统一，得到每个轨道的第三目标向形变速率；
11.对所述第三目标向形变速率进行入射角校正，得到每个轨道的最终目标向形变速率，在地理坐标系下将所述每个轨道的最终目标向形变速率进行拼接。
12.本公开实施例还提供了一种多轨道insar震间形变速率场拼接装置，所述装置包括：
13.获取模块，用于获取目标区域的全球导航卫星系统gnss的三维形变速率和多轨道合成孔径sarsar数据；
14.投影模块，用于将所述三维形变速率投影至目标向，得到第一目标向形变速率；
15.处理模块，用于将所述sar数据进行时序处理，得到每个轨道的第二目标向形变速率；
16.基准统一模块，用于基于所述第一目标向形变速率对所述第二目标向形变速率进
是“至少部分地基于”。术语“一个实施例”表示“至少一个实施例”；术语“另一实施例”表示“至少一个另外的实施例”；术语“一些实施例”表示“至少一些实施例”。其他术语的相关定义将在下文描述中给出。
28.需要注意，本公开中提及的“第一”、“第二”等概念仅用于对不同的装置、模块或单元进行区分，并非用于限定这些装置、模块或单元所执行的功能的顺序或者相互依存关系。
29.需要注意，本公开中提及的“一个”、“多个”的修饰是示意性而非限制性的，本领域技术人员应当理解，除非在上下文另有明确指出，否则应该理解为“一个或多个”。
30.本公开实施方式中的多个装置之间所交互的消息或者信息的名称仅用于说明性的目的，而并不是用于对这些消息或信息的范围进行限制。
31.为了实现多轨道insar震间形变速率场拼接，将垂直形变监测领域扩展到更为复杂的构造形变监测领域中，既要统一多轨道insar形变速率场的参考基准，又要克服雷达卫星入射角的影响，本公开提出一种多轨道insar震间形变速率场拼接方法，通过使用gnss数据对insar形变速率场进行基准统一，在目标向进行大范围单一轨道形变速率场拼接时进行入射角校正，获取高精度、高空间分辨率、大范围目标向比如los向或地距向的形变速率场。
32.具体地，图1为本公开实施例提供的一种多轨道insar震间形变速率场拼接方法的流程示意图，该方法可以由多轨道insar震间形变速率场拼接装置执行，其中该装置可以采用软件和/或硬件实现，一般可集成在电子设备中。如图1所示，该方法包括：
33.步骤101、获取目标区域的全球导航卫星系统gnss的三维形变速率和多轨道合成孔径雷达sar数据。
34.其中，目标区域可以根据应用场景选择设置，比如青藏高原地区等。
35.本公开实施例中，获取gnss的三维形变速率的方式有很多种，在一些实施方式中，收集目标区域对应的sar影像覆盖的gnss三维形变速率或者收集目标区域原始gnss数据，经过差分处理，计算出对于站点(gnss站)的三维形变速率，最终得到gnss站的三维形变速率。
36.具体地，使用gamit/globk软件处理原始gnss数据，采用双差电离层组合观测值，比如采用时间间隔30s，时间段24h，高度截止角定为10，对流层每1h估计天顶对流层延迟及每天估计1个ns(北南)和ew(东西)梯度，固体潮汐模型采用iers2003模型，极潮模型采用fes2004模型，通过上述模型与方法，可以进行单日松弛解处理，得到一系列待估参数及其方差-协方差阵。利用globk进行多时段综合解算，获得网平差结果。在进行globk解算时，把基准站单日松弛解与igs(international gnss service，国际gnss服务)站单日松弛解联合平差，选取全球均匀分布的igs站为基准点，最后得到gnss的三维形变速率。
37.在本公开实施例中，获取sar数据的方式有很多种，在一些实施方式中，收集目标区域的升轨或者降轨sar数据。
38.步骤102、将三维形变速率投影至目标向，得到第一目标向形变速率。
39.其中，目标向可以是los向、地距向等，具体根据应用场景需要选择计算。第一目标向形变速率指的是将gnss的三维形变速率投影至目标向后的形变速率，比如第一los向形变速率、第一地距向形变速率。
40.在本公开实施例中，将三维形变速率投影至目标向，得到第一目标向形变速率的
方式有很多种，在一些实施方式中，当sar卫星包括水平运动和垂直运动，获取三维形变速率对应的垂直向形变速率、南北向形变速率、东西向形变速率和sar卫星的入射角和方位角，基于第一计算公式对垂直向形变速率、南北向形变速率、东西向形变速率和sar卫星的入射角和方位角进行计算，得到los视线向形变速率作为第一目标向形变速率。
41.在另一些实施方式中，sar卫星包括水平运动，获取三维形变速率对应的南北向形变速率、东西向形变速率和sar卫星的入射角和方位角，基于第二计算公式对南北向形变速率、东西向形变速率和sar卫星的入射角和方位角进行计算，得到第一地距向形变速率第一目标向形变速率。以上两种方式仅为将形变速率投影至目标向，得到第一目标向形变速率的示例，本公开实施例不对将形变速率投影至目标向，得到第一目标向形变速率的具体方式进行限定。
42.步骤103、将sar数据进行时序处理，得到每个轨道的第二目标向形变速率。
43.其中，对sar数据进行时序处理，获取对应的los向形变速率或者是将los向形变速率投影到地距向，得到地距向形变速率。比如可以根据d-insar技术处理获取对应los向三维形变速率，然后通过相位叠加(即将同一轨道相位叠加除以总的时间差)获取每个轨道的los向形变速率。第二目标向形变速率指的是sar数据对应的los向形变速率、地距向形变速率。
44.其中，根据d-insar技术处理获取对应los向形变速率包括：基于数字高程模型(digital elevation model，dem)、扫描行校正器(scan line corrector，slc)主影像模拟sar影像后进行影像配准，将dem转换到雷达坐标系后获取地形相位，同时slc主影像和slc辅影像进行影像配准后辅影像进行重采样，得到复共轭相乘生成干涉图后进行基线估算，得到去平地相位，基于地形相位和去平地相位得到差分干涉图后进行干涉图滤波、相位解缠和地理编码得到los向形变速率。
45.步骤104，基于第一目标向形变速率对第二目标向形变速率进行参考基准统一，得到每个轨道的第三目标向形变速率。
46.其中，第三目标向形变速率指的是对sar数据对应的los向形变速率、地距向形变速率按照gnss的三维形变速率投影至目标向后的形变速率进行参考基准统一后的目标向形变速率。
47.在一些实施例中，使用gnss数据投影的目标向形变速率，对sar数据的目标向形变速率比如los向三维形变速率和地距向三维形变速率分别进行参考基准统一(即gnss数据投影的los向三维形变速率和时序技术得到的los向三维形变速率存在一个差值)。
48.在一个具体实施例中，对第一目标向形变速率和los向形变速率进行差值处理，得到第一目标差值，使用二阶二次多项式以第一目标差值作为因变量、地理经纬度坐标作为自变量进行拟合，并基于最小二乘求解第一待估参数，基于第一待估参数确定第一形变速率比值，基于第一形变速率比值和los向形变速率进行计算，得到每个轨道的第三目标向形变速率。
49.步骤105，对第三目标向形变速率进行入射角校正，得到每个轨道的最终目标向形变速率，在地理坐标系下将每个轨道的最终目标向形变速率进行拼接。
50.其中，最终目标向形变速率指的是对第三目标向形变速率进行入射角校正后的目标向形变速率。
51.在本公开实施例中，对参考基准统一后的目标向比如los向形变速率进行入射角校正(入射角指的是sar卫星的入射角，即基于多项式改正的方法实现入射角校正)。
52.在一些实施方式中，基于sar卫星的方位角，将各轨道的第三目标向形变速率转换到sar坐标系下，并获取相邻轨道第三目标向形变速率之间的第二目标差值，使用二阶二次多项式以第二目标差值作为因变量、sar卫星视线向作为自变量进行拟合，并采用最小二乘求解第二待估参数，基于第二待估参数确定第二形变速率比值，基于第二形变速率比值和第三目标向形变速率进行计算，得到每个轨道的最终目标向形变速率。
53.在另一些实施方式中，将第二目标向形变速率投影到地距向，得到第二地距向形变速率，计算第一地距向形变速率和第二地距向形变速率之间的第三目标差值，使用二阶二次多项式以第三目标差值作为因变量、地理经纬度坐标作为自变量进行拟合，并采用最小二乘求解第三待估参数，基于第三待估参数确定第三形变速率比值，基于第三形变速率比值和第二地距向形变速率进行计算，得到每个轨道的最终目标向形变速率。
54.在一些实施方式中，在目标向比如分别los向和地距向进行大范围形变速率场拼接(即在地理坐标系下将各个轨道的最终目标向形变速率直接进行拼接，其中，地面上的点坐标必然在一个参考坐标系下，地理坐标系是指以经纬度来表示地面点位置)。
55.本公开实施例提供的多轨道insar震间形变速率场拼接方案，获取目标区域的全球导航卫星系统gnss的三维形变速率和多轨道合成孔径雷达sar数据，将三维形变速率投影至目标向，得到第一目标向形变速率，将sar数据进行时序处理，得到每个轨道的第二目标向形变速率，基于第一目标向形变速率对第二目标向形变速率进行参考基准统一，得到每个轨道的第三目标向形变速率，对第三目标向形变速率进行入射角校正，得到每个轨道的最终目标向形变速率，在地理坐标系下将每个轨道的最终目标向形变速率进行拼接。采用上述技术方案，使用gnss数据对insar形变速率场进行基准统一，在目标向进行大范围单一轨道形变速率场拼接时进行入射角校正，获取高精度、高空间分辨率、大范围目标向比如los向或地距向的形变速率场。
56.在一些实施例中，sar卫星包括水平运动和垂直运动，将三维形变速率投影至目标向，得到第一目标向形变速率，包括：获取三维形变速率，即获取对应的垂直向形变速率、南北向形变速率、东西向形变速率和sar卫星的入射角和方位角；基于第一计算公式对垂直向形变速率、南北向形变速率、东西向形变速率和sar卫星的入射角和方位角进行计算，得到los视线向形变速率作为第一目标向形变速率。
57.具体地，将gnss三维形变速率(东西南北垂直形变速率)投影到los向，比如第一计算公式为：
[0058][0059]
其中，d
los
表示insar的los向形变速率，du、dn和de分别表示地表垂直向、南北向和东西向的三维形变速率，θ
inc
和αh分别表示雷达卫星相对采集位置的入射角和方位角。
[0060]
在一些实施例中，基于第二计算公式对南北向形变速率、东西向形变速率和sar卫星的入射角和方位角进行计算，得到第一地距向形变速率作为第一目标向形变速率。
[0061]
具体地，将gnss三维形变速率(东西南北垂直形变速率)投影到地距向，比如第二计算公式为：
[0062]dald
＝-[sin(θ
inc
)dn(range_line) sin(θ
inc
)de(range_line)]
[0063]
其中，d
ald
表示地距向的三维形变速率；dn和de分别表示南北向和东西向的形变速率，θ
inc
和αh分别表示雷达卫星相对采集位置的入射角和方位角；
[0064][0065][0066]
在一些实施例中，对第一目标向形变速率和los向形变速率进行差值处理，得到第一目标差值，使用二阶二次多项式以所述第一目标差值作为因变量、地理经纬度坐标作为自变量进行拟合，并基于最小二乘求解第一待估参数，基于第一待估参数确定第一形变速率比值，基于第一形变速率比值和los向形变速率进行计算，得到每个轨道的第三目标向形变速率。
[0067]
具体地，使用gamma软件对sar数据进行了主辅影像配准、地形去除、平地相位去除、干涉图生成和滤波、相位解缠、stacking集成、地理编码等，获取了地表los三维形变速率。后续步骤都是在地理坐标系下进行的。
[0068]
具体地，基于sar卫星的入射角和方位角，将gnss的三维形变速率投影到los向，并在各个轨道insar的形变速率中，基于地理坐标搜索与gnss站对应的insar数据los向形变速率场，然后gnss投影的对los向形变速率和搜索到的los向形变速率进行差值处理，并以差值作为因变量，地理坐标(即经纬度)作为自变量，使用二阶二次多项式进行拟合，并基于最小二乘求解对应的待估参数，最后使用该二次多项式，并加上insar形变速率场，实现对insar形变速率进行基准的绝对统一。
[0069]
其中，使用该二次多项式，并加上insar形变速率场的公式为：
[0070][0071]
其中，表示入射角修正后的los向形变速率；d
los
(x,y)表示入射角修正前的los向形变速率。
[0072]
其中，
[0073]
其中，表示相邻轨道的重叠区域点位上形变速率差相对于主轨道的形变信号差异的比值；(x,y)表示重叠区域像素点的东西和南北向距离，a，b，c是第一待估参数。
[0074]
在一些实施例中，基于sar卫星的方位角，将各轨道的第三目标向形变速率转换到sar坐标系下，并获取相邻轨道第三目标向形变速率之间的第二目标差值，使用二阶二次多项式以第二目标差值作为因变量、sar卫星视线向作为自变量进行拟合，并采用最小二乘求
解第二待估参数，基于第二待估参数确定第二形变速率比值，基于第二形变速率比值和第三目标向形变速率进行计算，得到每个轨道的最终目标向形变速率。
[0075]
具体地，在基于gnss数据对insar数据los向形变速率场进行基准统一后，相邻轨道重叠区域仍然存在入射角的差异，且不可忽略。首先基于sar卫星的方位角，将各轨道insar形变速率场转换到雷达坐标系下，并获取相邻轨道insar形变速率场的差值，以差值作为因变量，距离向(即sar卫星视线向)作为自变量，使用二阶多项式进行拟合，并采用最小二乘求待估参数。以该二阶多项式消除或减弱入射角的影响。最后，对入射角修正后的insar三维形变速率场重新进行地理编码实现在地理坐标系下的insar大范围形变速率场的拼接。
[0076]
在一些实施例中，对第三目标向形变速率进行入射角校正，得到每个轨道的最终目标向形变速率，包括：将第二目标向形变速率投影到地距向，得到第二地距向形变速率；计算第一地距向形变速率和第二地距向形变速率之间的第三目标差值；使用二阶二次多项式以第三目标差值作为因变量、地理经纬度坐标作为自变量进行拟合，并采用最小二乘求解第三待估参数；基于第三待估参数确定第三形变速率比值；基于第三形变速率比值和第二地距向三维形变速率进行计算，得到每个轨道的最终目标向形变速率。
[0077]
具体地，若目标区域以水平运动为主，即可以忽略垂直形变的影响，可以实现在地距向大范围insar形变速率的拼接，从而避免入射角的影响。即基于sar卫星的入射角和方位角，将gnss形变速率场投影到地距向，insar数据los向形变速率场投影到地距向，然后搜索gnss站对应的insar数据los向三维形变速率场。
[0078]
进一步对地距向的gnss数据和搜索到的地距向三维形变速率数据进行差值处理，并以差值作为因变量，地理坐标作为自变量，同样可以使用二阶二次多项式进行拟合，并基于最小二乘求解对应的待估参数，最后使用该二次多项式，并加上insar形变速率，实现对insar形变速率进行基准的绝对统一，最后在地理坐标系下，实现大范围在地距向大范围insar形变速率的拼接。
[0079]
由此，如果仅仅以水平运动为主，可以考虑只针对地距向投影计算，如果水平和垂直都要考虑的话是通过los方向投影计算。
[0080]
由此，通过使用gnss数据对insar形变速率进行了基准统一，在los向进行大范围单一轨道形变速率拼接时，进行入射角校正，成功获取高精度、高空间分辨率、大范围los向形变速率数据。考虑到在构造形变领域，地表水平运动一般较垂直运动更为强烈，通过以gnss数据为参考数据，对insar形变速率在地距向进行基准统一，实现了在地距向进行大范围单一轨道形变速率拼接。
[0081]
综上，本公开提出的技术方案考虑了影响大范围单一轨道insar形变速率场的主要因素，即参考点和入射角，在保证各个轨道sar数据时间覆盖基本一致的条件下，解决参考基准和入射角的差异后,在地距向和los向拼接的图像结果很好，成功实现了高精度、大范围insar三维形变速率重建，对研究大范围、高精度构造形变的空间变化具有重要意义，方式简单且满足应用需求。
[0082]
图2为本公开实施例提供的一种多轨道insar震间形变速率场拼接装置的结构示意图，该装置可由软件和/或硬件实现，一般可集成在电子设备中。如图2所示，该装置包括：
[0083]
获取模块201，用于获取目标区域的全球导航卫星系统gnss的三维形变速率和多
轨道合成孔径sarsar数据；
[0084]
投影模块202，用于将所述三维形变速率投影至目标向，得到第一目标向形变速率；
[0085]
处理模块203，用于将所述sar数据进行时序处理，得到每个轨道的第二目标向形变速率；
[0086]
基准统一模块204，用于基于所述第一目标向形变速率对所述第二目标向形变速率进行参考基准统一，得到每个轨道的第三目标向形变速率；
[0087]
校正模块205，用于对所述第三目标向形变速率进行入射角校正，得到每个轨道的最终目标向形变速率；
[0088]
拼接模块206，用于在地理坐标系下将所述每个轨道的最终目标向形变速率进行拼接。
[0089]
可选的，sar卫星包括水平运动和垂直运动，所述投影模块202具体用于：
[0090]
获取所述三维形变速率对应的垂直向形变速率、南北向形变速率、东西向形变速率和sar卫星的入射角和方位角；
[0091]
基于第一计算公式对所述垂直向形变速率、所述南北向形变速率、所述东西向形变速率和所述sar卫星的入射角和方位角进行计算，得到los视线向形变速率作为所述第一目标向形变速率。
[0092]
可选的，所述sar卫星仅包括水平运动，所述投影模块202具体还用于：
[0093]
基于第二计算公式对所述南北向形变速率、所述东西向形变速率和所述sar卫星的入射角和方位角进行计算，得到第一地距向形变速率作为所述第一目标向形变速率。
[0094]
可选的，所述基准统一模块204具体用于：
[0095]
对所述第一目标向形变速率和所述los向形变速率进行差值处理，得到第一目标差值；
[0096]
使用二阶二次多项式以所述第一目标差值作为因变量、地理经纬度坐标作为自变量进行拟合，并基于最小二乘求解第一待估参数；
[0097]
基于所述第一待估参数确定第一形变速率比值；
[0098]
基于所述第一形变速率比值和所述los向形变速率进行计算，得到所述每个轨道的第三目标向形变速率。
[0099]
可选的，所述校正模块205具体用于：
[0100]
基于sar卫星的方位角，将各轨道的所述第三目标向形变速率转换到sar坐标系下，并获取相邻轨道所述第三目标向形变速率之间的第二目标差值；
[0101]
使用二阶二次多项式以所述第二目标差值作为因变量、sar卫星视线向作为自变量进行拟合，并采用最小二乘求解第二待估参数；
[0102]
基于所述第二待估参数确定第二形变速率比值；
[0103]
基于所述第二形变速率比值和所述第三目标向形变速率进行计算，得到所述每个轨道的最终目标向形变速率。
[0104]
可选的，所述校正模块205具体用于：
[0105]
将所述第二目标向形变速率投影到地距向，得到第二地距向形变速率；
[0106]
计算所述第一地距向形变速率和所述第二地距向形变速率之间的第三目标差值；
[0107]
使用二阶二次多项式以所述第三目标差值作为因变量、地理经纬度坐标作为自变量进行拟合，并采用最小二乘求解第三待估参数；
[0108]
基于所述第三待估参数确定第三形变速率比值；
[0109]
基于所述第三形变速率比值和所述第二地距向形变速率进行计算，得到所述每个轨道的最终目标向形变速率。
[0110]
可选的，所述拼接模块206具体用于：
[0111]
基于所述任意相邻两个轨道在所述地理坐标系下的最终目标向形变速率进行叠加，得到拼接结果。
[0112]
本公开实施例所提供的多轨道insar震间形变速率场拼接装置可执行本公开任意实施例所提供的多轨道insar震间形变速率场拼接方法，具备执行方法相应的功能模块和有益效果。
[0113]
本公开实施例还提供了一种计算机程序产品，包括计算机程序/指令，该计算机程序/指令被处理器执行时实现本公开任意实施例所提供的多轨道insar震间形变速率场拼接方法。
[0114]
根据本公开的一个或多个实施例，本公开提供了一种电子设备，包括：
[0115]
处理器；
[0116]
用于存储所述处理器可执行指令的存储器；
[0117]
所述处理器，用于从所述存储器中读取所述可执行指令，并执行所述指令以实现如本公开提供的任一所述的多轨道insar震间形变速率场拼接方法。
[0118]
根据本公开的一个或多个实施例，本公开提供了一种计算机可读存储介质，所述存储介质存储有计算机程序，所述计算机程序用于执行如本公开提供的任一所述的多轨道insar震间形变速率场拼接方法。
[0119]
以上描述仅为本公开的较佳实施例以及对所运用技术原理的说明。本领域技术人员应当理解，本公开中所涉及的公开范围，并不限于上述技术特征的特定组合而成的技术方案，同时也应涵盖在不脱离上述公开构思的情况下，由上述技术特征或其等同特征进行任意组合而形成的其它技术方案。例如上述特征与本公开中公开的(但不限于)具有类似功能的技术特征进行互相替换而形成的技术方案。
[0120]
此外，虽然采用特定次序描绘了各操作，但是这不应当理解为要求这些操作以所示出的特定次序或以顺序次序执行来执行。在一定环境下，多任务和并行处理可能是有利的。同样地，虽然在上面论述中包含了若干具体实现细节，但是这些不应当被解释为对本公开的范围的限制。在单独的实施例的上下文中描述的某些特征还可以组合地实现在单个实施例中。相反地，在单个实施例的上下文中描述的各种特征也可以单独地或以任何合适的子组合的方式实现在多个实施例中。
[0121]
尽管已经采用特定于结构特征和/或方法逻辑动作的语言描述了本主题，但是应当理解所附权利要求书中所限定的主题未必局限于上面描述的特定特征或动作。相反，上面所描述的特定特征和动作仅仅是实现权利要求书的示例形式。