PSInSAR技術中PS目標點提取方法研究

來源: www.126151.tw 發布時間:2016-05-30 論文字數:32783字
論文編號: sb2016052113304615653 論文語言:中文 論文類型:碩士畢業論文
本文是工程論文,本文以具體的農田地表覆蓋類型為作為具體的分析區域,并對比三閾值法和雙閾值法在農田這種地表覆蓋區域的選點情況,分析這兩種方法在農田區域選點的差異。
1 緒論  
 
1.1 研究背景及意義
地面沉降是在自然和人為因素的作用下,使地面下松散的土層與巖層被壓縮而造成地面高程慢慢變低的工程地質現象。這其中,因為自然因素而形成的地面沉降是正常的地質現象,存在于各地質歷史時期。而隨著人類社會的發展,城市建設的日新月異,人口的不斷增加,人類對各種資源的消耗量的不斷增長。為滿足自身需要,人們過度地開采地下水、石油、煤炭、天然氣等資源,導致地面沉降已經成為一個困擾社會和經濟發展的普遍性難題。 19 世紀 90 年代初,在墨西哥最早發現地面沉降現象,緊接著全球各個地區相繼出現地面沉降,直至當下,全球范圍內己有幾十個國家和地區已經出現了這種地質現象。日本新瀉在 19 世紀 90 年代末也發生地面沉降現象,到了 20 世紀 80年代己超過半百地區的地面發生沉降現象。對于美國,從 20 世紀 20 年發表現地面沉降到 20 世紀 70 年代初期,地面沉降出現在美國不同的州和地區,其程度也各不相同。不同程度的地面沉降現象出現在世界各地,包括曼谷、倫敦及莫斯科等世界主要城市[1]。 與此同時,中國的上海和天津兩個城市于 20 世紀 20 年代同樣發生過地面沉降災害。70 年代的這段時期,長江三角洲地區的主要城市、天津平原區和河北平原東部多處發現地面沉降情況。80 年代以來,地面沉降災害不僅僅發生在城市地區,而且農村地區也慢慢出現地面沉降,可以說地面沉降已經發展為成片的格局。目前,在長江三角洲、華北平原和汾渭斷陷盆地等地方發現嚴重的地面沉降區域,分布于這些區域的幾十個城市的地面沉降的表現程度也不相同[2]。 對于地面沉降監測的常規手段,代表性的有水準測量、GPS 測量(Global Positioning System,全球定位系統),其測量精度絕對滿足要求,但其實際操作過程中會受到多方面因素影響,常規方法的實際應用也因此而被制約。就水準測量來說,在大區域進行觀測會出現累積誤差,主觀因素影響著精度,觀測基線必須保持通視,在復雜地區工作實施難度大。而 GPS 測量通過離散點進行觀測,其空間分布率處于較低的水平,若測量對象為大區域時,使用 GPS 測量技術顯然無法重復進行長時間的監測工作。 
........
 
1.2 國內外研究現狀 
以解決 InSAR 技術數據處理過程中的時、空去相關以及大氣效應等問題為目標,國內外已有相當多且具代表性的研究機構和大量學者都對永久散射體(PSInSAR)技術進行了一系列的探索研究。 國際上,在這方面進行深入研究的相關機構有 Ferretti 所在的 POLIMISAR group 小組、Bert Kampes 為代表的荷蘭代爾夫特工業大學(Delft University of Technology)的研究團隊、NicoAdam 為代表的德國宇航中心(German AerosPace Center)和 Howard A.Zebke 等為代表的美國斯坦福大學地球物理系。在 InSAR和 PSInSAR 技術的理論、方法及其應用方面,上述機構及其相關學者都進行了深入而詳細的研究包括 PSInSAR 技術的算法方面,為 PSInSAR 技術的發展做出了巨大的貢獻。 1999 年,意大利的 Ferretti 等人首次提出 PSInSAR 的理論方法,同時指出, 對成像區里分布于建筑物等硬性地物上表現出穩定特性的 PS 點進行干涉分析,根據這些點建立分析模型并對模型進行解算,經過這樣的處理過程,計算出形變量。以意大利 Ancona 地區為研究區域,該地區的 34 景 ERSSAR 影像作為實驗數據,Ferretti 與 Prati 等人成功完成了該地區滑坡監測實驗。該實驗的前提,認為形變是線性的,根據多參數整體迭代這種方法,計算出形變量。根據結果顯示,線性形變速率大于 3mm/a,高程估算在經過校正后,精度達到 0.5m[16]。同年,根據美國 Pomona 市及周邊區域 41 幅時序 ERSSAR 影像,Ferretti 與 Prati 等人運用 PSInSAR 技術得出該區域的地表位形變量。2003 年,Ferretti 等人獲得了PS 技術專利權[17]。隨著越來越多的學者對 PSInSAR 技術的進行深入研究,有學者從永久散射體的本質特征即相位穩定特性為依據進行研究,相位離差指數閾值法提取 PS 點的方法被提出來[18]。2001 年,以相關系數作為提取 PS 點的依據的方法被 Mora 等提出,且根據類似方法進行實驗獲取了地面沉降結果[19]。2004 年, Hooper 等提出了不同的 PS 點識別方法,根據采用這種方法進行火山運動監測實驗,實驗很成功并得到可靠的數據成果,后面又進一步改進這種方法,并總結為StaMPS 方法[20-21]。 
.........
 
2 InSAR 技術、DInSAR 技術和 PSInSAR 技術
 
2.1 InSAR 技術
對于 InSAR 技術(合成孔徑雷達干涉測量技術),根據電磁波的相干性質測距就是其基本原理[30]。它的具體思想:以同一研究區域的兩期 SAR 圖像作為該技術的原始數據,根據同一目標地物的兩個回波信號的相位差,進而獲取干涉處理的相位圖像,然后對該圖像的相位信號進行分析,從干涉條紋中獲得高程數據的一種新型空間對地觀測技術。目前,全球已掀起該遙感技術研究熱潮。這是因為,雷達遙感的微波波長是厘米級的,相位信息可以被較精確的獲取,得到毫米級的測量精度,因此,采用它進行微小地面目標的極小形變也可以精確測量[31-32]。以 InSAR 技術采集數據的方式以及不同的使用條件為區分依據,將其干涉模式分為 3 種[33]。  第一種模式,交叉軌道干涉(Acoss-track lnterferometry),目前來說,僅僅應用于機載雷達系統上,于同一飛行平臺飛行的垂直方向安裝一對雷達天線,這樣一來,數據就是同步獲取的。因為以該模式可以接收的回波信號,其具備相關性特性,所以,通過干涉的方式進行簡單的數據處理后,便可以得到這對 SCL SAR 圖像的相位差。對于時間序列內的地表物體,其高度的變化便是該模式下其相位發生偏差即相位差的原因。 
...........
 
2.2 DInSAR 技術
對于重復軌道干涉模式,在不同的兩個時刻,對同一研究區域獲取地表信息,存在去相關等的問題影響,通常以選取合理基線來克服這種問題。如果對于研究區域的某個散射體,發現雷達微波的波長小于其相對位置的改變量。那么即使使用干涉處理的方式也無法獲得其地形變化信息。當形變量較小,那么利用已有地形方數據對其做差分處理,比較計算的結果與提供的地形數據,以此獲取研究區域地面目標的形變信息。1989 年,Gabriel 最早提出雷達差分干涉測量技術,合成孔徑雷達差分干涉測量(Differential Synthetic Aperture Radar Inter-feiometry,DlnSAR)技術是 InSAR 技術的一個延伸或改進。下面對常規 DlnSAR技術理論進行詳細的闡述,介紹說明其基本原理、數據處理流程以及該技術的局限性,對于學習與研究 PSlnSAR 技術具有重要意義。DInSAR 和 PSInSAR 技術都是在 InSAR 技術的測量原理基礎上發展的[40]。DInSAR 以兩幅干涉圖作為原始數據資料,一幅為較小時間差即形變前的干涉圖,第二幅是具有長時間差即形變后的干涉圖。第二幅圖的干涉相位包含了雷達成像幾何、地表位移和地形起伏三部分相位,而第一幅圖的干涉相位則是由雷達成像幾何和地形起伏引起的。將上述兩幅干涉圖進行差分處理,便能去除兩部分非地表位移相位,得到的相位就僅僅是地表位移這部分相位。 
..........
 
3PS 目標點識別與提取方法......21
3.1 永久散射體點識別與提取方法概述......21
3.2 相干系數法..........21
3.3 相位離差指數法...........22
3.4 振幅離差指數法...........23
3.5 相干系數和振幅離差指數雙閾值法......25
3.6 振幅和振幅離差指數雙閾值法.....26
3.7 振幅離差指數和振幅均值的統計中值雙閾值法....26
本章小結............27
4 單閾值法與雙閾值法 PS 點提取實驗......29
4.1 原始數據選擇和研究區概況..........29
4.2 振幅離差指數閾值法 PS 目標點提取實驗.....30
4.3 振幅離差指數閾值法 PS 點提取效果分析.....31
4.4 相干系數閾值法 PS 目標點提取實驗....33
4.5 相干系數閾值法 PS 點提取效果分析....34
4.6 雙閾值法 PS 目標點提取實驗.......34
4.7 雙閾值法 PS 點提取效果分析.......35
4.8 單閾值法與雙閾值法 PS 目標點提取實驗結論......38
本章小結............38
5 相干系數、振幅和振幅離差指數三閾值法.....41
5.1 三閾值法基本原理.......41
5.2 三閾值法 PS 點提取結果......42
5.3 三閾值法 PS 點提取效果分析.......44
本章小結............48 
 
5 相干系數、振幅和振幅離差指數三閾值法
 
5.1 三閾值法基本原理
針對雙閾值法在農田區域提取 PS 點存在剔除有效點和保留非有效點的問題,本文根據已有的選點方法,學習了聯合相干系數、振幅與振幅離差指數的三閾值法,并以農田區域為研究對象,采用三閾值法進行 PS 點提取實驗,比較分析三閾值法與雙閾值法在農田區域的 PS 點提取效果。 該方法首先考慮了 PS 點回波信號的高信噪比特性,用相干系數、振幅閾值法兩重閾值共同進行PS點的初選,然后PS初選點穩定的散射特性作為精選依據,用振幅離差指數這一閾值從 PS 初選點中進一步精選出 PS 點。通過相干系數信息與振幅強度信息兩個指標,即從目標點具有強散射特性這一方面初步提取出一批點,這個處理步驟的作用體現在:一方面,這些初步篩選的點具有強散射性,也可說是信噪比高;另一方面,大大減少了后面使用振幅離差指數進行精選目標點的時所要處理的目標數量,即提高了后面提取工作的效率。 然后,就是對以上初步篩選的點進行精確選取。這步處理思想是建立在前面初選工作的基礎上,初選工作從目標點的強散射特性方面考慮,為全面綜合地考慮 PS 目標點的物理特性,所以,精確選取工作從目標點的散射的穩定特性方面考慮,根據上章振幅離差指數閾值法提取目標點的實驗可知,振幅離差指數能夠很好的尋找出在時間序列上穩定性強的目標點。 為驗證采用該方法實現目標點的識別與提取工作的有效性與可靠性,以下通過對該方法實驗結果進行分析。
.........
 
結論 
 
PSInSAR 技術作為一種在 InSAR 技術基礎上發展起來的新型地表形變監測技術,發揮了常規 DInSAR 技術的優勢的同時也為克服其局限性提供了可能性。本文以 PSInSAR 技術重要環節之一的 PS 點識別與提取方法為研究對象,主要對不同 PS 點識別與提取方法進行實驗,并結合實驗結果的具體數據進行對比分析,以下是本文所做的工作總結:
(1)系統地學習了 PSInSAR 技術的基本思想及其處理流程,重點研究了幾種不同的永久散射體點(PS 點)的選取方法及其實現過程。 
(2)在深入分析幾種不同的 PS 點的識別與提取方法的基礎上,通過 matlab環境實現了相干系數閾值法與振幅離差指數閾值法兩種單閾值法和這兩種單閾值相結合的雙閾值法的 PS 目標點提取實驗。根據提取效果分析,相干系數法算法實現簡單,通過這種算法能有效地剔除明顯不合理失相干嚴重的目標如水體和植被,因此,用這種方法可以進行初步篩選目標點。振幅離差指數法,能夠充分提取出具有穩定散射特性的目標點,但因僅僅關注散射穩定特性,很容易將水體和植被這類雖低相干卻具散射變化幅度不大的目標誤選。 
(3) 基于兩種單閾值法的雙閾值法,聯合了兩種方法的長處進行 PS 目標點的選取工作,較之單閾值法,其可靠性高。不過,經過對其選取結果分析,發現雙閾值法在農田區域提取 PS 點存在局限性。 
(4)將三閾值法在農田區域與雙閾值法實驗結果進行對比分析,證明在農田區域三閾值法提取 PS 目標點比雙閾值法更具可靠性。   
.........
參考文獻(略)

原文地址:http://www.126151.tw/gclw/15653.html,如有轉載請標明出處,謝謝。

您可能在尋找工程碩士方面的范文,您可以移步到工程碩士頻道(http://www.126151.tw/gclw/)查找


上一篇:基于Grid/TIN混合結構的地形實時可視化算法研究
下一篇:非均勻雪荷載下輕鋼結構的安全性研究
深圳证券交易所股票