PSInSAR技术中PS目标点提取方法研究

1 绪论 1.1 研究背景及意义地面沉降是在自然和人为因素的作用下，使地面下松散的土层与岩层被压缩而造成地面高程慢慢变低的工程地质现象。这其中，因为自然因素而形成的地面沉降是正常的地质现象，存在于各地质历史时期。而随着人类社会的发展，城市建设的日新月异，人口的不断增加，人类对各种资源的消耗量的不断增长。为满足自身需要，人们过度地开采地下水、石油、煤炭、天然气等资源，导致地面沉降已经成为一个困扰社会和经济发展的普遍性难题。 19 世纪 90 年代初，在墨西哥最早发现地面沉降现象,紧接着全球各个地区相继出现地面沉降，直至当下，全球范围内己有几十个国家和地区已经出现了这种地质现象。日本新泻在 19 世纪 90 年代末也发生地面沉降现象,到了 20 世纪 80年代己超过半百地区的地面发生沉降现象。对于美国，从 20 世纪 20 年发表现地面沉降到 20 世纪 70 年代初期,地面沉降出现在美国不同的州和地区，其程度也各不相同。不同程度的地面沉降现象出现在世界各地，包括曼谷、伦敦及莫斯科等世界主要城市[1]。 与此同时，中国的上海和天津两个城市于 20 世纪 20 年代同样发生过地面沉降灾害。70 年代的这段时期，长江三角洲地区的主要城市、天津平原区和河北平原东部多处发现地面沉降情况。80 年代以来，地面沉降灾害不仅仅发生在城市地区，而且农村地区也慢慢出现地面沉降,可以说地面沉降已经发展为成片的格局。目前，在长江三角洲、华北平原和汾渭断陷盆地等地方发现严重的地面沉降区域,分布于这些区域的几十个城市的地面沉降的表现程度也不相同[2]。 对于地面沉降监测的常规手段，代表性的有水准测量、GPS 测量(Global Positioning System，全球定位系统)，其测量精度绝对满足要求，但其实际操作过程中会受到多方面因素影响，常规方法的实际应用也因此而被制约。就水准测量来说，在大区域进行观测会出现累积误差，主观因素影响着精度，观测基线必须保持通视，在复杂地区工作实施难度大。而 GPS 测量通过离散点进行观测，其空间分布率处于较低的水平，若测量对象为大区域时，使用 GPS 测量技术显然无法重复进行长时间的监测工作。........1.2 国内外研究现状以解决 InSAR 技术数据处理过程中的时、空去相关以及大气效应等问题为目标，国内外已有相当多且具代表性的研究机构和大量学者都对永久散射体(PSInSAR)技术进行了一系列的探索研究。 国际上，在这方面进行深入研究的相关机构有 Ferretti 所在的 POLIMISAR group 小组、Bert ampes 为代表的荷兰代尔夫特工业大学(Delft University of Technology)的研究团队、NicoAdam 为代表的德国宇航中心(German AerosPace Center)和 Howard A.Zebe 等为代表的美国斯坦福大学地球物理系。在 InSAR和 PSInSAR 技术的理论、方法及其应用方面，上述机构及其相关学者都进行了深入而详细的研究包括 PSInSAR 技术的算法方面，为 PSInSAR 技术的发展做出了巨大的贡献。 1999 年，意大利的 Ferretti 等人首次提出 PSInSAR 的理论方法，同时指出， 对成像区里分布于建筑物等硬性地物上表现出稳定特性的 PS 点进行干涉分析，根据这些点建立分析模型并对模型进行解算，经过这样的处理过程，计算出形变量。以意大利 Ancona 地区为研究区域，该地区的 34 景 ERSSAR 影像作为实验数据，Ferretti 与 Prati 等人成功完成了该地区滑坡监测实验。该实验的前提，认为形变是线性的，根据多参数整体迭代这种方法，计算出形变量。根据结果显示，线性形变速率大于 3mm/a，高程估算在经过校正后，精度达到 0.5m[16]。同年，根据美国 Pomona 市及周边区域 41 幅时序 ERSSAR 影像，Ferretti 与 Prati 等人运用 PSInSAR 技术得出该区域的地表位形变量。2003 年，Ferretti 等人获得了PS 技术专利权[17]。随着越来越多的学者对 PSInSAR 技术的进行深入研究，有学者从永久散射体的本质特征即相位稳定特性为依据进行研究，相位离差指数阈值法提取 PS 点的方法被提出来[18]。2001 年，以相关系数作为提取 PS 点的依据的方法被 Mora 等提出，且根据类似方法进行实验获取了地面沉降结果[19]。2004 年, Hooper 等提出了不同的 PS 点识别方法,根据采用这种方法进行火山运动监测实验,实验很成功并得到可靠的数据成果,后面又进一步改进这种方法，并总结为StaMPS 方法[20-21]。.........2 InSAR 技术、DInSAR 技术和 PSInSAR 技术2.1 InSAR 技术对于 InSAR 技术(合成孔径雷达干涉测量技术)，根据电磁波的相干性质测距就是其基本原理[30]。它的具体思想：以同一研究区域的两期 SAR 图像作为该技术的原始数据，根据同一目标地物的两个回波信号的相位差，进而获取干涉处理的相位图像，然后对该图像的相位信号进行分析，从干涉条纹中获得高程数据的一种新型空间对地观测技术。目前，全球已掀起该遥感技术研究热潮。这是因为，雷达遥感的微波波长是厘米级的，相位信息可以被较精确的获取，得到毫米级的测量精度，因此，采用它进行微小地面目标的极小形变也可以精确测量[31-32]。以 InSAR 技术采集数据的方式以及不同的使用条件为区分依据，将其干涉模式分为 3 种[33]。 第一种模式，交叉轨道干涉(Acoss-trac lnterferometry)，目前来说，仅仅应用于机载雷达系统上，于同一飞行平台飞行的垂直方向安装一对雷达天线，这样一来，数据就是同步获取的。因为以该模式可以接收的回波信号，其具备相关性特性，所以，通过干涉的方式进行简易的数据处理后，便可以得到这对 SCL SAR 图像的相位差。对于时间序列内的地表物体，其高度的变化便是该模式下其相位发生偏差即相位差的原因。...........2.2 DInSAR 技术对于重复轨道干涉模式，在不同的两个时刻，对同一研究区域获取地表信息，存在去相关等的问题影响，通常以选取合理基线来克服这种问题。如果对于研究区域的某个散射体，发现雷达微波的波长小于其相对位置的改变量。那么即使使用干涉处理的方式也无法获得其地形变化信息。当形变量较小，那么利用已有地形方数据对其做差分处理，比较计算的结果与提供的地形数据，以此获取研究区域地面目标的形变信息。1989 年，Gabriel 最早提出雷达差分干涉测量技术，合成孔径雷达差分干涉测量(Differential Synthetic Aperture Radar Inter-feiometry，DlnSAR)技术是 InSAR 技术的一个延伸或改进。下面对常规 DlnSAR技术理论进行详细的阐述，介绍说明其基本原理、数据处理流程以及该技术的局限性，对于学习与研究 PSlnSAR 技术具有重要意义。DInSAR 和 PSInSAR 技术都是在 InSAR 技术的测量原理基础上发展的[40]。DInSAR 以两幅干涉图作为原始数据资料，一幅为较小时间差即形变前的干涉图，第二幅是具有长时间差即形变后的干涉图。第二幅图的干涉相位包含了雷达成像几何、地表位移和地形起伏三部分相位，而第一幅图的干涉相位则是由雷达成像几何和地形起伏引起的。将上述两幅干涉图进行差分处理，便能去除两部分非地表位移相位，得到的相位就仅仅是地表位移这部分相位。..........3PS 目标点识别与提取方法......213.1 永久散射体点识别与提取方法概述......213.2 相干系数法..........213.3 相位离差指数法...........223.4 振幅离差指数法...........233.5 相干系数和振幅离差指数双阈值法......253.6 振幅和振幅离差指数双阈值法.....263.7 振幅离差指数和振幅均值的统计中值双阈值法....26本章小结............274 单阈值法与双阈值法 PS 点提取实验......294.1 原始数据选择和研究区概况..........294.2 振幅离差指数阈值法 PS 目标点提取实验.....304.3 振幅离差指数阈值法 PS 点提取效果分析.....314.4 相干系数阈值法 PS 目标点提取实验....334.5 相干系数阈值法 PS 点提取效果分析....344.6 双阈值法 PS 目标点提取实验.......344.7 双阈值法 PS 点提取效果分析.......354.8 单阈值法与双阈值法 PS 目标点提取实验结论......38本章小结............385 相干系数、振幅和振幅离差指数三阈值法.....415.1 三阈值法基本原理.......415.2 三阈值法 PS 点提取结果......425.3 三阈值法 PS 点提取效果分析.......44本章小结............485 相干系数、振幅和振幅离差指数三阈值法5.1 三阈值法基本原理针对双阈值法在农田区域提取 PS 点存在剔除有效点和保留非有效点的问题，本文根据已有的选点方法，学习了联合相干系数、振幅与振幅离差指数的三阈值法，并以农田区域为研究对象，采用三阈值法进行 PS 点提取实验，比较分析三阈值法与双阈值法在农田区域的 PS 点提取效果。 该方法首先考虑了 PS 点回波信号的高信噪比特性，用相干系数、振幅阈值法两重阈值共同进行PS点的初选，然后PS初选点稳定的散射特性作为优选依据，用振幅离差指数这一阈值从 PS 初选点中进一步优选出 PS 点。通过相干系数信息与振幅强度信息两个指标，即从目标点具有强散射特性这一方面初步提取出一批点，这个处理步骤的作用体现在：一方面，这些初步筛选的点具有强散射性，也可说是信噪比高；另一方面，大大减少了后面使用振幅离差指数进行优选目标点的时所要处理的目标数量，即提高了后面提取工作的效率。 然后，就是对以上初步筛选的点进行精确选取。这步处理思想是建立在前面初选工作的基础上，初选工作从目标点的强散射特性方面考虑，为全面综合地考虑 PS 目标点的物理特性，所以，精确选取工作从目标点的散射的稳定特性方面考虑，根据上章振幅离差指数阈值法提取目标点的实验可知，振幅离差指数能够很好的寻找出在时间序列上稳定性强的目标点。 为验证采用该方法实现目标点的识别与提取工作的有效性与可靠性，以下通过对该方法实验结果进行分析。

.........结论PSInSAR 技术作为一种在 InSAR 技术基础上发展起来的新型地表形变监测技术，发挥了常规 DInSAR 技术的优势的同时也为克服其局限性提供了可能性。本文以 PSInSAR 技术重要环节之一的 PS 点识别与提取方法为研究对象，主要对不同 PS 点识别与提取方法进行实验，并结合实验结果的具体数据进行对比分析，以下是本文所做的工作总结：(1)系统地学习了 PSInSAR 技术的基本思想及其处理流程，重点研究了几种不同的永久散射体点(PS 点)的选取方法及其实现过程。(2)在深入分析几种不同的 PS 点的识别与提取方法的基础上，通过 matlab环境实现了相干系数阈值法与振幅离差指数阈值法两种单阈值法和这两种单阈值相结合的双阈值法的 PS 目标点提取实验。根据提取效果分析，相干系数法算法实现简易，通过这种算法能有效地剔除明显不合理失相干严重的目标如水体和植被，因此，用这种方法可以进行初步筛选目标点。振幅离差指数法，能够充分提取出具有稳定散射特性的目标点，但因仅仅关注散射稳定特性，很容易将水体和植被这类虽低相干却具散射变化幅度不大的目标误选。(3) 基于两种单阈值法的双阈值法，联合了两种方法的长处进行 PS 目标点的选取工作，较之单阈值法，其可靠性高。不过，经过对其选取结果分析，发现双阈值法在农田区域提取 PS 点存在局限性。(4)将三阈值法在农田区域与双阈值法实验结果进行对比分析，证明在农田区域三阈值法提取 PS 目标点比双阈值法更具可靠性。 .........参考文献(略)