多轨道InSAR提取高精度三维形变方法

技术领域

本发明涉及微波遥感测量领域，具体地涉及多轨道InSAR提取高精度三维形变方法。

背景技术

干涉合成孔径雷达(InSAR)技术在过去二十年中一直是监测山体滑坡，地震，火山爆发，采矿沉降等地质灾害的有效方法。然而，InSAR技术仅提供雷达视线向(Line ofsight，简称LOS)的一维变形。在实际应用中，多数情况下，LOS向变形不适用于评估灾害范围。

近年来，随着SAR卫星数量的增多，获取不同航向和入射角(升轨和降轨数据，或左视和右视数据)的多组LOS向形变数据成为可能。利用3组LOS向形变数据建立观测方程组，能够解得垂直、东西、南北向形变数据。但受SAR卫星近南北飞行轨道的限制，南北向解算结果精度远低于垂直、东西向。

发明内容

为解决现有技术中的技术问题，本发明提供多轨道InSAR提取高精度三维形变方法。包括以下内容:

本发明的第一方面，提供一种多轨道InSAR提取高精度三维形变方法，包括：

从多轨道SAR数据中获取每个轨道的LOS向形变；

根据SAR传感器侧视成像几何关系，建立LOS向形变与三维方向形变关系方程组，建立LOS向形变与忽略南向北形变的二维方向形变关系方程组；

根据LOS向形变与三维方向形变关系方程组和LOS向形变与二维方向形变关系方程组，利用最小二乘法，得到三维方向的形变结果以及垂直向和东西向形变；

根据LOS向形变误差和三维方向的形变结果误差关系，建立三维形变误差传递模型，根据LOS向形变误差和垂直向和东西向形变误差关系，建立LOS向形变误差和二维形变误差传递模型；

根据二维形变误差传递模型的垂直向及东西向系统误差和南北向形变分量的关系，建立额外系统误差传递模型；

基于额外系统误差传递模型、三维解算南北向形变和忽略南北向解算的垂直向及东西向形变与LOS向形变的关系建立目标函数，并对目标函数添加正则化约束项；

基于带有约束项的目标函数结合设定的误差传递模型，得到目标函数矩阵；

基于目标函数矩阵得到满足目标函数极小值的LOS向形变误差，将LOS向形变误差代入三维形变误差传递模型，得到三维形变误差；

根据三维形变误差得到三维形变结果。

可选的，所述建立LOS向形变与三维方向形变关系方程组中，方程组为：

式中，

θ

u′，e′，n′分别为垂直向、东西向和南北向三维形变。

可选的，建立LOS向形变与忽略南北向形变的二维方向形变关系方程组中，方程组为：

式中，u″,e″为忽略南北向时垂直向和东西向形变。

可选的，所述根据LOS向形变与三维方向形变关系方程组和LOS向形变与二维方向形变关系方程组，利用最小二乘法，得到三维方向的形变结果以及垂直向和东西向形变中，公式为：

D＝(A

式中A为：

L为雷达视线向形变，分别为：

W为LOS向形变权重矩阵，采用等价权重矩阵，

D为解算所得三维形变或忽略南北向得到的二维形变为：

可选的，所述根据LOS向形变误差和三维方向的形变结果误差关系，建立三维形变误差传递模型为：

式中，

式中σ

可选的，根据LOS向形变误差和垂直向和东西向形变误差关系，建立LOS向形变误差和二维形变误差传递模型为：

式中，

式中，σ

可选的，所述根据二维形变误差传递模型的垂直向及东西向系统误差和南北向形变分量的关系，建立额外系统误差传递模型为：

式中，Δu″

忽略南北向形变解算导致的垂直向系统误差、东西向系统误差与南北向形变分量成正相关关系，其比例常数为：

式中A

/>

可选的，基于额外系统误差传递模型、三维解算南北向形变和忽略南北向解算的垂直向及东西向形变与LOS向形变的关系建立目标函数，并对目标函数添加正则化约束项，包括：

对目标函数添加稳定泛化函数

式中，||·||

可选的，所述基于目标函数矩阵得到满足目标函数极小值的LOS向形变误差，将LOS向形变误差代入三维形变误差传递模型，得到三维形变误差，包括：

对目标函数建立求导方程组：

将求导方程组表示为矩阵为：

(B

对方程求解为：

σ＝(B

由上得到满足minf

利用三维方向形变误差得到优化后的南北向形变n＝n′-σ

本发明的第二方面，提供一种电子设备，所述电子设备包括：

至少一个处理器；以及，

与所述至少一个处理器通信连接的存储器；其中，

所述存储器存储有可被所述至少一个处理器执行的指令，所述指令被所述至少一个处理器执行，以使所述至少一个处理器能够执行第一方面任一所述的多轨道InSAR提取高精度三维形变方法。

本发明的第三方面，提供一种计算机可读存储介质，该计算机可读存储介质存储计算机指令，该计算机指令用于使计算机执行第一方面任一所述的多轨道InSAR提取高精度三维形变方法。

本发明的多轨道InSAR提取高精度三维形变方法，基于多轨道LOS向形变数据，提取三维形变，降低提取高精度三维形变结果对SAR卫星参数的严格要求，且无需给定参数条件和复杂的信号处理方法，通过数学计算的方式，获得高精度的三维形变结果，达到提高南北向形变精度的目的。

附图说明

图1为本实施例公开的多轨道InSAR提取高精度三维形变方法的流程图。

具体实施方式

现详细说明本发明的多种示例性实施方式，该详细说明不应认为是对本发明的限制，而应理解为是对本发明的某些方面、特性和实施方案的更详细的描述。

应理解本发明中所述的术语仅仅是为描述特别的实施方式，并非用于限制本发明。另外，对于本发明中的数值范围，应理解为具体公开了该范围的上限和下限以及它们之间的每个中间值。在任何陈述值或陈述范围内的中间值以及任何其他陈述值或在所述范围内的中间值之间的每个较小的范围也包括在本发明内。这些较小范围的上限和下限可独立地包括或排除在范围内。

除非另有说明，否则本文使用的所有技术和科学术语具有本发明所述领域的常规技术人员通常理解的相同含义。虽然本发明仅描述了优选的方法和材料，但是在本发明的实施或测试中也可以使用与本文所述相似或等同的任何方法和材料。本说明书中提到的所有文献通过引用并入，用以公开和描述与所述文献相关的方法和/或材料。在与任何并入的文献冲突时，以本说明书的内容为准。

如图1所示，一种多轨道InSAR提取高精度三维形变方法，包括：

步骤S1、从多轨道的SAR数据中获取每个轨道的LOS向形变，具体为对三个轨道的SAR数据分别采用InSAR技术进行处理，得到每个轨道的LOS向形变位移；

具体地，可以基于InSAR技术得到地理编码后的LOS向形变图。其中，地理编码指将雷达影像坐标系转换到通用横轴墨卡托投影(Universal Transverse Mercator,简称UTM)坐标系；

步骤S2、根据SAR传感器侧视成像几何关系，建立LOS向形变与三维方向形变关系方程组，建立LOS向形变与忽略南向北形变的二维方向形变关系方程组，具体为：根据SAR传感器侧视成像几何关系，建立LOS向形变与三维方向形变关系方程组中，LOS向形变与三维方向形变关系方程组的矩阵形式为：

式中，

θ

u′，e′，n′为垂直向、东西向、南北向三维形变；

由于SAR卫星近南北向飞行，南北向形变对LOS向形变位移贡献较小，为减小南北向形变对解算结果的影响，忽略南北向形变，解算获得精度较高的垂直向和东西向形变。建立LOS向形变与二维方向形变关系方程组中，LOS向形变与二维方向形变关系方程组的矩阵形式为：

式中，

θ

u″,e″为忽略南北向时垂直向和东西向形变。

步骤S3、根据LOS向形变与三维方向形变关系方程组和LOS向形变与二维方向形变关系方程组，利用最小二乘法，得到三维方向的形变结果以及垂直向和东西向形变，具体为根据LOS向形变与三维方向形变关系方程组和LOS向形变与二维方向形变关系方程组，利用最小二乘法，计算三维形变,以及忽略南北向时更为精确的垂直和东西向形变。计算公式为：

D＝(A

式中A为：

式中，L为雷达视线向形变，分别为：

公式中，W为LOS向形变权重矩阵，本方法中采用等价权重矩阵，W为：

式中，D为解算所得三维形变和忽略南北向得到的二维形变，分别为：

步骤S4、根据LOS向形变误差和三维方向的形变结果误差关系，建立三维形变误差传递模型，根据LOS向形变误差和垂直向和东西向形变误差关系，建立LOS向形变误差和二维形变误差传递模型，具体为根据LOS向形变误差与三维方向形变误差的关系，建立LOS向形变误差与三维方向形变误差传递模型，LOS向形变误差与三维方向形变误差传递模型为：

式中，

式中σ

根据LOS向形变误差与二维方向形变误差的关系，建立LOS向形变误差与二维方向形变误差传递模型，LOS向形变误差与二维方向形变误差传递模型为：

式中，

式中，σ

步骤S5、根据二维形变误差传递模型的垂直向及东西向系统误差和南北向形变分量的关系，建立额外系统误差传递模型，具体为根据忽略南北向解算时，垂直向、东西向系统误差和南北向形变分量的关系建立额外系统误差传递模型：

式中，Δu″

忽略南北向形变解算导致的垂直向系统误差、东西向系统误差与南北向形变分量成正相关关系，其比例常数为：

式中A

步骤S6、基于额外系统误差传递模型、三维解算南北向形变和忽略南北向解算的垂直向及东西向形变与LOS向形变的关系建立目标函数，并对目标函数添加正则化约束项，具体为根据三维形变南北向分量和忽略南北向形变解算的垂直向、东西向分量与LOS向形变的关系建立目标函数，基于目标函数系数矩阵的病态问题，利用正则化方法，对目标函数添加稳定泛化函数

式中，||·||

目标函数中，将LOS向形变消除LOS向形变误差、垂直向形变分量、东西向形变分量后，得到的为南北向形变分量，当f(σ

步骤S7、基于带有约束项的目标函数结合设定的误差传递模型，得到目标函数矩阵，具体为根据误差传递模型中LOS向误差与形变误差的关系，将目标函数与误差传递模型结合，多元函数由六个变量(σ

式中，α为约束项系数，

步骤S8、基于目标函数矩阵得到满足目标函数极小值的LOS向形变误差，将LOS向形变误差代入三维形变误差传递模型，得到三维形变误差，具体为对目标函数建立求导方程组，利用奇异值分解法对求导方程组的矩阵形式进行计算，得到满足目标函数极小值条件的LOS向形变误差，结合误差传递模型得到三维形变误差，并根据三维形变误差获得高精度的三维形变结果。其具体过程为：

对目标函数建立求导方程组：

其求导方程组的矩阵形式可表示为：

(B

利用SVD方法，对方程求解，其解的形式为：

σ＝(B

I为单位阵。

由上得到满足minf

步骤S9、根据三维形变误差得到三维形变结果。

利用三维方向形变误差得到优化后的南北向形变n＝n′-σ

本实施例多轨道InSAR提取高精度三维形变方法利用InSAR技术获取雷达视线向形变；基于雷达侧视成像几何关系，建立观测方程组；利用最小二乘法，解算三维形变即东西向、南北向和垂直向形变，解算忽略南北向的二维形变；基于三维形变误差和视线向形变误差的关系建立误差传递模型；基于忽略解算垂直向、东西向系统误差与南北向形变分量的关系建立额外系统误差传递模型；基于三维形变分量与视线向形变的关系建立目标函数，并添加正则化约束项；将目标函数与误差传递模型结合，并表示为矩阵形式；对目标函数进行求导，利用SVD方法求解求导方程，获得LOS向形变误差，代入误差模型得到三维形变误差，并利用三维形变误差获取高精度的三维形变。

本实施例使用三对InSAR影像提取地表高精度三维形变，克服了传统方法中方位向形变分量对雷达成像模式和影像高相干的依赖，且不需研究区形变参数和复杂的信号处理方法，通过数学方法极大提高了南北向形变精度，获取了高精度的三维形变，为提取高精度三维形变提供了新的技术方案。

本实施例公开的电子设备包括存储器和处理器。该存储器用于存储非暂时性计算机可读指令。具体地，存储器可以包括一个或多个计算机程序产品，该计算机程序产品可以包括各种形式的计算机可读存储介质，例如易失性存储器和/或非易失性存储器。该易失性存储器例如可以包括随机存取存储器(RAM)和/或高速缓冲存储器(cache)等。该非易失性存储器例如可以包括只读存储器(ROM)、硬盘、闪存等。

该处理器可以是中央处理单元(CPU)或者具有数据处理能力和/或指令执行能力的其它形式的处理单元，并且可以控制电子设备中的其它组件以执行期望的功能。在本公开的一个实施例中，该处理器用于运行该存储器中存储的该计算机可读指令，使得该电子设备执行前述的本公开各实施例的多轨道InSAR提取高精度三维形变方法全部或部分步骤。

本领域技术人员应能理解，为了解决如何获得良好用户体验效果的技术问题，本实施例中也可以包括诸如通信总线、接口等公知的结构，这些公知的结构也应包含在本公开的保护范围之内。

电子设备可以包括处理装置(例如中央处理器、图形处理器等)，其可以根据存储在只读存储器(ROM)中的程序或者从存储装置加载到随机访问存储器(RAM)中的程序而执行各种适当的动作和处理。在RAM中，还存储有电子设备操作所需的各种程序和数据。处理装置、ROM以及RAM通过总线彼此相连。输入/输出(I/O)接口也连接至总线。

通常，以下装置可以连接至I/O接口：包括例如传感器或者视觉信息采集设备等的输入装置；包括例如显示屏等的输出装置；包括例如磁带、硬盘等的存储装置；以及通信装置。通信装置可以允许电子设备与其他设备(比如边缘计算设备)进行无线或有线通信以交换数据。但是应理解的是，并不要求实施或具备所有示出的装置。可以替代地实施或具备更多或更少的装置。

特别地，根据本公开的实施例，上文参考流程图描述的过程可以被实现为计算机软件程序。例如，本公开的实施例包括一种计算机程序产品，其包括承载在非暂态计算机可读介质上的计算机程序，该计算机程序包含用于执行流程图所示的方法的程序代码。在这样的实施例中，该计算机程序可以通过通信装置从网络上被下载和安装，或者从存储装置被安装，或者从ROM被安装。在该计算机程序被处理装置执行时，执行本公开实施例的多轨道InSAR提取高精度三维形变方法的全部或部分步骤。

有关本实施例的详细说明可以参考前述各实施例中的相应说明，在此不再赘述。

根据本公开实施例的计算机可读存储介质，其上存储有非暂时性计算机可读指令。当该非暂时性计算机可读指令由处理器运行时，执行前述的本公开各实施例的多轨道InSAR提取高精度三维形变方法的全部或部分步骤。

上述计算机可读存储介质包括但不限于：光存储介质(例如：CD－ROM和DVD)、磁光存储介质(例如：MO)、磁存储介质(例如：磁带或移动硬盘)、具有内置的可重写非易失性存储器的媒体(例如：存储卡)和具有内置ROM的媒体(例如：ROM盒)。

有关本实施例的详细说明可以参考前述各实施例中的相应说明，在此不再赘述。

以上结合具体实施例描述了本公开的基本原理，但是，需要指出的是，在本公开中提及的优点、优势、效果等仅是示例而非限制，不能认为这些优点、优势、效果等是本公开的各个实施例必须具备的。另外，上述公开的具体细节仅是为了示例的作用和便于理解的作用，而非限制，上述细节并不限制本公开为必须采用上述具体的细节来实现。

在本公开中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序，本公开中涉及的器件、装置、设备、系统的方框图仅作为例示性的例子并且不意图要求或暗示必须按照方框图示出的方式进行连接、布置、配置。如本领域技术人员将认识到的，可以按任意方式连接、布置、配置这些器件、装置、设备、系统。诸如“包括”、“包含”、“具有”等等的词语是开放性词汇，指“包括但不限于”，且可与其互换使用。这里所使用的词汇“或”和“和”指词汇“和/或”，且可与其互换使用，除非上下文明确指示不是如此。这里所使用的词汇“诸如”指词组“诸如但不限于”，且可与其互换使用。

另外，如在此使用的，在以“至少一个”开始的项的列举中使用的“或”指示分离的列举，以便例如“A、B或C的至少一个”的列举意味着A或B或C，或AB或AC或BC，或ABC(即A和B和C)。此外，措辞“示例的”不意味着描述的例子是优选的或者比其他例子更好。

还需要指出的是，在本公开的系统和方法中，各部件或各步骤是可以分解和/或重新组合的。这些分解和/或重新组合应视为本公开的等效方案。

可以不脱离由所附权利要求定义的教导的技术而进行对在此所述的技术的各种改变、替换和更改。此外，本公开的权利要求的范围不限于以上所述的处理、机器、制造、事件的组成、手段、方法和动作的具体方面。可以利用与在此所述的相应方面进行基本相同的功能或者实现基本相同的结果的当前存在的或者稍后要开发的处理、机器、制造、事件的组成、手段、方法或动作。因而，所附权利要求包括在其范围内的这样的处理、机器、制造、事件的组成、手段、方法或动作。

提供所公开的方面的以上描述以使本领域的任何技术人员能够做出或者使用本公开。对这些方面的各种修改对于本领域技术人员而言是非常显而易见的，并且在此定义的一般原理可以应用于其他方面而不脱离本公开的范围。因此，本公开不意图被限制到在此示出的方面，而是按照与在此公开的原理和新颖的特征一致的最宽范围。

为了例示和描述的目的已经给出了以上描述。此外，此描述不意图将本公开的实施例限制到在此公开的形式。尽管以上已经讨论了多个示例方面和实施例，但是本领域技术人员将认识到其某些变型、修改、改变、添加和子组合。