一种时序InSAR时空构网方法

一种时序insar时空构网方法
技术领域
1.本发明涉及合成孔径雷达干涉测量技术在时序数据处理的应用领域，尤其是涉及一种基于最小生成树与三角闭合的时序insar干涉图选取以及相干点空间构网方法。


背景技术：

2.合成孔径雷达干涉测量(interferometric synthetic aperture radar,insar)技术通过测量覆盖同一地区两幅sar影像的相位差来获取地表的形变信息。近年来，随着重轨sar影像数量的增多，利用同一地区多幅sar影像获取地表时序形变也越来越广泛。在时序insar数据处理过程中，由于地表不同地物散射机制各异，其受时空基线变化的影响程度也不一致，不同干涉图组合与相干点网络直接影响时序insar的观测质量，从而导致形变获取的精度与空间分布密度水平不一。因此，干涉图的选取以及相干点网络构建尤为重要。
3.考虑同一地区获取n幅sar影像，理论上可以生成n(n-1)/2幅干涉图。然而，直接处理n(n-1)/2幅干涉图不仅耗费极大的计算资源，并且其中包含的低质量干涉图会限制后续解缠和形变估计精度。目前，选取干涉图的方法主要依赖两类阈值：一是利用干涉图的时间基线和空间基线间接反映干涉图相干质量，通过设置时空基线阈值选取干涉图；二是，计算所有干涉组合的相干性直接评估干涉图相位质量，再设置干涉图相干性阈值选取干涉图。然而，单纯依赖某一类阈值的干涉图选取方法，阈值过高会导致产生干涉图子集元素稀少、子集之间相互隔离，而阈值过低则会保留低质量干涉图，难以兼顾干涉图整体质量与网络完整性。而对于相干点空间构网，例如中国专利申请cn112797886a目前主要采用的狄洛尼三角构网，虽然构网效率高，但其仅从空间几何关系出发建立网络，未估计网络弧段的相位质量。其生成的低质量的弧段易造成解缠误差，降低后续形变估计的精度与空间密度。


技术实现要素：

4.本发明的目的就是为了提供一种基于最小生成树与三角闭合的时序insar干涉图选取以及相干点空间构网方法。
5.本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
6.一种时序insar时空构网方法，所述方法步骤包括：
7.步骤一、对sar影像序列进行采样，在采样窗口内估计相干性，并评估所有干涉对组合的相位质量；
8.步骤二、根据最小生成树生成相位质量整体最大的非冗余干网；对最小生成树每条边搜索相干质量最大的三角形，使得干涉图网络时间维闭合；
9.步骤三、基于所选干涉图，设置平均相干性阈值选取相干点；
10.步骤四、用最邻近点搜索和狄洛尼三角网建立相干点初始空间网络，并计算网络弧段相干性；采用最小生成树和三角闭合对初始网络进行优化筛选，构建最终相干点空间网络。
11.进一步的，所述步骤一中的具体过程如下：
12.将n幅sar影像配准到同一影像坐标系，计算n幅sar影像的平均强度图；
13.对sar影像的平均强度图进行四叉树分割；
14.在通过四叉树分割的每个子窗口内估计中心像元所有干涉组合的相干性γ
i,j
；
15.将子窗口内所有像元的相干性都赋值为中心像元的相干性值，干涉图每个像元的相干性均由四叉树子窗口中心像素所表示；
16.干涉图的相位质量通过干涉图的平均相干性表示。
17.进一步的，所述子窗口中心像元干涉组合的相干性计算如下：
[0018][0019]
式中，γ
i,j
表述干涉组合(i,j)的相干性，si(l)和sj(l)分别代表主影像和副影像的雷达复数信号，l为相干性估计窗口包含的像素个数，*为复数共轭相乘运算符。
[0020]
进一步的，所述四叉树分割的具体步骤如下：
[0021]
当窗口内平均强度的标准差大于设定阈值则将该窗口分割为四个象限子窗口；
[0022]
对每个象限子窗口重复上述分割步骤，直到子窗口边长小于设定阈值。
[0023]
进一步的，所述步骤二中的具体过程如下：
[0024]
定义干涉图网络中每一幅干涉图代表的边长l
ij
：
[0025][0026]
干涉图平均相干性越大则干涉图代表的边长越短，利用最小生成树建立总边长最短的干涉图网络；
[0027]
对最小生成树每一条边增加三角闭合环；其中，所述增加三角闭合环的策略为：对最小生成树每条边的两个端点，采用最邻近探测搜索第三个点，使得三个端点组成的三角形周长最短。
[0028]
进一步的，所述步骤三中相干点选取，具体过程如下：
[0029]
当m幅干涉图通过最小生成树被选定，基于干涉图在每个像元的相干性，计算各像元的平均相干性
[0030][0031]
其中，γm为在第m幅干涉图中该像元的相干性；
[0032]
基于设置的平均相干性设置阈选取相干点。
[0033]
进一步的，所述步骤四中建立相干点初始空间网络的具体过程如下：
[0034]
基于选取的相干点，采用knn最邻近搜索与狄洛尼三角网建立相干点初始网络，然后计算网络中每一条弧段的相干性ρ
a,b
：
[0035][0036]
式中，δφ代表弧段(a,b)上的差分相位，j为虚数单位；
[0037]
基于弧段相干性可定义弧段的长度为：
[0038]
l
a,b
＝-10log
10
(ρ
a,b
)
[0039]
表示相干性越大的弧段代表的弧段长度越短。
[0040]
进一步的，所述步骤四中采用最小生成树和三角闭合对初始网络进行优化，构建最终相干点空间网络的具体过程如下：
[0041]
基于建立的相干点初始网络，采用最小生成树构建总弧段长度最短的相干点网络，针对最小生成树每一条弧段的两个端点，采用最邻近探测搜索第三个点，使得三个端点组成的三角所总弧长最短。
[0042]
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
[0043]
1)本发明结合最小生成树与三角闭合兼顾了网络总体相干质量与网络闭合性，应用于干涉图选取和相干点空间网络构建，从而提升后续相位解缠与时序形变估计精度。
[0044]
2)本发明基于四叉树采样估计干涉图平均相干性，可以快速确定所有干涉组合的干涉相位质量，避免了所有干涉组合全像素计算相干性，提升了计算效率，同时也确保了干涉图相位质量的准确评估。
附图说明
[0045]
图1为本发明干涉图选取与相干点空间网络构建流程示意图；
[0046]
图2为平均强度图四叉树分割示例图；
[0047]
图3为基于四叉树采样估计干涉图相干性示例图；
[0048]
图4为干涉图选取结果示意图：(a)最小生成树；(b)最小生成树联合三角闭合(本发明)；
[0049]
图5为相干点网络构建结果示意图：(a)狄洛尼三角网；(b)最小生成树联合三角闭合(本发明)。
具体实施方式
[0050]
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
[0051]
实施例1
[0052]
本发明提供一种基于最小生成树与三角闭合的时序insar干涉图选取和相干点空间构网方法。该方法先采用最小生成树生成整体相位质量最大的非冗余网，再对最小生成树每条边搜索周长的最短三角形，使得整个网络兼顾相位质量最优与网络全局闭合的条件。该方法可应用于干涉图选取与相干点空间构网，从而建立时序insar时空观测最优网络，提升相位解缠与时序形变估计精度。
[0053]
整个技术方案流程如图1所示，主要分为干涉图相干性四叉树采样估计、干涉图选取、相干点选取、相干点空间网络构建四个步骤，具体如下。
[0054]
步骤一、干涉图相干性四叉树采样估计
[0055]
假设n幅sar影像配准到同一影像坐标系，计算n幅sar影像的平均强度图。对平均强度图进行四叉树分割，分割标准为：
[0056]
当窗口内平均强度的标准差大于设定阈值(如0.4)则将该窗口分割为四个象限子
窗口
[0057]
对每个象限子窗口重复步骤1，直到子窗口边长小于设定阈值(如15)。
[0058]
四叉树分割完毕后，在每个子窗口内估计中心像元所有干涉组合(即n(n-1)/2)的相干性，即
[0059][0060]
式中，γ
i,j
为干涉组合(i,j)的相干性，si(l)和sj(l)分别代表主影像和副影像的雷达复数信号，l为相干性估计窗口包含的像素个数，*为复数共轭相乘运算符。将子窗口内所有像元的相干性都赋值为中心像元的相干性值，则干涉图每个像元的相干性均可被四叉树子窗口中心像素所表示。据此，n(n-1)/2幅干涉图的相位质量可以用干涉图的平均相干性表示。
[0061]
步骤二、干涉图选取
[0062]
为了利用最小生成树选取干涉图，需先定义干涉图网络中每一幅干涉图代表的边长，即
[0063][0064]
上式表示，干涉图平均相干性越大则干涉图代表的边长越短。利用最小生成树可以快速建立总边长最短(干涉图总体相干性最大)的干涉图网络。由于最小生成树为非冗余网络，每一条边无法进行闭合探测，不利于后续相位解缠和形变分析，因此需对最小生成树每一条边增加闭合环。本方案采取的策略是：对最小生成树每条边的两个端点，采用最邻近探测搜索第三个点，使得三个端点组成的三角形周长最短。如此选择的干涉图兼顾了干涉图相位质量与干涉相位在时间维的闭合性。
[0065]
步骤三、相干点选取
[0066]
假设m幅干涉图通过上述方法被选定，所选干涉图每个像元按照公式(1)计算相干性，并且计算该像元的平均相干性
[0067][0068]
然后，设置平均相干性设置阈值(如0.7)选取相干点。
[0069]
步骤四、相干点空间网络构建
[0070]
基于选取的相干点，采用knn最邻近搜索(k＝50)与狄洛尼三角网建立相干点初始网络，然后计算网络中每一条弧段的相干性，
[0071][0072]
式中，δφ代表弧段(a,b)上的差分相位，j为虚数单位。基于弧段相干性可定义弧段的长度为
[0073]
l
a,b
＝-10log
10
(ρ
a,b
)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(5)
[0074]
上式与公式(2)类似，表示相干性越大的弧段代表的弧段长度越短。基于建立的相干点初始网络，采用最小生成树构建总弧段长度最短(弧段总体相干性最大)的相干点网络。针对最小生成树每一条弧段的两个端点，采用最邻近探测搜索第三个点，使得三个端点
组成的三角所总弧长最短。如此建立的相干点网络兼顾了弧段差分相位质量与弧段差分相位在空间维的闭合性。
[0075]
实验验证
[0076]
实验选取上海市浦东机场获取的60幅sentinel-1a升轨sar影像数据，影像时间跨度为2021年1月1日到2022年2月25日。经过预处理配准到同一影像坐标系下，对平均强度图做四叉树分割，结果如图2所示。其中一幅干涉图的四叉树采样相干性如图3所示。经过最小生成树与三角闭合选取的干涉图网络如图4所示。经过相干点选取，采样最小生成树与三角闭合构建的相干点空间网络如图5所示。
[0077]
以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思做出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

技术特征：
1.一种时序insar时空构网方法，其特征在于，所述方法步骤包括：步骤一、对sar影像序列进行采样，在采样窗口内估计相干性，并评估所有干涉对组合的相位质量；步骤二、根据最小生成树生成相位质量整体最大的非冗余干网；对最小生成树每条边搜索相干质量最大的三角形，使得干涉图网络时间维闭合；步骤三、基于所选干涉图，设置平均相干性阈值选取相干点；步骤四、用最邻近点搜索和狄洛尼三角网建立相干点初始空间网络，并计算网络弧段相干性；采用最小生成树和三角闭合对初始网络进行优化筛选，构建最终相干点空间网络。2.根据权利要求1所述的一种时序insar时空构网方法，其特征在于，所述步骤一中的具体过程如下：将n幅sar影像配准到同一影像坐标系，计算n幅sar影像的平均强度图；对sar影像的平均强度图进行四叉树分割；在通过四叉树分割的每个子窗口内估计中心像元所有干涉组合的相干性γ
i,j
；将子窗口内所有像元的相干性都赋值为中心像元的相干性值，干涉图每个像元的相干性均由四叉树子窗口中心像素所表示；干涉图的相位质量通过干涉图的平均相干性表示。3.根据权利要求2所述的一种时序insar时空构网方法，其特征在于，所述子窗口中心像元干涉组合的相干性计算如下：式中，γ
i,j
表述干涉组合(i,j)的相干性，s
i
(l)和s
j
(l)分别代表主影像和副影像的雷达复数信号，l为相干性估计窗口包含的像素个数，*为复数共轭相乘运算符。4.根据权利要求2所述的一种时序insar时空构网方法，其特征在于，所述四叉树分割的具体步骤如下：当窗口内平均强度的标准差大于设定阈值则将该窗口分割为四个象限子窗口；对每个象限子窗口重复上述分割步骤，直到子窗口边长小于设定阈值。5.根据权利要求1或2所述的一种时序insar时空构网方法，其特征在于，所述步骤二中的具体过程如下：定义干涉图网络中每一幅干涉图代表的边长l
ij
：干涉图平均相干性越大则干涉图代表的边长越短，利用最小生成树建立总边长最短的干涉图网络；对最小生成树每一条边增加三角闭合环；其中，所述增加三角闭合环的策略为：对最小生成树每条边的两个端点，采用最邻近探测搜索第三个点，使得三个端点组成的三角形周长最短。6.根据权利要求1所述的一种时序insar时空构网方法，其特征在于，所述步骤三中相
干点选取，具体过程如下：当m幅干涉图通过最小生成树被选定，基于干涉图在每个像元的相干性，计算各像元的平均相干性平均相干性其中，γ
m
为在第m幅干涉图中该像元的相干性；基于设置的平均相干性设置阈选取相干点。7.根据权利要求1所述的一种时序insar时空构网方法，其特征在于，所述步骤四中建立相干点初始空间网络的具体过程如下：基于选取的相干点，采用knn最邻近搜索与狄洛尼三角网建立相干点初始网络，然后计算网络中每一条弧段的相干性ρ
a,b
：式中，δφ代表弧段(a,b)上的差分相位，j为虚数单位；基于弧段相干性可定义弧段的长度为：l
a,b
＝-10log
10
(ρ
a,b
)表示相干性越大的弧段代表的弧段长度越短。8.根据权利要求1或7所述的一种时序insar时空构网方法，其特征在于，所述步骤四中采用最小生成树和三角闭合对初始网络进行优化，构建最终相干点空间网络的具体过程如下：基于建立的相干点初始网络，采用最小生成树构建总弧段长度最短的相干点网络，针对最小生成树每一条弧段的两个端点，采用最邻近探测搜索第三个点，使得三个端点组成的三角所总弧长最短。

技术总结
本发明涉及一种时序InSAR时空构网方法，对SAR影像分别在时间维和空间维定义相干性指标，方法步骤包括：基于SAR影像序列的平均强度图进行四叉树采样，在采样窗口内估计相干性，并评估所有干涉对组合的相位质量；根据最小生成树生成相位质量整体最大的非冗余干涉对；对最小生成树每条边搜索相干质量最大的三角形，使得干涉图网络时间维闭合；基于所选干涉图选取相干点；建立相干点初始空间网络，并计算网络弧段相干性；采用最小生成树和三角闭合对初始网络进行优化筛选，构建InSAR相位时空差分网络。采用本发明实现了快速优选干涉图和构建相干点空间网络，为后续相位解缠和时序InSAR分析提供良好的基础。分析提供良好的基础。分析提供良好的基础。


技术研发人员：张磊 梁鸿俞 伍吉仓
受保护的技术使用者：同济大学
技术研发日：2023.06.30
技术公布日：2023/9/25