ENVISAT和ALOS卫星SAR影像提取地表沉降的对比试验.pdf

Geomatics Science and Technology 测绘科学技术测绘科学技术,2023,11(2),135-146 Published Online April 2023 in Hans.https:/www.hanspub.org/journal/gst https:/doi.org/10.12677/gst.2023.112015 文章引用文章引用:田学军,刘鑫,姜艳菊.ENVISAT 和 ALOS 卫星 SAR 影像提取地表沉降的对比试验J.测绘科学技术,2023,11(2):135-146.DOI:10.12677/gst.2023.112015 ENVISAT和和ALOS卫星卫星SAR影像提取地影像提取地表表沉降沉降的对比试验的对比试验 田学军，刘田学军，刘 鑫，姜艳菊鑫，姜艳菊 北京航天世景信息技术有限公司，北京 收稿日期：2023年3月17日；录用日期：2023年4月18日；发布日期：2023年4月26日 摘摘 要要 本文介绍双轨法差分干涉测量中的数学模型及计算公式，并以本文介绍双轨法差分干涉测量中的数学模型及计算公式，并以ENVISAT和和ALOS两种卫星得到的影像数据两种卫星得到的影像数据分析得到某一地区的地分析得到某一地区的地表表沉降值，分析二者影像的不同点以及各自数据的特点。进行差分干涉处理，并沉降值，分析二者影像的不同点以及各自数据的特点。进行差分干涉处理，并进一步提取出地进一步提取出地表表沉降量，并且展开分析。对比解译和分析沉降量，并且展开分析。对比解译和分析ENVISAT ASAR数据和数据和ALOS PALSAR数据提数据提取的差分干涉取的差分干涉图图和形变值，并最终得出二者卫星在提取地和形变值，并最终得出二者卫星在提取地表表形变中可行性的结论。形变中可行性的结论。关键词关键词 InSAR，ENVISAT，ALOS，差分干涉测量差分干涉测量，地地表表沉降沉降 Comparative Experiment of Land Subsidence Extraction from ENVISAT and ALOS Satellite SAR Images Xuejun Tian,Xin Liu,Yanju Jiang Beijing Aerospace Shijing Information Technology Co.,Ltd.,Beijing Received:Mar.17th,2023;accepted:Apr.18th,2023;published:Apr.26th,2023 Abstract This paper introduces the mathematical model and calculation formula in the two-track differen-tial interferometry,and analyzes the land subsidence value of a certain area by using the image data obtained from ENVISAT and ALOS satellites,and analyzes the differences between the two images and the characteristics of their respective data.Carry out differential interference processing,田学军 等 DOI:10.12677/gst.2023.112015 136 测绘科学技术 and further extract and analyze the surface settlement.Comparative interpretation and analysis of differential interferograms and deformation values extracted from ENVISAT ASAR data and ALOS PALSAR data,and ultimately a conclusion that the two satellites are feasible in extracting surface deformation is reached.Keywords InSAR,ENVISAT,ALOS,Differential Interferometry,Surface Subsidence Copyright 2023 by author(s)and Hans Publishers Inc.This work is licensed under the Creative Commons Attribution International License(CC BY 4.0).http:/creativecommons.org/licenses/by/4.0/1.引言引言 地面沉降是一种可由多种因素引起的地面标高缓慢降低的环境地质现象，严重时会成为一种地质灾害。可能为人类社会带来一系列严重危害，如适宜人类生存发展的安全地面高度的丧失，房屋、道路、地铁及桥梁等建筑物的损坏，潮灾、涝灾灾情的加重等。地面沉降不仅给社会发展带来重大的经济损失，也严重威胁着人类的生命和财产安全。地表沉降，主要是由于地下水和其他地下资源(比如石油，天然气，煤炭)的过分开采引起的。出现地面沉降的地区一般范围大，沉降过程缓慢，所以早期一般不易察觉，也不易引起人们的重视。它多发生在大中城市，对人们的生产、生活、交通等影响极大，造成的损失和危害也大，成为一种严重的环境地质问题，影响和制约着当地国民经济的可持续发展。InSAR(合成孔径雷达干涉测量)是近几年迅速发展起来的高新技术，它是使用雷达信号的相位信息提取地球表面三维信息。主要应用于测量地面点的高程及其动态变化的测量1。InSAR 技术能全天候、全天时地获取大面积地面精确三维信息，空间分辨率高，基本不受气候条件的影响。干涉成像雷达遥感与 GPS 的区别在于它具有比 GPS 更高的形变观测精度、采样密度高(100 m 之内)、空间延续性好和无需建立地面接收站。INSAR 与其它测量形变位移仪器的区别在于那些测量仪器成本高，布点少，且难以大范围追踪地壳形变。相关文献做了大量研究并取得了丰硕的成果2。本论文以 ERS-1/2 卫星获取某地区的雷达影像，藉由 GAMMA 干涉处理程序以合成孔径雷达干涉技术生成垂直位移图。用不同时期产生的精度地形计算地表沉降。并探讨干涉生成过程中，不同模式影像对于精度地形计算地表沉降之影响。2.二轨法差分误差特性分析二轨法差分误差特性分析 单视复影像 slc1 与 slc3 分别于形变前后获取，以 slc1 为主图像与 slc3 进行干涉。图 1 为图像的成像几何关系，T3333,Sxy z=、T3333,Sxy z=分别为成像中心时刻卫星在地心笛卡儿坐标系下的位置，13B为基线矢量，1为雷达下视角，1为雷达斜视角，3与3分别为基线13B的方位角与高度角，O 点为地心，T 为目标点，h为形变矢量3。为了计算方便，通过配准和共轭相乘后得到的干涉相位可以表示为 13topodefo+(1)其中，Open AccessOpen Access田学军 等 DOI:10.12677/gst.2023.112015 137 测绘科学技术 Figure 1.The geometric relationship between slc1 and slc2 imaging 图图 1.Slc1 与 slc2 成像几何关系 ()131311313133144,4sincoscossincosutopoprBBrBa=+(2)144,udeforhrh=(3)利用观测区已知的 DEM(数字高程)数据确定出地形相位topo，并将其从干涉相位中去除掉，利用剩余的形变相位反演地表形变4。当我们得到观测区的 DEM 数据后，就可以通过 R-D 定位方法得到 T 的位置，此时利用下式就可以得到地形相位。121334,toporTS TS=(4)其中1r由回波延迟读出，3S由卫星测量设备得到。地形相位去除后，就可以从形变相位中反演出实现向形变rh：()134rtopoh=(5)将地形相位公式(4)中的矢量3TS记为TSr，则TSr代表目标点 T 到3s的距离，其数值可由(6)式计算 113113,TSrrBrB=(6)地形相位表示成标量形式为()14topoTSrr=。假设已知基线的三维分量()14topoTSrr=，1r有回波延迟得出，则1r表示为：()1111111sincos,sinsin,cosrr=(7)此时，可以将(6)写成如下形式：()()()221311113111131122131113sincossinsincos2TSxyzprrBrBrBrBrrB=+=+(8)其中角度1与 T 点的地心距 H 有关，设 R 为1S到地心 O 的距离，则有：222111cos2RrHRr+=(9)田学军 等 DOI:10.12677/gst.2023.112015 138 测绘科学技术 下面计算干涉相位13、高程 H、基线三维值()T131313,xyzBBB误差对视线向形变的误差传播系数，首先，将视线向形变反演公式(5)对13求偏导得 134rh=(10)同理，求rh对其他各变量的偏导为 1111313sincosxrxTSrBhBr=(11)1111313sinsinyryTSrBhBr=(12)111313coszrzTSrBhBr=(13)公式(10)、(11)、(12)、(13)为二轨法差分干涉处理中的几个主要的误差传播系数计算公式。由上面的误差传播系数可以看出，在“二轨法”差分干涉处理中，干涉相位的误差传播系数仅仅与波长有关，当波长较短时干涉相位误差对视线向形变的影响会明显减小。所以，在相同精度要求下，利用 ENVISAT ASAR 卫星图像进行“二轨法”差分干涉处理比利用 PALSAR 卫星图像进行“二轨法”差分干涉处理对干涉相位误差的容忍程度要高得多，因为 ENVISAT ASAR 所搭载的合成孔径雷达工作在 C波段，PALSAR 所搭载的合成孔径雷达工作在 L 波段5。3.ALOS 卫星的数据处理卫星的数据处理 日本地球观测卫星计划主要包括 2 个系列：大气和海洋观测系列以及陆地观测系列。先进对地观测卫星 ALOS 是 JERS-1 与 ADEOS 的后继星，采用了先进的陆地观测技术，能够获取全球高分辨率陆地观测数据，主要应用目标为测绘、区域环境观测、灾害监测、资源调查等领域。ALOS 卫星载有三个传感器：全色遥感立体测绘仪(PRISM)，主要用于数字高程测绘；先进可见光与近红外辐射计-2(AVNIR-2)，用于精确陆地观测；相控阵型 L 波段合成孔径雷达(PALSAR)，用于全天时全天候陆地观测。ALOS 卫星采用了高速大容量数据处理技术与卫星精确定位和姿态控制技术，其分辨率可达 2.5 米。作为一颗科研卫星，ALOS 和同类卫星相比具有影像质量高，价格低廉等特点。3.1.数据处理数据处理 以 ALOS 卫星获取的某一地区 2019 年 01 月 10 日到 2019 年 02 月 25 日的数据为例。1)生成干涉图 生成干涉图如图 2 所示。Figure 2.Comparison of generated interferograms 图图 2.生成的干涉图对比 田学军 等 DOI:10.12677/gst.2023.112015 139 测绘科学技术 2)去除地形影响 去除地形影响后如图 3 所示。Figure 3.Comparison after remov-ing the influence of terrain 图图 3.去除地形影响后的对比 3)滤波 滤波处理之后效果如图 4 所示。Figure 4.Compari