面向高精度DEM的InSAR关键处理技术研究

发布时间：2020-11-12 16:31

　　 合成孔径雷达干涉测量(Interferometry Synthetic Aperture Radar,InSAR)技术已经在高精度数字高程模型(Digital Elevation Model,DEM)反演及大范围地表形变监测中得到了广泛的应用。InSAR技术具有全天候、全天时及效率高等优点,然而其数据处理步骤的准确性将直接影响获取DEM的精度和可靠性。干涉相位图滤波和相位解缠是InSAR干涉数据处理过程中关键的两个步骤,这两步质量的好坏将直接影响DEM精度,故此这两步一直是InSAR技术数据处理研究的热点和难点。本文研究了适用于条纹密集区域的干涉相位图滤波方法,并对噪声水平高及地形起伏变化大的相位解缠方法等问题进行研究。主要内容包括空间域及频率域对干涉相位图滤波结果的影响、无迹卡尔曼滤波相位解缠模型优化对单基线解缠结果的影响及多基线解缠方法模型的一些改进技术等。取得的主要研究成果如下:(1)对高精度DEM反演方法进行了较为细致、深入的研究。并对InSAR数据处理链路中每一步进行细致的理论介绍。分析了数据处理过程中主要的误差来源,为下面研究干涉相位图滤波及相位解缠提供理论和研究基础。(2)对几种空间域和频率域干涉相位图滤波方法进行了较为细致、深入的研究。由理论和实验结果表明大部分空间域滤波方法效率比较高,但滤波结果容易存在相位和分辨率的损失,尤其是在条纹密集区域。频率域干涉相位图滤波较空间域滤波能得到更好的结果,但在条纹密集区域仍然很难达到滤波同时避免相位损失的目的。而且传统的频率域滤波方法参数设置比较繁琐,滤波效率也比较低,这些因素都限制了该类方法的应用。本文结合空间域和频率域滤波的优点,提出了一种自适应两步干涉相位图滤波方法,该方法将空间域和频率域优点结合起来,不仅提高了滤波的精度,而且提高了滤波的效率。该方法针对滤波窗口设置问题进行了分析,提出了一种简单有效的滤波窗口自适应方法。通过模拟及真实数据实验表明,本文提出的自适应两步滤波方法可以更有效的在剔除残差点的同时避免相位损失,能获得较其它方法更好的滤波效果。(3)通过对几种卡尔曼滤波相位解缠方法的理论模型进行分析,提出了一种结合中值滤波的自适应无迹卡尔曼滤波相位解缠(AUKFMPU)方法。虽然自适应无迹卡尔曼滤波(AUKF)已经在其它领域得到了较好的应用,但是在相位解缠中还是首次被应用。将其与中值滤波结合起来应用到首颗国产C波段SAR卫星数据处理中,即:高分三号SAR(GF3-SAR)。通过模拟和真实数据表明,提出的AUKFMPU方法可以根据不同像素点误差的不同对模型进行自适应调整,增加解缠模型的噪声鲁棒性,从而提高了获取DEM的精度。并将其应用到GF3-SAR的数据处理中,经过实验对比分析表明,提出的AUKFMPU方法具有较好的噪声鲁棒性,获得了较其它方法更高精度的DEM结果。(4)针对地形起伏变化大引起相位不连续现象,提出了一种多基线UKFPU方法,解决了山地区域DEM反演精度差的难题。与单基线相位解缠方法(SB-PU)相比,多基线解缠方法(MB-PU)不受连续性假设的限制,故此MB-PU可以解决由地形起伏过大引起的相位不连续现象。然而,大多数MB-PU方法受到噪声抵御能力差,计算效率低等因素的限制。针对这个问题,本文基于两阶段编程方法(TSPA),将UKF模型应用到MB-PU方法中,提出了一种基于两阶段编程的多基线UKFPU(TSPA-UKFPU)方法。具体的,该方法首先采用TSPA的第一步估计出距离向和方位向梯度,然后用中值滤波对估计出来的梯度进行轻微滤波,最后将最大堆策略和UKF模型结合起来对干涉相位进行解缠。通过对两组模拟数据及ALOS-L、TanDEM-X两组真实数据进行处理,采用高精度激光雷达点(ICESat)和Shuttle Radar Topography Mission(SRTM)对结果进行评估,并与SB-PU中的统计费用流解缠方法(SNAPHU)和传统的TSPA方法进行对比,实验结果分析表明,本文提出的TSPA-UKFPU是一种性能较好的MB-PU方法。该论文有图40幅,表12个,参考文献171篇。
【学位单位】：中国矿业大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2019
【中图分类】：P237
【部分图文】：

博士学位论文DEM 的精度，本文通过对相同区域的相位值进行多基线处理，连续对解缠结果的影响，从而获得高精度的 DEM。不同 M用不同的 MB-PU 模型，而且模型提出的可靠性和适用性也有体研究内容为：(1) 对已有的 MB-PU 方法模型可能存在的问能否对模型进一步优化，提高其解缠精度；(2)同时，针对不同行研究，将其它方法引入到相应的 MB-PU 方法模型里，并验性。研究基本流程图如下(标绿为本文主要研究内容)：

BBBaXY22cos (2-4)BBaZsin (2-5)22Y2ZBBBBX (2-6)212121RXYZH (2-7)式中： 为 P 点的绝对相位值， []XYZB BB为基线的三维矢量， []111XYZ为主影像天线相位中心的三维坐标，这些观测量结合主影像斜距构成了高程测量过程中的模型观测量。根据以上公式，便可以根据绝对相位及卫星参数获得地面高程值，InSAR 技术获取高精度 DEM 的详细技术流程可以表示如下(本文以四川省理塘地区的 TanDEM-X 数据为例，介绍该数据处理流程)：

干涉图获取是至关数影像中对应像素值进行共轭相所以干涉图可以根据如下公式获21 2 1 21j( - )y=y y = y y e 涉图。根据雷达测量理论，两次回用下式表示：1 22= - = R -X 双星到地面的距离差。由于 T虑大气误差和形变的影响，因此flat topo noise = + + ，topo 为去平地后的相位值，nois
【参考文献】

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本文编号：2880972