[发明专利]自适应多源InSAR监测地面沉降时间序列数据拼接方法及系统

说明书

本发明提供了一种自适应多源InSAR监测地面沉降时间序列数据拼接方法及系统，考虑了地面沉降时间序列拼接中成像几何、空间覆盖度、时间匹配度三个方面的问题，在成像几何中，通过估算InSAR数据的垂直向形变，提高了InSAR监测结果的精度；针对多源InSAR数据集的空间覆盖范围和空间分辨率的不同，提出了构建空间格网的方法；考虑到空间参考的差异性，首次提出结合外部数据统一空间参考，以减小系统误差；并利用时间序列分解的思想，构建自适应时间序列模型，避免了普通拟合模型误差的引入，提高了拼接后数据的精度。本发明对多源InSAR监测结果的地面沉降时间序列数据大范围拼接的适用性强，拼接后数据精度明显提高。

技术领域

本发明涉及地面沉降时间序列数据处理领域，尤其涉及一种针对大范围多源InSAR监测结果的地面沉降时间序列数据自适应的拼接方法及其系统。

背景技术

地面沉降是在自然和人为因素综合作用下由土体压缩引起的地面标高损失的环境地质现象，具有不可补偿的永久性环境和资源损失的特点，因此，研究地面沉降时序演化规律对于城市可持续发展是非常有必要的。随着遥感技术的进步，地面沉降监测技术进入了新的时代。目前，合成孔径雷达干涉测量技术(Interferometric Synthetic ApertureRadar,InSAR)相比于水准测量、分层标、GPS测量等常规点、线观测监测方法，具有高精度、大范围、长时序、高形变敏感度的优点。特别是在缺乏地面监测点的条件下，InSAR技术监测形变是一种快速且经济的手段，在地面沉降监测领域应用广泛。特别是在Ferretti et al.(2000)提出了一种时序InSAR新技术——永久散射体干涉测量技术(PersistentScatterer Interferometric Synthetic Aperture Radar,PS-InSAR)之后，使得研究区域地面沉降时序演化成为了可能。此外，SAR卫星的平均寿命通常设计在5～7年左右，而地面沉降是一种长期的地质现象，通常需要10-20年才能准确监测到其形变规律，因此，需要联合多种卫星数据源才能监测更长时序的形变信息。并且，不同的卫星数据源由于其信号波段不同，需要分开来处理。因此，地面沉降长时序遥感监测首先要解决的就是多源卫星数据的时序拼接问题。

多源InSAR时序拼接需要解决三个方面的问题。首先，成像几何问题。SAR卫星采用的是侧视成像，因此，InSAR获取的是沿视线方向的形变信息(Line of Sight，LOS)。而不同传感器对地观测的入射角不同，再加上水平形变的影响，这都将造成多源数据成像几何不一致的问题。其次，空间范围匹配问题。不同SAR卫星其PS点的空间覆盖范围不同，高明亮(2017)提出利用最近邻法匹配同名点；司远(2018)提出利用空间插值并提取到点的方法。最后，时间参考的统一问题。时序InSAR是基于差分的思想，因此每一段时序的开始都是零，时序连接时需要转换到相同的时间参考。时序拼接包括有重叠时段和没有重叠时段两种情况。针对有重叠时段的时序拼接，刘凯斯(2018)利用奇异值分解的方法寻找重叠区最佳拼接点，然后利用最小二乘多项式拟合的方法实现拼接；P.E(2018)、司远(2018)分别建立了双曲线(Hyperbolic Method,HM)和Logistic沉降模型拟合时序沉降变化，并利用拟合曲线梯度差最小方法进行时序拼接；Mahmud(2019)假设沉降速率不发生变化，构建线性模型，并用最小二乘平差的方法进行拼接。针对没有重叠时段的时序拼接，Pasca(2017)利用前一时段的平均沉降速率填补空缺时段；司远(2018)采用双向预测的方法，重新构建重叠区进行拼接。

以往的时序拼接方法均是针对不同研究区的特点提出的有针对性的拼接方法，具有区域性，然而地面沉降不仅存在区域差异性，而且随着时间序列的加长，固定的沉降模型不再能适应沉降规律变化的情况。因此，构建自适应的时序拼接模型对于地面沉降长时序监测研究具有十分重要的意义。

发明内容

本发明基于上述传统方法不能充分考虑上述三个问题的缺陷，将综合考虑多源InSAR监测时序拼接的三个问题，提出一套适用于大范围地面沉降时序拼接的系统性方法。具体而言，本发明提供了以下的技术方案：