一种围垦工程沉降监测方法、系统、设备和存储介质

技术领域

本发明涉及一种围垦工程沉降监测方法、系统、设备和存储介质，属于围垦工程沉降监测技术领域。

背景技术

围垦工程是在沿江、滨湖和海边的滩地上圈筑围堤进行垦殖的工程技术，即常说的围海造田、围湖造田，是合理开发利用土地资源，扩展陆域，缓解人地矛盾的主要方式之一；有利于现代农业、水产养殖业的发展，从而带动经济效益；同时垦区对沿岸地区也起到重要的屏障保护作用，有助于防止水土流失，改善生态环境。但围垦工程通常构建在滩涂上，受到地质条件、筑堤材料、海水侵蚀、施工工艺等诸多因素影响，在施工过程中以及建成之后均会产生不同程度的沉降变形，对后续的工程建设和人类的生产生活有很大安全隐患，甚至引发环境灾害，因此，对围垦工程进行沉降监测是十分必要的。

目前常用的围垦工程沉降监测方法有水准测量、三角高程测量和GPS测量，其中水准测量受地形限制较大，施测速度较慢；三角高程测量虽然施测速度快，受地形限制小，但受大气折光影响严重，精度难以保证；GPS测量则具有全天候、自动化、测量精度高的优点，但设备昂贵难以大规模布网监测。同时，以上三种方法还有一个共同的缺点是只能获得空间尺度较大的离散点的形变信息，难以反映连续形变规律。

近年来，合成孔径雷达干涉测量技术(InSAR)应用越来越广泛，其根据两幅合成孔径雷达影像图的干涉相位信息来获取地表形变量，具有精度高、监测范围广、监测连续性强、受天气影响小、监测实施方便等特点。然而由于地表的散射特性随时间和观测方向变化等因素引起的失相干，限制了InSAR的适用性，因此产生了时序InSAR技术，通过多幅影像的干涉叠加尽可能减小时空失相干的影响。目前最常用的两种时序InSAR算法为永久散射体干涉测量(PS-InSAR)和小基线集干涉测量(SBAS-InSAR)，这两种算法各有千秋，其中PS局限于线性形变，更适用于人工建筑区域，对数据的数量需求较大,SBAS相对适用性更强但精度低于PS。

围垦工程区通常既包含修筑的河堤，也包含很多农田区域，单一的算法难以提取足够多的形变信号。

发明内容

为了解决上述现有技术中存在的问题，本发明提出了一种围垦工程沉降监测方法、系统、设备和存储介质，结合了PS-InSAR和SBAS-InSAR进行目标围垦工程的沉降监测。

本发明的技术方案如下：

一方面，本发明提出一种围垦工程沉降监测方法，包括以下步骤：

获取原始数据，包括目标围垦工程的时序SLC数据、DEM数据以及轨道精炼数据，并对原始数据进行预处理；

依次从预处理后的时序SLC数据中选择一幅SAR影像作为主影像，其它N幅SAR影像作为辅影像，根据影像参数计算主影像与其它N幅辅影像的相干性，计算总的相干性最大的主影像作为公共主影像，根据公共主影像与其它所有SAR影像生成N个第一干涉图；

对N个第一干涉图进行相干系数分析以及振幅离差分析，提取满足要求的PS点集；

对预处理后的时序SLC数据中的所有SAR影像，根据影像参数计算所有SAR影像两两之间的卫星采集位置和采集时间的差值，对两个差值均小于设定阈值的SAR影像对纳入短基线集，形成M个第二干涉图；

对M个第二干涉图进行振幅离差分析以及相位分析，提取满足要求的SDFP点集；

将提取的PS点集和SDFP点集合并；

对合并点集进行三维相位解缠和误差消除后，得到目标围垦工程地表形变信息；通过目标围垦工程地表形变信息计算目标围垦工程的沉降速率。

作为优选实施方式，所述对原始数据进行预处理包括：

针对目标围垦工程区域对时序SLC数据进行区域剪裁；

针对目标围垦工程区域对DEM数据进行DEM拼接；

基于轨道精炼数据对完成区域剪裁后的时序SLC数据中的多幅SAR影像进行影像配准；

对完成影像配准后的时序SLC数据进行光谱多样性增强。

作为优选实施方式，所述根据影像参数计算主影像与其它N幅辅影像的相干性，计算总的相干性最大的主影像作为公共主影像的方法具体为：

根据影像参数计算主影像与其它N幅辅影像的垂直基线B

其中，

其中，ρ为相干性，T

计算总的相干性

作为优选实施方式，所述对N个第一干涉图进行相干系数分析以及振幅离差分析，提取满足要求的PS点集的方法具体为：

对N个第一干涉图分别计算相干系数，计算公式为：

其中，S

计算得到所有像元的相干系数序列γ

进行振幅离差分析，设每一个候选PS点幅值强度的时间序列为A，则其振幅离差D

其中σ

设定第一振幅离差阈值T

作为优选实施方式，所述对M个第二干涉图进行振幅离差分析以及相位分析，提取满足要求的SDFP点集的方法具体为：

进行振幅离差分析，计算M个第二干涉图中每一像元的振幅离差，设定第二振幅离差阈值，将振幅离差小于第二振幅离差阈值的像元作为候选SDFP点；

对候选SDFP点进行相位分析，通过空间低通滤波分离出空间相关相位的估计值，通过与垂直基线的相关性估计与空间无关的视角误差项；

根据空间相关相位的估计值和与空间无关的视角误差项计算去相关噪声的估计值γ

其中，ψ

对去相关噪声的估计值γ

设定去相关噪声的估计值γ

作为优选实施方式，所述将提取的PS点集和SDFP点集合并的方法具体为：

计算PS点集中的PS点在短基线集上的干涉相位；

保存计算出的干涉相位，并取PS点集和SDFP点集的并集为合并点集。

作为优选实施方式，所述合并点集进行三维相位解缠和误差消除的方法具体为：

采用三维相位解缠法对合并点集中的点对应的干涉对之间的干涉相位进行解缠；

利用空间低通滤波估计解缠后的干涉相位的大气误差和轨道误差，并去除大气误差和轨道误差；

对去除了大气误差和轨道误差的干涉相位进行二次解缠。

另一方面，本发明还提出一种围垦工程沉降监测系统，包括：

数据处理模块，用于获取原始数据，包括目标围垦工程的时序SLC数据、DEM数据以及轨道精炼数据，并对原始数据进行预处理；

PS干涉对生成模块，用于依次从时序SLC数据中选择一幅SAR影像作为主影像，其它N幅SAR影像作为辅影像，根据影像参数计算主影像与其它N幅辅影像的相干性，计算总的相干性最大的主影像作为公共主影像，根据公共主影像与其它所有SAR影像生成N个第一干涉图；

PS点提取模块，对N个第一干涉图进行相干系数分析以及振幅离差分析，提取满足要求的PS点集；

SBAS干涉对生成模块，对时序SLC数据中的所有SAR影像，根据影像参数计算所有SAR影像两两之间的卫星采集位置和采集时间的差值，对两个差值均小于设定阈值的SAR影像对纳入短基线集，形成M个第二干涉图；

SDFP点提取模块，对M个第二干涉图进行振幅离差分析以及相位分析，提取满足要求的SDFP点集；

点集合并模块，用于将提取的PS点集和SDFP点集合并；

沉降监测模块，用于对合并点集进行三维相位解缠和误差消除后，得到目标围垦工程地表形变信息；通过目标围垦工程地表形变的相位信息计算目标围垦工程的沉降速率。

再一方面，本发明还提出一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现如本发明任一实施例所述的围垦工程沉降监测方法。

再一方面，本发明还提出一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现如本发明任一实施例所述的围垦工程沉降监测方法。

本发明具有如下有益效果：

1、本发明一种围垦工程沉降监测方法、系统、设备及存储介质，考虑围垦工程地表的实际散射特性介于PS点和SB点之间，通过结合PS-InSAR和SBAS-InSAR这两种算法提取更多的相干点，最大化了可用信号的空间采样，具有更高的信噪比，有助于获取更可靠的相位估计。

2、本发明通过SAR影像的影像参数计算出所有SAR影像作为主影像时与其他所有辅影像的相干性，进一步根据总的相干性选取出最优的公共主影像，使得形成的干涉图总的相干性最大，这种选取方法确保了公共主影像选取的客观性，且直接根据影像参数进行计算比较简便。

3、本发明考虑到采用的SLC数据本身垂直基线较短，适用于相干系数探测，但为提高点的质量采用了相干系数和振幅离差双阈值法，先用相干系数剔除失相干的目标，再用振幅离差精细挑选，能够很好的适应围垦工程的复杂环境因素。

4、本发明在SDFP点选取中采用了与PS点相同的振幅离差，计算结果可以复用，大大减少了计算量。

附图说明

图1为本发明实施例一的方法流程图；

图2为本发明实施例二的系统结构示意图；

图3为本发明实施例三的电子设备结构示意图。

图中附图标记为：

3、电子设备；310、存储器；3101、可在处理器上运行的计算机程序；320、处理器；330、系统总线。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

应当理解，文中所使用的步骤编号仅是为了方便描述，不对作为对步骤执行先后顺序的限定。

应当理解，在本发明说明书中所使用的术语仅仅是出于描述特定实施例的目的而并不意在限制本发明。如在本发明说明书和所附权利要求书中所使用的那样，除非上下文清楚地指明其它情况，否则单数形式的“一”、“一个”及“该”意在包括复数形式。

术语“包括”和“包含”指示所描述特征、整体、步骤、操作、元素和/或组件的存在，但并不排除一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、元素、组件和/或其集合的存在或添加。

术语“和/或”是指相关联列出的项中的一个或多个的任何组合以及所有可能组合，并且包括这些组合。

实施例一：

基于背景技术中提出的问题，本实施例提出一种结合PS-InSAR和SBAS-InSAR的围垦工程沉降监测方法，参见图1，该方法包括以下步骤：

S100、获取原始数据，包括目标围垦工程的时序SLC(Single Look Complex，单视复数影像)数据、DEM(Digital Elevation Model，全球数字高程模型)数据以及轨道精炼数据(也可称作精密轨道数据)，并对原始数据进行预处理，其中DEM数据为了去除地形相位，在差分干涉时使用，轨道精炼数据用于进行影像配准；

S200、依次从时序SLC数据中选择一幅SAR影像作为主影像，其它N幅SAR影像作为辅影像，根据影像参数计算主影像与其它N幅辅影像的相干性，计算总的相干性最大的主影像作为公共主影像；

例如时序SLC数据中包括x

根据公共主影像与其它所有SAR影像组合成N组第一干涉对，对N组第一干涉对进行差分干涉，生成N个第一干涉图；

S210、对生成的N个第一干涉图进行相干系数分析，剔除明显不是PS点的像元，再进行振幅离差分析，筛除并提取满足要求的PS点集；本实施例考虑到采用的Sentinel-1数据(SLC数据)本身垂直基线较短，适用于相干系数探测，但为提高点的质量采用了相干系数和振幅离差双阈值法，先用相干系数剔除失相干的目标，再用振幅离差精细挑选，能够很好的适应围垦工程的复杂环境因素。

S300、为了使生成的干涉图相关性尽量大，分别设定垂直基线阈值

S310、对M个第二干涉图进行振幅离差分析以及相位分析，提取满足要求的SDFP点集；本实施例在SDFP点选取中采用了与PS点相同的振幅离差，计算结果可以复用，大大减少了计算量。

S400、将提取的PS点集和SDFP点集合并。

S500、对合并点集进行三维相位解缠和误差消除后，得到目标围垦工程地表形变信息；通过目标围垦工程地表形变的相位信息，利用奇异值分解法估算目标围垦工程的沉降速率。

作为本实施例的优选实施方式，在步骤S100中，所述对原始数据进行预处理包括：

针对目标围垦工程区域对时序SLC数据进行区域剪裁，裁剪出目标围垦工程区域，减少计算量；

因为DEM数据是分块的，因此需要对DEM数据进行DEM拼接以覆盖目标围垦工程区域；

基于轨道精炼数据对完成区域剪裁后的时序SLC数据中的多幅SAR影像的像元进行影像配准，使之能够对应上；

对完成影像配准后的时序SLC数据进行光谱多样性增强，一个SLC数据是有多条带的，通过光谱多样性增强对相邻条带的重叠区域进行校正。

作为本实施例的优选实施方式，在步骤S200中，所述根据影像参数计算主影像与其它N幅辅影像的相干性，计算总的相干性最大的主影像作为公共主影像的方法具体为：

S201、根据影像参数计算主影像与其它N幅辅影像的垂直基线B

其中，

其中，ρ为相干性，T

S202、计算

作为本实施例的优选实施方式，在步骤S210中，所述对N个第一干涉图进行相干系数分析以及振幅离差分析，提取满足要求的PS点集的方法具体为：

S211、对N个第一干涉图分别计算相干系数，计算公式为：

其中，S

S212、计算得到所有像元的相干系数序列γ

S213、进行振幅离差分析，设每一个候选PS点幅值强度的时间序列为A，则其振幅离差D

其中σ

设定第一振幅离差阈值T

作为本实施例的优选实施方式，在步骤S310中，所述对M个第二干涉图进行振幅离差分析以及相位分析，提取满足要求的SDFP点集的方法具体为：

S311、为了节省SDFP点的计算时间，采用振幅离差分析进行初步筛选，计算M个第二干涉图中每一像元的振幅离差，设定第二振幅离差阈值，将振幅离差小于第二振幅离差阈值的像元作为候选SDFP点，振幅离差分析的方法和步骤S213相同，在本实施例中，第二振幅离差阈值设置为0.65；

S312、对候选SDFP点进行相位分析，通过空间低通滤波分离出空间相关相位的估计值，通过与垂直基线的相关性估计与空间无关的视角误差项；

S313、根据空间相关相位的估计值和与空间无关的视角误差项计算去相关噪声的估计值γ

其中，ψ

S314、因为空间相关相位的估计值和空间无关的视角误差项都是估计值，因此需要重复估算空间相关相位的估计值和空间无关的视角误差项，对去相关噪声的估计值γ

S315设定去相关噪声的估计值γ

作为本实施例的优选实施方式，在步骤S400中，所述将提取的PS点集和SDFP点集合并的方法具体为：

进行差分干涉，计算PS点集中的PS点在短基线集上的干涉相位；

保存计算出的干涉相位，并取PS点集和SDFP点集的并集为合并点集。

作为本实施例的优选实施方式，在步骤S500中，所述对合并点集进行三维相位解缠和误差消除的方法具体为：

采用sanphu的三维相位解缠法对合并点集中的点对应的干涉对之间的干涉相位进行解缠，干涉对中包含的两个影像进行差分干涉后得到干涉图，干涉图上的干涉相位包含了形变信息，但这个干涉相位是缠绕的，所以需要解缠；

利用空间低通滤波估计解缠后的干涉相位的大气误差和轨道误差，并相应的去除解缠后的干涉相位中的大气误差和轨道误差；

同样的采用sanphu的三维相位解缠法对去除了大气误差和轨道误差的干涉相位进行二次解缠，得到目标围垦工程地表形变信息。

实施例二：

参见图2，本实施例提出一种围垦工程沉降监测系统，包括：

数据处理模块，用于获取原始数据，包括目标围垦工程的时序SLC数据、DEM数据以及轨道精炼数据，并对原始数据进行预处理；该模块用于实现实施例一中步骤S100的功能，在此不再赘述；

PS干涉对生成模块，用于依次从时序SLC数据中选择一幅SAR影像作为主影像，其它N幅SAR影像作为辅影像，根据影像参数计算主影像与其它N幅辅影像的相干性，计算总的相干性最大的主影像作为公共主影像，根据公共主影像与其它所有SAR影像生成N个第一干涉图；该模块用于实现实施例一中步骤S200的功能，在此不再赘述；

PS点提取模块，对N个第一干涉图进行相干系数分析以及振幅离差分析，提取满足要求的PS点集；该模块用于实现实施例一中步骤S210的功能，在此不再赘述；

SBAS干涉对生成模块，对时序SLC数据中的所有SAR影像，根据影像参数计算所有SAR影像两两之间的卫星采集位置和采集时间的差值，对两个差值均小于设定阈值的SAR影像对纳入短基线集，形成M个第二干涉图；该模块用于实现实施例一中步骤S300的功能，在此不再赘述；

SDFP点提取模块，对M个第二干涉图进行振幅离差分析以及相位分析，提取满足要求的SDFP点集；该模块用于实现实施例一中步骤S310的功能，在此不再赘述；

点集合并模块，用于将提取的PS点集和SDFP点集合并；该模块用于实现实施例一中步骤S400的功能，在此不再赘述；

沉降监测模块，用于对合并点集进行三维相位解缠和误差消除后，得到目标围垦工程地表形变信息；通过目标围垦工程地表形变信息计算目标围垦工程的沉降速率；该模块用于实现实施例一中步骤S500的功能，在此不再赘述。

实施例三：

图3是本实施例提供的一种电子设备的结构示意图。所述电子设备用于进行围垦工程的沉降监测。如图3所示，该实施例的电子设备3至少包括：存储器310、处理器320以及系统总线330，所述存储器310包括存储其上的可在处理器上运行的计算机程序3101，本领域技术人员可以理解，图3中示出的电子设备结构并不构成对电子设备的限定，可以包括比图示更多或更少的部件，或者组合某些部件，或者不同的部件布置。

下面结合图3对电子设备的各个构成部件进行具体的介绍：

存储器310可用于存储软件程序以及模块，处理器320通过运行存储在存储器310的软件程序以及模块，从而执行电子设备的各种功能应用以及数据处理。存储器310可主要包括存储程序区和存储数据区，其中，存储程序区可存储操作系统、至少一个功能所需的应用程序(比如声音播放功能、图像播放功能等)等；存储数据区可存储根据电子设备的使用所创建的数据(比如缓存数据)等。此外，存储器310可以包括高速随机存取存储器，还可以包括非易失性存储器，例如至少一个磁盘存储器件、闪存器件、或其他易失性固态存储器件。

在存储器310上包含网络请求方法的可在处理器上运行的计算机程序3101，所述可在处理器上运行的计算机程序3101可以被分割成一个或多个模块/单元，所述一个或多个模块/单元被存储在所述存储器310中，并由处理器320执行，以实现围垦工程沉降监测等，所述一个或多个模块/单元可以是能够完成特定功能的一系列计算机程序指令段，该指令段用于描述所述围垦工程沉降监测方法3101在所述电子设备3中的执行过程。例如，所述围垦工程沉降监测方法3101可以被分割为数据处理模块、PS干涉对生成模块、PS点提取模块、SBAS干涉对生成模块、SDFP点提取模块、点集合并模块、沉降监测模块等。

处理器320是电子设备的控制中心，利用各种接口和线路连接整个电子设备的各个部分，通过运行或执行存储在存储器310内的软件程序和/或模块，以及调用存储在存储器310内的数据，执行电子设备的各种功能和处理数据，从而对电子设备进行整体状态监控。可选的，处理器320可包括一个或多个处理单元；优选的，处理器320可集成应用处理器和调制解调处理器，其中，应用处理器主要处理操作系统、应用程序等，调制解调处理器主要处理无线通信。可以理解的是，上述调制解调处理器也可以不集成到处理器320中。

系统总线330是用来连接计算机内部各功能部件，可以传送数据信息、地址信息、控制信息，其种类可以是例如PCI总线、ISA总线、CAN总线等。处理器320的指令通过总线传递至存储器310，存储器310反馈数据给处理器320，系统总线330负责处理器320与存储器310之间的数据、指令交互。当然系统总线330还可以接入其他设备，例如网络接口、显示设备等。

在本发明实施例中，该电子设备所包括的处理320执行的可在处理器上运行的计算机程序包括：

获取原始数据，包括目标围垦工程的时序SLC数据、DEM数据以及轨道精炼数据，并对原始数据进行预处理；

依次从预处理后的时序SLC数据中选择一幅SAR影像作为主影像，其它N幅SAR影像作为辅影像，根据影像参数计算主影像与其它N幅辅影像的相干性，计算总的相干性最大的主影像作为公共主影像，根据公共主影像与其它所有SAR影像生成N个第一干涉图；

对N个第一干涉图进行相干系数分析以及振幅离差分析，提取满足要求的PS点集；

对预处理后的时序SLC数据中的所有SAR影像，根据影像参数计算所有SAR影像两两之间的卫星采集位置和采集时间的差值，对两个差值均小于设定阈值的SAR影像对纳入短基线集，形成M个第二干涉图；

对M个第二干涉图进行振幅离差分析以及相位分析，提取满足要求的SDFP点集；

将提取的PS点集和SDFP点集合并；

对合并点集进行三维相位解缠和误差消除后，得到目标围垦工程地表形变信息；通过目标围垦工程地表形变信息计算目标围垦工程的沉降速率。

实施例四：

本实施例提出一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现如本发明任一实施例所述的围垦工程沉降监测方法。

本申请实施例中，“至少一个”是指一个或者多个，“多个”是指两个或两个以上。“和/或”，描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，A和/或B，可以表示单独存在A、同时存在A和B、单独存在B的情况。其中A，B可以是单数或者复数。字符“/”一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。“以下至少一项”及其类似表达，是指的这些项中的任意组合，包括单项或复数项的任意组合。例如，a，b和c中的至少一项可以表示：a，b，c，a和b，a和c，b和c或a和b和c，其中a，b，c可以是单个，也可以是多个。

本领域普通技术人员可以意识到，本文中公开的实施例中描述的各单元及算法步骤，能够以电子硬件、计算机软件和电子硬件的结合来实现。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本申请的范围。

所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的系统、装置和单元的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。

在本申请所提供的几个实施例中，任一功能如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本申请的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本申请各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(Read-Only Memory；以下简称：ROM)、随机存取存储器(Random Access Memory；以下简称：RAM)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。