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基于二维形变场的地基SAR精度验证与分析

周吕 郭际明 胡纪元 章迪 陈明 杨飞

周吕, 郭际明, 胡纪元, 章迪, 陈明, 杨飞. 基于二维形变场的地基SAR精度验证与分析[J]. 武汉大学学报 ● 信息科学版, 2019, 44(2): 289-295. doi: 10.13203/j.whugis20170085
引用本文: 周吕, 郭际明, 胡纪元, 章迪, 陈明, 杨飞. 基于二维形变场的地基SAR精度验证与分析[J]. 武汉大学学报 ● 信息科学版, 2019, 44(2): 289-295. doi: 10.13203/j.whugis20170085
ZHOU Lü, GUO Jiming, HU Jiyuan, ZHANG Di, CHEN Ming, YANG Fei. Accuracy Verification and Analysis of Ground-based Synthetic Aperture Radar Based on Two-dimensional Deformation Field[J]. Geomatics and Information Science of Wuhan University, 2019, 44(2): 289-295. doi: 10.13203/j.whugis20170085
Citation: ZHOU Lü, GUO Jiming, HU Jiyuan, ZHANG Di, CHEN Ming, YANG Fei. Accuracy Verification and Analysis of Ground-based Synthetic Aperture Radar Based on Two-dimensional Deformation Field[J]. Geomatics and Information Science of Wuhan University, 2019, 44(2): 289-295. doi: 10.13203/j.whugis20170085

基于二维形变场的地基SAR精度验证与分析

doi: 10.13203/j.whugis20170085
基金项目: 

国家自然科学基金 41474004

国家自然科学基金 41461089

国家自然科学基金 41604019

详细信息
    作者简介:

    周吕, 博士, 主要从事InSAR/GB-InSAR数据处理理论及算法研究。zhoulv_whu@163.com

    通讯作者: 郭际明, 博士, 教授。jmguo@sgg.whu.edu.cn
  • 中图分类号: P228

Accuracy Verification and Analysis of Ground-based Synthetic Aperture Radar Based on Two-dimensional Deformation Field

Funds: 

The National Natural Science Foundation of China 41474004

The National Natural Science Foundation of China 41461089

The National Natural Science Foundation of China 41604019

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    Author Bio:

    ZHOU Lü, PhD, specializes in the data processing theory and algorithm of InSAR/GB-InSAR. E-mail:zhoulv_whu@163.com

    Corresponding author: GUO Jiming, PhD, professor. E-mail: jmguo@sgg.whu.edu.cn
图(7) / 表(3)
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出版历程
  • 收稿日期:  2018-06-15
  • 刊出日期:  2019-02-05

基于二维形变场的地基SAR精度验证与分析

doi: 10.13203/j.whugis20170085
    基金项目:

    国家自然科学基金 41474004

    国家自然科学基金 41461089

    国家自然科学基金 41604019

    作者简介:

    周吕, 博士, 主要从事InSAR/GB-InSAR数据处理理论及算法研究。zhoulv_whu@163.com

    通讯作者: 郭际明, 博士, 教授。jmguo@sgg.whu.edu.cn
  • 中图分类号: P228

摘要: 地基SAR(synthetic aperture radar)可实现高精度的小区域性连续形变监测。为研究其形变探测能力与精度,建立了一套精度验证平台和系统。在楼顶布设不同位置分布的角反射器,并采用步进平台控制角反射器模拟不同数值形变,形变角反射器与稳定点及楼顶表面构成小区域二维形变场,利用IBIS-L(image by interferometric system-landslides)系统完成形变监测与分析。实验结果表明,当角反射器发生毫米级形变时,地基干涉雷达IBIS-L系统形变探测平均精度为0.27 mm,而角反射器发生亚毫米级形变时,其形变探测平均精度为0.11 mm;该系统可以实现小区域性的亚毫米级形变探测,对于缓慢微小变化,其具有更好的形变探测能力与可靠性。

English Abstract

周吕, 郭际明, 胡纪元, 章迪, 陈明, 杨飞. 基于二维形变场的地基SAR精度验证与分析[J]. 武汉大学学报 ● 信息科学版, 2019, 44(2): 289-295. doi: 10.13203/j.whugis20170085
引用本文: 周吕, 郭际明, 胡纪元, 章迪, 陈明, 杨飞. 基于二维形变场的地基SAR精度验证与分析[J]. 武汉大学学报 ● 信息科学版, 2019, 44(2): 289-295. doi: 10.13203/j.whugis20170085
ZHOU Lü, GUO Jiming, HU Jiyuan, ZHANG Di, CHEN Ming, YANG Fei. Accuracy Verification and Analysis of Ground-based Synthetic Aperture Radar Based on Two-dimensional Deformation Field[J]. Geomatics and Information Science of Wuhan University, 2019, 44(2): 289-295. doi: 10.13203/j.whugis20170085
Citation: ZHOU Lü, GUO Jiming, HU Jiyuan, ZHANG Di, CHEN Ming, YANG Fei. Accuracy Verification and Analysis of Ground-based Synthetic Aperture Radar Based on Two-dimensional Deformation Field[J]. Geomatics and Information Science of Wuhan University, 2019, 44(2): 289-295. doi: 10.13203/j.whugis20170085
  • 雷达干涉测量技术作为一种新兴的微波遥感技术,凭借其可以穿过大气层,全天时、全天候获取监测目标的形变信息等特性,已在地表形变监测、冰川运动、人工建筑物形变信息提取等多种领域展开了应用。为了实现高精度与实时性的建筑物或局部区域形变监测,地基合成孔径雷达干涉测量(ground-based synthetic aperture radar interferometry, GB-InSAR)技术应运而生[1-2],它不仅可以实现零基线监测,同时观测也更为灵活,可以自由调整雷达的监测方向及雷达的监测位置。自1992年初,国外就开展了GB-InSAR系统研究,如欧洲联合研究中心研制了LISA(linear SAR)系统[3];意大利研制了IBIS(image by interferometric system)系统,该系统包括IBIS-S(IBIS-structures)、IBIS-L(IBIS-landslides)和IBIS-M(IBIS-mines)3种型号[4]; 澳大利亚研制了SSR(slope stability radar)系统,该系统采用真实孔径数据获取模式[5]。国内开展地基雷达干涉测量系统的研究起步较晚,目前主要有北京理工大学研制的边坡监测雷达系统[6-7];中国科学院电子学研究所研制的ASTRO(advanced scannable two-dimensional rail observation)系统和Arc FMCW SAR(Arc frequency-modulated continuous wave SAR)系统[8-9];国防科技大学研制的SFCW(stepped frequency continuous wave)系统[10]等。GB-InSAR集成了SAR技术、SFCW技术以及干涉测量等技术,可以完成监测区域二维SAR影像的获取和不同时段SAR影像间微小位移变化量的提取[11]

    近年来,国内外对GB-InSAR进行形变监测开展了试验和研究,如Rödelsperger等运用IBIS-L系统持续监测Fogo火山的位移变化,并发现在监测时段内该火山无明显形变[4];占朝彬等研究了IBIS-S测量系统并进行了精度分析[12];杨红磊等采用地基干涉雷达IBIS-L系统完成了某露天矿区边坡监测,监测结果与全站仪获取的结果一致[13];邢诚等探究了地基干涉雷达IBIS-S系统的检测方法,并对该系统探测目标物的分辨率进行了研究[14];曲世勃等研究了中国科学院电子学研究所研制的ASTRO系统,结合该系统的成像几何给出了其变形监测与精度分析模型,验证了该系统探测形变的能力[15];余红楚等基于边坡变形监测,对比分析了TM30全站仪与地基SAR的形变探测精度[16]。在实际工程应用中,地基干涉雷达IBIS-L系统所能达到的精度是人们所关注的重点。目前,针对地基干涉雷达IBIS-L系统的精度验证分析研究较少,且较少文献分析当形变体发生不同量级形变时IBIS-L系统的形变探测能力,据此本文介绍了GB-InSAR过程中相位提取与形变量获取方法,设计了实验验证当形变体分别发生毫米级与亚毫米级形变时采用地基干涉雷达IBIS-L系统进行监测时的精度,并分析研究地基干涉雷达IBIS-L系统探测形变体发生不同形变速率时的能力与可靠性。

    • 地基SAR影像中包含了振幅与相位信息,而雷达与目标物之间的几何距离反映在地基SAR影像中的相位信息里,故依据地基SAR影像之间的相位变化采用干涉技术便可反演出雷达与目标物之间的距离变化[17]

      通过将被监测的信息中加入相位调制,使被监测的信息反映到相位信息中,然后依据探测器陈列获取干涉条纹影像,最后通过处理条纹影像来进行相位提取[18-19]。二维干涉图的强度信号I可表示为[20]

      $$ I\left( {x,y} \right) = a\left( {x,y} \right) + b\left( {x,y} \right)\cos \varphi \left( {x,y} \right) $$ (1)

      式中,(x, y)为影像坐标;a(x, y)为背景强光;b(x, y)表示振幅调制;φ (x, y)是需要求解的相位。假设共获取N景影像,且第n景影像中像素点(x, y)的振幅由In表示,则该点的相位为:

      $$ \varphi \left( {x,y} \right) = \arctan \frac{{\sum\limits_{n = 1}^N {{I_n}\left( {x,y} \right)\sin \left( {\frac{{2n{\rm{ \mathsf{ π} }}}}{N}} \right)} }}{{\sum\limits_{n = 1}^N {{I_n}\left( {x,y} \right)\cos \left( {\frac{{2n{\rm{ \mathsf{ π} }}}}{N}} \right)} }} $$ (2)

      假设在不同时刻tAtB获取了两景地基SAR影像,φAφB分别为地基SAR影像上同一像素在tAtB时刻上的相位值(tB>tA):

      $$ {\varphi _A} = \frac{{4{\rm{ \mathsf{ π} }} \cdot {R_A}}}{\lambda } + {\varphi _{{\rm{scatter - }}A}} + {\varphi _{{\rm{atm - }}A}} + {\varphi _{{\rm{noise - }}A}} $$ (3)
      $$ {\varphi _B} = \frac{{4{\rm{ \mathsf{ π} }} \cdot {R_B}}}{\lambda } + {\varphi _{{\rm{scatter - }}B}} + {\varphi _{{\rm{atm - }}B}} + {\varphi _{{\rm{noise - }}B}} $$ (4)

      式中,RARB分别为tAtB时刻雷达与目标物之间的几何距离;λ为雷达信号的波长;φscatter为微波与目标物之间发生相互作用而产生的相移;φatm为微波受雷达与目标物之间的大气扰动影响而产生的相位;φnoise为噪声相位。

      对这两景影像进行干涉处理,即可得到tAtB时刻SAR影像的干涉相位ΔφBA

      $$ \begin{array}{*{20}{c}} {\Delta {\varphi _{BA}} = {\varphi _B} - {\varphi _A} = \frac{{4{\rm{ \mathsf{ π} }} \cdot \left( {{R_B} - {R_A}} \right)}}{\lambda } + }\\ {\left( {{\varphi _{{\rm{scatter - }}B}} - {\varphi _{{\rm{scatter - }}A}}} \right) + \left( {{\varphi _{{\rm{atm - }}B}} - {\varphi _{{\rm{atm - }}A}}} \right) + {\varphi _{{\rm{noise}}}}} \end{array} $$ (5)

      假设在tAtB时刻相移分量φscatter均保持常数,则式(5)可以简化为:

      $$ \begin{array}{*{20}{c}} {\Delta {\varphi _{BA}} = {\varphi _B} - {\varphi _A} = \frac{{4{\rm{ \mathsf{ π} }} \cdot {d_{{\rm{defo}}}}}}{\lambda } + }\\ {\left( {{\varphi _{{\rm{atm - }}B}} - {\varphi _{{\rm{atm - }}A}}} \right) + {\varphi _{{\rm{noise}}}}} \end{array} $$ (6)

      式中,ddefo=RBRA为目标物于时刻tAtB之间在雷达视线向发生的位移变化量。当去除了由大气效应产生的相位分量(φatm-Bφatm-A)和相应的噪声相位φnoise后,即可求得tAtB时刻之间目标物在雷达视线向发生的形变为:

      $$ {d_{{\rm{defo}}}} = \frac{{\Delta {{\varphi '}_{BA}} \cdot \lambda }}{{4{\rm{ \mathsf{ π} }}}} $$ (7)

      式中,ΔφBA为去除大气效应相位分量与其他相应噪声相位误差后tAtB时刻之间地基SAR影像的干涉相位。

    • 此次实验布设于笔者所在的学院楼顶,利用步进平台进行IBIS-L系统的精度验证分析研究。IBIS-L系统主要由雷达控制单元、电脑控制单元、线性导轨单元以及能量供应单元等构成,系统的各个单元如图 1所示,系统参数设置见表 1。实验中将A、B两个角反射器分别固定在两个步进平台上,通过步进平台调节A、B角反射器的位移量,同时将C、D、E 3个角反射器分别固定于楼顶不同的强制对中观测墩上,各角反射器的分布如图 2所示。

      图  1  IBIS-L系统各个单元构成

      Figure 1.  The Components of the IBIS-L System

      表 1  IBIS-L系统参数设置

      Table 1.  IBIS-L System Parameter Setting

      参数 参数值
      雷达天线倾角/(°) 5
      最大观测距离/m 500
      距离向分辨率/m 0.5
      角度向分辨率/mrad 4.4
      时间采样间隔/min 7
      天线类型 Type3 (Azimuth 17°, Vertical 15°)
      导轨有效长度/m 2

      图  2  实验监测场景与角反射器分布图

      Figure 2.  Experimental Monitoring Scene and Corner Reflector Distribution Map

      实验中采用步进平台分别调节A、B角反射器不同数值的毫米级与亚毫米级的位移量,共采集18景地基SAR影像数据,其中采集1~8景的过程中,A、B角反射器均按毫米级位移量远离雷达移动(具体数值见表 2),且每完成两景影像数据采集后位移变动一次;采集9~18景的过程中,A角反射器按亚毫米级位移量远离雷达移动,而B角反射器按亚毫米级位移量靠近雷达移动,具体数值见表 3,两角反射器位移量变动时间间隔与毫米级变动时一致。实验观测时间为2016-05-30 T 14:25-16:36。

      表 2  A、B角反射器毫米级设计值与监测值对比

      Table 2.  A and B Corner Reflectors mm-level Design and Monitoring Value Comparison

      期数 A角反射器/mm B角反射器/mm
      设计值 监测值 残差 设计值 监测值 残差
      1 0 0 0 0 0 0
      2 0 0 0 0 0 0
      3 3.5 3.5 0 1 0.9 -0.1
      4 3.5 3.4 -0.1 1 0.9 -0.1
      5 7 7.4 0.4 3 3.0 0
      6 7 7.4 0.4 3 2.9 -0.1
      7 10.5 10.8 0.3 5 4.6 -0.4
      8 10.5 10.7 0.2 5 4.4 -0.6

      表 3  A、B角反射器亚毫米级设计值与监测值对比

      Table 3.  A and B Corner Reflector Sub mm-level Design and Monitoring Value Comparison

      期数 A角反射器/mm B角反射器/mm
      设计值 监测值 残差 设计值 监测值 残差
      9 0 0 0 0 0 0
      10 0 0.23 0.23 0 -0.04 -0.04
      11 0.2 0.22 0.02 -0.2 -0.11 0.09
      12 0.2 0.49 0.29 -0.2 -0.26 -0.06
      13 0.5 0.45 -0.05 -0.4 -0.36 0.04
      14 0.5 0.61 0.11 -0.4 -0.48 -0.08
      15 0.6 0.57 -0.03 -0.5 -0.53 -0.03
      16 0.6 0.71 0.11 -0.5 -0.64 -0.14
      17 0.7 0.66 -0.04 -0.6 -0.73 -0.13
      18 0.7 0.66 -0.04 -0.6 -0.59 0.01
    • 图 3(a)为实验监测场景的热信噪比图,对比实验监测区域的实际场景(见图 2),发现监测场景中的各栋大楼及学院楼顶可清晰判读,且热信噪比大于30 dB, 说明此次采集的地基SAR影像质量较好。从图 3(a)选取学院楼顶的热信噪比图,结果如图 3(b)所示。

      图  3  热信噪比图

      Figure 3.  Thermal SNR map

      图 3(b)可以看出,实验布设的A、B、C、D、E角反射器的位置在热信噪比图中清晰可见,且它们的热信噪比均大于75 dB,说明它们的相位稳定性较高。在角反射器E后面的点gcp1、pix1、pix2的热信噪比也均大于70 dB,这3个点分别为楼顶的强制对中观测墩。由于GB-InSAR在解算目标物的位移量时,受大气扰动影响较大,为获取准确的形变量, 需去除大气扰动相位分量。实验中C、D、E角反射器均固定在强制对中观测墩上,且gcp1也是强制对中观测墩,在短时间内它们的形变均为0,故本文选择这4个稳定点作为控制点,采用多控制点校正法去除实验过程中的大气效应影响及相关噪声。

      1) 毫米级形变精度验证分析

      由于IBIS-L系统在监测时雷达倾角为5°,而步进平台控制A、B角反射器移动的位移为水平方向,故表 2表 3的监测值均为视线向形变投影到水平方向上的结果,且正值代表远离雷达,负值代表靠近雷达。表 2列出了采用步进平台进行毫米级调节A、B角反射器位移时,IBIS-L系统监测值与实验设计值的对比结果。通过比较表 2中A、B角反射器的设计值与监测值可以发现,A角反射器设计值与监测值的偏差最大值与最小值分别为0.4 mm与0 mm;B角反射器的偏差最小值为0 mm,而最大偏差值达-0.6 mm。从A、B角反射器的设计值与形变值的时间序列对比图(见图 4)可以看出, 地基雷达IBIS-L系统获取A、B角反射器的形变趋势与设计的形变趋势一致性较好;A与B角反射器的均方根误差分别为0.25 mm与0.29 mm,同时A与B角反射器的平均误差分别为0.15 mm与-0.16 mm。

      图  4  A、B角反射器设计值(毫米级)与监测值时间序列对比

      Figure 4.  Comparison of Time Series Between Design (mm-level) and Monitoring Values of A and B Corner Reflector

      综合分析表 2图 4表明,在A、B角反射器发生毫米级形变过程中,A、B角反射器的平均形变速率分别为1.43 mm/min与0.09 mm/min,平均均方根误差为0.27 mm,地基干涉雷达IBIS-L系统可以精确探测出角反射器的形变量,且精度可达到亚毫米级。

      2) 亚毫米级形变精度验证分析

      A、B角反射器发生亚毫米级形变过程中,IBIS-L系统监测值与步进平台设计值的对比结果如表 3所示。A角反射器偏差的最大值为0.29 mm,最小值为0.02 mm;B角反射器在整个监测过程中偏差均小于0.15 mm。图 5显示了A、B角反射器的形变趋势图,两个角反射器的形变趋势与设计曲线吻合得较好。IBIS-L系统探测A角反射器形变时的均方根误差为0.14 mm,平均误差为0.06 mm;探测B角反射器形变时均方根误差和平均误差分别为0.08 mm与-0.03 mm。相比于A、B角反射器发生毫米级形变时,发生亚毫米级形变时的均方根误差和平均误差均较小,这与相位解缠误差有较大的关系,因为IBIS-L系统属于微变形探测系统,当形变量较小时, 相位解缠误差会相对较小一些,而当形变量超过某一阈值时,还会产生失相干而导致无法解算出形变量。综上所述可知,在A、B角反射器发生亚毫米级形变过程中,A、B角反射器的平均形变速率分别为0.01 mm/min与0.01 mm/min,平均均方根误差为0.11 mm,IBIS-L系统可以达到亚毫米级的形变探测精度,且形变探测精度高于A、B角反射器发生毫米级形变时的探测精度;IBIS-L系统探测目标物发生缓慢微小形变的能力更强。

      图  5  A、B角反射器设计值(亚毫米级)与监测值时间序列对比

      Figure 5.  Comparison of Time Series Between Design (Sub mm-level) and Monitoring Value of A and B Corner Reflectors

      为进一步分析IBIS-L系统探测亚毫米级形变的精度,本文选取了像素点pix1、pix2进行精度验证分析。由于pix1与pix2均为强制对中观测墩,且此次实验过程时间较短,故pix1与pix2可视为稳定点,其形变量理论上应为0。图 6为IBIS-L系统获取的pix1与pix2在整个实验过程的时间序列形变图。由图 6可知,pix1、pix2两个像素点的最大绝对偏差均为0.28 mm,且形变趋势基本一致, 最小绝对偏差分别为0.04 mm、0.06 mm;IBIS-L系统获取pix1与pix2形变的均方根误差分别为0.13 mm、0.18 mm, 平均误差分别为-0.03 mm、0.16 mm。对比分析A、B角反射器毫米级形变与pix1、pix2稳定点以及A、B角反射器亚毫米级形变的探测精度结果可以发现,地基干涉雷达IBIS-L系统探测目标物发生缓慢微小形变的精度高于探测目标物发生较快形变的精度。

      图  6  pix1与pix2监测值时间序列

      Figure 6.  Time Series of Monitoring Values of pix1 and pix2

      3) 区域性形变精度验证分析

      为分析地基干涉雷达IBIS-L系统探测区域性形变的精度,本文给出了实验过程中A、B角反射器发生毫米级与亚毫米级两个时间段内楼顶的累积视线向的位移形变,结果如图 7所示。由图 7(a)可知,在楼顶范围内除了A、B像素点,其余区域的累积形变基本趋近于0;A角反射器的累积形变为10.76 mm,B角反射器的累积形变为4.49 mm,且A与B角反射器与它们的设计值分别相差0.26 mm与-0.51 mm。由图 7(b)可以得到A角反射器的累积形变为0.66 mm,B角反射器的累积形变为-0.66 mm,同时A与B角反射器与它们的设计值分别相差-0.04 mm与-0.06 mm;楼顶其余区域的累积形变基本在小于0.5 mm的范围内波动。两个时段内楼顶大部分区域的累积形变并不完全为0,这主要是因为大气相位分量与其余相关噪声相位未完全消除所致,故楼顶区域实际上并没有发生明显形变。

      图  7  累积位移形变图

      Figure 7.  Cumulative Displacement Deformation Maps

      综上分析可知,地基干涉雷达IBIS-L系统可实现高精度的区域性形变探测,同时在目标物发生微小缓慢形变时,其形变探测精度优势更明显。

    • GB-InSAR是进行区域性、全天候、全天时连续变形监测的重要手段,其形变探测精度是实际工程应用中关注的重点。为此,本文在某学院楼顶布设模拟形变点,采用步进平台控制角反射器模拟形变,利用地基干涉雷达IBIS-L系统监测角反射器与楼顶范围的形变,并与设计值比对进行精度验证分析研究。实验结果表明:

      1) 地基干涉雷达IBIS-L系统获取的形变值与设计值吻合度较高,同时IBIS-L系统获取的楼顶的区域性累积形变结果符合实际形变情况。

      2) 当目标物发生毫米级与亚毫米级形变时,形变探测精度均达亚毫米级,如当A、B角反射器发生毫米级形变时,IBIS-L系统的形变探测精度分别为0.25 mm、0.29 mm;当发生亚毫米级的形变时,其对应精度分别为0.14 mm、0.08 mm。

      3) 由于受系统所采用信号波长(Ku波段)以及相位解缠误差等影响,目标物变形速率越小,形变微小缓慢时,地基干涉雷达IBIS-L系统的形变探测能力越强。

参考文献 (20)

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