變形監(jiān)測3-2

1、變形監(jiān)測與數(shù)據(jù)處理,任課教師：高 飛,合肥工業(yè)大學(xué)土木與水利工程學(xué)院,測繪工程專業(yè),第一章 變形監(jiān)測概述第二章 垂直位移與水平位移觀測第三章 變形監(jiān)測新技術(shù)與工程實例第四章 變形監(jiān)測數(shù)據(jù)處理基礎(chǔ),本課程主要內(nèi)容,變形監(jiān)測與數(shù)據(jù)處理,第3章 變形觀測新技術(shù)及工程實例,隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，變形監(jiān)測的技術(shù)和方法正在由傳統(tǒng)的單一監(jiān)測模式向點、線、面立體交叉的空間模式發(fā)展。 在變形體上布置變形觀測點，在變形區(qū)影響范圍之

2、外的穩(wěn)定地點設(shè)置固定觀測站，用高精度測量儀器定期監(jiān)測變形區(qū)域內(nèi)監(jiān)測網(wǎng)點的三維（X、Y、Z）或（X、Y、H）位移變化，是獲取待測物體變形的一種行之有效的外部檢測方法。,變形監(jiān)測與數(shù)據(jù)處理,第3章 變形觀測新技術(shù)及工程實例 §3.1 全球衛(wèi)星定位系統(tǒng) §3.2 合成孔徑雷達干涉測量 §3.3 近景攝影測量 §3.4 激光掃描技術(shù) &

3、#167;3.5 工程實例,變形監(jiān)測與數(shù)據(jù)處理,第3章 變形觀測新技術(shù)及工程實例,§3.1 全球衛(wèi)星定位系統(tǒng),GPS——全稱是衛(wèi)星授時測距導(dǎo)航系統(tǒng)/全球定位系統(tǒng)（NAVSTAR/GPS）Navigation System Timing And Ranging / Global Positioning System,關(guān)于GPS和GNSS？ GNSS——Global Navigation Satellit

4、e System (全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)）美國：GPS；俄羅斯：GLONASS；歐洲：GALILEO中國：北斗導(dǎo)航系統(tǒng) BeiDou Navigation Satellite System 簡稱BDS（原名COMPASS）,全球定位系統(tǒng)GPS的應(yīng)用是測量技術(shù)的一項革命性的變革。 與傳統(tǒng)變形監(jiān)測方法相比較，應(yīng)用GPS

5、不僅具有精度高、速度快、操作簡便等優(yōu)點，而且利用GPS和計算機技術(shù)、數(shù)據(jù)通訊技術(shù)及數(shù)據(jù)處理與分析技術(shù)進行集成，可實現(xiàn)從數(shù)據(jù)采集、傳輸、管理到變形分析及預(yù)報的自動化，達到遠程在線網(wǎng)絡(luò)實時監(jiān)控的目的。,第3章 變形觀測新技術(shù)及工程實例,§3.1 全球衛(wèi)星定位系統(tǒng),一、GPS變形觀測的特點 1．測站間無須通視 對于傳統(tǒng)的地表變形監(jiān)測方法，點之間只有通視才能進行觀測，而GPS測量的一個顯著特點就是點之間無須保持通

6、視，僅需要測站上空開闊即可，從而可使變形監(jiān)測點位的布設(shè)方便而靈活，并可省去不必要的中間傳遞過渡點，提高工作效率，節(jié)省許多費用。,第3章 變形觀測新技術(shù)及工程實例,§3.1 全球衛(wèi)星定位系統(tǒng),一、GPS變形觀測的特點 1．測站間無須通視 2．可同時提供監(jiān)測點的三維位移信息 采用傳統(tǒng)方法進行變形監(jiān)測時，平面位移和垂直位移是采用不同方法分別進行監(jiān)測的，不僅監(jiān)測的周期長、工作量大，而且監(jiān)測的時間和

7、點位很難保持一致，為變形分析增加了難度。采用GPS可同時精確測定監(jiān)測點的三維位移信息。,第3章 變形觀測新技術(shù)及工程實例,§3.1 全球衛(wèi)星定位系統(tǒng),一、GPS變形觀測的特點 1．測站間無須通視 2．可同時提供監(jiān)測點的三維位移信息 3．全天候監(jiān)測 GPS測量不受氣候條件的限制，無論起霧刮風(fēng)、下雨下雪均可進行正常的監(jiān)測。配備防雷電設(shè)施后，GPS變形監(jiān)測系統(tǒng)便可實現(xiàn)長期的全天候觀測，它對防汛抗

8、洪、滑坡、泥石流等地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測等應(yīng)用領(lǐng)域極為重要。,第3章 變形觀測新技術(shù)及工程實例,§3.1 全球衛(wèi)星定位系統(tǒng),一、GPS變形觀測的特點 4．監(jiān)測精度高 在變形監(jiān)測中，如果GPS接受機天線保持固定不動，則天線的對中誤差、整平誤差、定向誤差、天線高測定誤差等不會影響變形監(jiān)測的結(jié)果。 同樣，GPS數(shù)據(jù)處理時起始坐標(biāo)的誤差，解算軟件本身的不完善以及衛(wèi)星信號的傳播誤差中公共部分的影響也可以得到消除或削弱。

9、 實踐證明，利用GPS進行變形監(jiān)測可獲得 ±0.5~2 mm的精度。,第3章 變形觀測新技術(shù)及工程實例,§3.1 全球衛(wèi)星定位系統(tǒng),一、GPS變形觀測的特點 5．GPS大地高可用于垂直位移測量 由于GPS定位獲得的是大地高，而用戶需要的是正常高或正高，它們之間有以下關(guān)系：H大地高 =h正常高+ ξ； H大地高= h正高+N 式中，高程異常ξ和大地水準(zhǔn)面差距N的確定精度較低，從而

10、導(dǎo)致轉(zhuǎn)換后的正常高或正高的精度不高。,一、GPS變形觀測的特點 5．GPS大地高可用于垂直位移測量 由于GPS定位獲得的是大地高，而用戶需要的是正常高或正高，它們之間有以下關(guān)系：H大地高 =h正常高+ ξ； H大地高= h正高+N,但是，在垂直位移監(jiān)測中我們關(guān)心的只是高程的變化，對于工程的局部范圍而言，完全可以用大地高的變化來進行垂直位移監(jiān)測。,第3章 變形觀測新技術(shù)及工程實例,§3.1 全球衛(wèi)星定位系統(tǒng),

11、一、GPS變形觀測的特點 6．操作簡便，易于實現(xiàn)監(jiān)控自動化 GPS接收機的自動化越來越高，趨于“傻瓜”，而且體積越來越小，重量越來越輕，便于安裝和操作。 同時，GPS接收機為用戶預(yù)留有必要的接口，用戶可以較為方便地利用各監(jiān)測點建成無人值守的自動監(jiān)測系統(tǒng)，實現(xiàn)從數(shù)據(jù)采集、傳輸、處理、分析、報警到入庫的全自動化。,第3章 變形觀測新技術(shù)及工程實例,§3.1 全球衛(wèi)星定位系統(tǒng),一、GPS變形觀測的特點

12、 7．具有嚴(yán)格定義的參考系統(tǒng) GPS定位測量采用世界大地坐標(biāo)系WGS84，很容易與其它全球地心坐標(biāo)系進行轉(zhuǎn)換，納入嚴(yán)格定義的全球參考系統(tǒng)。 世界大地坐標(biāo)系WGS 84 （ World Geodetic System - 1984） 協(xié)議地球參照系CTRS 2000（Conventional Terrestrial Reference System 2000） 國際地球參考框架ITRF 2000（In

13、ternational Terrestrial Reference 2000 ） 中國大地坐標(biāo)系CGCS 2000（China Geodetic Coordinate System 2000）,第3章 變形觀測新技術(shù)及工程實例,§3.1 全球衛(wèi)星定位系統(tǒng),一、GPS變形觀測的特點 8．利用GPS進行變形監(jiān)測，存在的缺點： （1）GPS觀測會受到現(xiàn)場環(huán)境的影響 GPS信號易受測站附近的房屋

14、、大面積水域等物體遮擋或產(chǎn)生多路徑效應(yīng)；還可能受到測站周圍電磁場的影響，降低測量精度。 （2）GPS信號受大氣的影響 如果GPS參考站之間或與監(jiān)測點之間距離遠、高差大，有可能受到電離層、對流層等大氣條件的影響，反映出較大誤差。,第3章 變形觀測新技術(shù)及工程實例,§3.1 全球衛(wèi)星定位系統(tǒng),一、GPS變形觀測的特點 二、GPS變形觀測的實施 1．GPS觀測站選擇與標(biāo)志建立 （1）GPS測站的設(shè)

15、置應(yīng)盡可能避開易產(chǎn)生多路徑效應(yīng)和易受電磁場影響的地方。 （2）GPS測站應(yīng)設(shè)立穩(wěn)固的標(biāo)石，盡量采用強制對中裝置，保持點位的穩(wěn)定，便于長期觀測。 （3）GPS接收天線應(yīng)高出地面0.5米以上。 （4）GPS參考站與監(jiān)測點之間距離不要太遠。,第3章 變形觀測新技術(shù)及工程實例,§3.1 全球衛(wèi)星定位系統(tǒng),§3.1 全球衛(wèi)星定位系統(tǒng),二、GPS變形觀測的實施 1．觀測站選擇與標(biāo)志建立 2．觀測模式的選擇

16、 GPS變形監(jiān)測分為定期重復(fù)觀測和連續(xù)性觀測兩種模式。 （1）定期重復(fù)觀測又稱為周期性變形監(jiān)測，與傳統(tǒng)的變形監(jiān)測網(wǎng)相類似，一般采用靜態(tài)相對定位的方法，事后處理和分析數(shù)據(jù)。觀測周期根據(jù)變形的速率確定。,二、GPS變形觀測的實施 1．觀測站選擇與標(biāo)志建立 2．觀測模式的選擇（2）連續(xù)性觀測模式 連續(xù)性觀測模式是將GPS接收機固定在測站上，連續(xù)采集衛(wèi)星信號，獲得變形觀測數(shù)據(jù)序列。該方法實質(zhì)上也是對監(jiān)測點進行重復(fù)觀測，但數(shù)據(jù)可以

17、是連續(xù)的，具有較高的時間分辨率和觀測精度。 具體觀測方法有兩種： ①靜態(tài)相對定位方法（采用事后處理，適用于不需要實時數(shù)據(jù)傳輸、處理和分析的場合） ② 動態(tài)相對定位方法（能夠?qū)崟r監(jiān)控變形）,§3.1 全球衛(wèi)星定位系統(tǒng),GPS動態(tài)相對差分定位原理,,,,發(fā)射電臺,GPS主機,基準(zhǔn)站,移動站,,,GPS主機,動態(tài)實時差分RTK測量原理圖,采集器,,接收電臺,二、GPS變形觀測的實施動態(tài)相對定位方法又分為兩種

18、形式： 利用GPS接收機陣列進行動態(tài)相對定位；（主要缺點：價格昂貴，不便于管理） 利用一機多天線方式實現(xiàn)GPS動態(tài)相對定位,§3.1 全球衛(wèi)星定位系統(tǒng),GPS接收機陣列變形監(jiān)測系統(tǒng),GPS接收機陣列變形監(jiān)測系統(tǒng),GPS一機多天線變形監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖,,GPS一機多天線變形監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖,,GPS一機多天線變形監(jiān)測系統(tǒng)天線布置圖,一、GPS變形觀測的特點 二、GPS變形觀測的實施 1．GPS觀測站選擇與標(biāo)志建

19、立 2．GPS觀測模式的選擇 3．?dāng)?shù)據(jù)采集與傳輸 （1）GPS定期重復(fù)觀測模式：數(shù)據(jù)由接收機存儲，事后傳輸?shù)接嬎銠C進行數(shù)據(jù)處理與分析。 （2）GPS連續(xù)性觀測模式：根據(jù)現(xiàn)場條件，GPS數(shù)據(jù)傳輸可采用有線（監(jiān)測點觀測數(shù)據(jù)）和無線（基準(zhǔn)點觀測數(shù)據(jù)）相結(jié)合的方法。,第3章 變形觀測新技術(shù)及工程實例,§3.1 全球衛(wèi)星定位系統(tǒng),一、GPS變形觀測的特點 二、GPS變形觀測的實施 4．GPS數(shù)據(jù)處理

20、 （1）GPS靜態(tài)數(shù)據(jù)處理：事后由計算機利用專門基線解算和網(wǎng)平差軟件進行數(shù)據(jù)處理與分析。 （2）GPS連續(xù)動態(tài)數(shù)據(jù)處理：從每臺GPS接收機傳輸數(shù)據(jù)開始，到處理、分析、變形顯示為止，所需總的時間小于10分鐘，為此，必須建立一個局域網(wǎng)，有一個完善的軟件管理、監(jiān)控系統(tǒng)。,第3章 變形觀測新技術(shù)及工程實例,§3.1 全球衛(wèi)星定位系統(tǒng),一、GPS變形觀測的特點二、GPS變形觀測的實施三、GPS變形監(jiān)測技術(shù)的應(yīng)用 1．

21、地殼形變觀測 （1）甚長基線干涉測量系統(tǒng)（VLBI） （2）衛(wèi)星激光測距系統(tǒng)（SLR） （3）全球定位系統(tǒng)（GPS） 2．大壩變形觀測 3．高層建筑物變形觀測 4．大型橋梁變形觀測,第3章 變形觀測新技術(shù)及工程實例,§3.1 全球衛(wèi)星定位系統(tǒng),甚長基線干涉測量系統(tǒng),衛(wèi)星激光測距SLR,利用GPS對香港青馬大橋進行動態(tài)變形監(jiān)測,利用GPS對高層建筑物進行動態(tài)變形監(jiān)測與數(shù)

22、據(jù)處理,合成孔徑雷達干涉測量是上世紀(jì)60年代逐步發(fā)展起來的一種遙感技術(shù)。簡稱：InSAR（Interferometric Synthetic Aperture Radar）包括兩大技術(shù)的融合： 1．合成孔徑雷達遙感成像（SAR） 2．電磁波干涉測量 利用微波雷達成像傳感器對地表進行連續(xù)主動遙感成像，使用專門的數(shù)據(jù)處理方法，從雷達影像的相位信號中提取地面的地形或變形信息。主要特點： 高精度（可

23、達毫米級）、大范圍、全天候,§3.2 合成孔徑雷達干涉測量,第3章 變形觀測新技術(shù)及工程實例,一、SAR成像原理與圖像特征 InSAR是利用覆蓋同一地區(qū)的多幅SAR影像所產(chǎn)生的干涉相位圖來提取有用地形信息。,（一）真實孔徑側(cè)視雷達成像 1．雷達平臺：可以是飛機、人造衛(wèi)星和航天飛機等。 2．所謂側(cè)視：是指雷達向地面發(fā)射的微波脈沖束（橢圓錐狀）側(cè)向傾斜了一個角度θ0,§3.2

24、合成孔徑雷達干涉測量,第3章 變形觀測新技術(shù)及工程實例,一、SAR成像原理與圖像特征（一）真實孔徑側(cè)視雷達成像,§3.2 合成孔徑雷達干涉測量,第3章 變形觀測新技術(shù)及工程實例,橢圓錐狀微波脈沖束在地表形成一個輻射帶，可看成由許多小的空間面元組成；每個面元分別反射脈沖波并被雷達接收；不同雷達斜距R對應(yīng)不同的像素，形成一定幅寬范圍的連續(xù)地表影像。,§3.2 合成孔徑雷達干涉測量,第3章 變形觀測新

25、技術(shù)及工程實例,一、SAR成像原理與圖像特征（一）真實孔徑側(cè)視雷達成像,可區(qū)分兩個相鄰目標(biāo)的最小距離稱為雷達影像的空間分辨率，距離小則分辨率高；沿雷達飛行方向稱為方位向，其分辨率為：,式中：R為雷達斜距，L為雷達天線長度，λ為雷達 微波波長。,§3.2 合成孔徑雷達干涉測量,第3章 變形觀測新技術(shù)及工程實例,一、SAR成像原理與圖像特征（一）真實孔徑側(cè)視雷達成像,沿雷達飛行方向稱為方位向沿雷達斜距

26、方向的分辨率為：,式中：c 為光速，τP為雷達脈沖寬度，θi 為側(cè)視角。由此可見, ΔR 是常數(shù)， ΔY 隨 θi 的改變而變化。,雷達斜距向的地面分辨率為：,§3.2 合成孔徑雷達干涉測量,第3章 變形觀測新技術(shù)及工程實例,一、SAR成像原理與圖像特征（一）真實孔徑側(cè)視雷達成像,所以目標(biāo)物越遠離底點，傾斜向地面分辨率越高；反之越靠近底點分辨率越低；這也是雷達成像要求側(cè)視的主要原因；該特性與航空攝影測量的中心投影

27、方式正好相反。,§3.2 合成孔徑雷達干涉測量,第3章 變形觀測新技術(shù)及工程實例,一、SAR成像原理與圖像特征（一）真實孔徑側(cè)視雷達成像,傳統(tǒng)航空攝影測量,§3.2 合成孔徑雷達干涉測量,目前利用人造衛(wèi)星進行SAR航高一般在500~2000Km；雷達微波波長5~30cm；側(cè)視角一般在20°~70°之間 。假設(shè)取波長為5.66cm，為了達到10m方位向分辨率，則：,但是沿雷達飛行方向的方

28、位向分辨率，與天線長度有關(guān)。,一、SAR成像原理與圖像特征（一）真實孔徑側(cè)視雷達成像,§3.2 合成孔徑雷達干涉測量,第3章 變形觀測新技術(shù)及工程實例,在不增加雷達天線長度的前提下，由于雷達飛行與地面成像點O存在相對運動的現(xiàn)象，必然使得返回脈沖波的頻率產(chǎn)生漂移，也就是多普勒頻移現(xiàn)象。雷達接收并精確測定脈沖回波的相位延遲、跟蹤頻率漂移。,（二）合成孔徑側(cè)視雷達成像,通過數(shù)據(jù)處理合并成為一個被銳化的回波脈沖，提高雷達成像

29、方位向的分辨率，最終形成高精度SAR影像。,一、SAR成像原理與圖像特征（一）真實孔徑側(cè)視雷達成像,§3.2 合成孔徑雷達干涉測量,第3章 變形觀測新技術(shù)及工程實例,如圖所示，就是基于多普勒頻移原理的合成孔徑雷達成像幾何圖。地面成像點O的位置，通過銳化數(shù)據(jù)處理后，成像方位向分辨率得到提高。近似為：,可見所謂“合成孔徑”是通過數(shù)據(jù)處理實現(xiàn)的！,（二）合成孔徑側(cè)視雷達成像,一、SAR成像原理與圖像特征（一）真實孔徑側(cè)視

30、雷達成像,§3.2 合成孔徑雷達干涉測量,第3章 變形觀測新技術(shù)及工程實例,SAR系統(tǒng)基于側(cè)視成像幾何原理所獲取的數(shù)據(jù)稱為“粗?jǐn)?shù)據(jù)” ，經(jīng)過地面預(yù)處理后形成單視復(fù)數(shù)影像，每一像素可用一個復(fù)數(shù)表示：,（三）SAR圖像的基本特征,式中： 為振幅： ——對應(yīng)地面分辨單元灰度信息；

31、為相位值： ——沿側(cè)視方向脈沖總波數(shù)的尾數(shù)。,一、SAR成像原理與圖像特征,§3.2 合成孔徑雷達干涉測量,第3章 變形觀測新技術(shù)及工程實例,SAR圖像的基本特征與相位觀測值的構(gòu)成,二、InSAR基本原理,1801年Thomas Young（1773~1829）發(fā)現(xiàn)了光的相干效應(yīng)，并用波的疊加原理成功解釋了該效應(yīng)，這就是著名的“楊氏雙縫光干涉實驗” 。 InSAR正是根據(jù)所謂

32、“光干涉條紋”為基本原理，將覆蓋同一區(qū)域的兩幅SAR影像對應(yīng)像素的相位值相減，便可得到相位差圖，即干涉相位圖，經(jīng)過數(shù)據(jù)處理對相位信息進行分離和提取，反映的就是該區(qū)域地面起伏和地表形變的信息。,一、SAR成像原理與圖像特征,§3.2 合成孔徑雷達干涉測量,第3章 變形觀測新技術(shù)及工程實例,從技術(shù)角度看，干涉合成孔徑雷達的數(shù)據(jù)收集一般要求雷達平臺上配備兩副SAR天線，這兩副天線在航線方向交替工作。 對于機載系統(tǒng)：兩副

33、天線固定在同一飛機上，傳感器中心連線稱為空間基線向量，長度不變，可以從數(shù)米到數(shù)十米（軍用偵察飛機相距914毫米）。它們交替進行脈沖的發(fā)射和接收，產(chǎn)生時間略有差異的接收信號形成干涉現(xiàn)象。,（一）干涉相位的形成,二、InSAR基本原理,一、SAR成像原理與圖像特征,§3.2 合成孔徑雷達干涉測量,第3章 變形觀測新技術(shù)及工程實例,對于星載系統(tǒng)： 一般采用單天線模式，衛(wèi)星以一定的時間間隔對同一區(qū)域進行重復(fù)SAR

34、成像，兩次飛行軌道近似平行，組成類似機載SAR的干涉相位。,（一）干涉相位的形成,二、InSAR基本原理,一、SAR成像原理與圖像特征,§3.2 合成孔徑雷達干涉測量,第3章 變形觀測新技術(shù)及工程實例,S1和S2兩個傳感器分別接收地面目標(biāo)P點的SAR回波信號ω1和ω2，經(jīng)數(shù)據(jù)處理后得到的影像分別為主、從影像。,經(jīng)配準(zhǔn)，將圖像逐像素進行復(fù)共軛相乘，得：,（一）干涉相位的形成,二、InSAR基本原理,一、SAR成像原理與圖像

35、特征,§3.2 合成孔徑雷達干涉測量,第3章 變形觀測新技術(shù)及工程實例,雷達接收信號中的相位ψ包括兩部分： 1．往返路徑確定的相位； 2．地表不同的散射特性造成的隨機相位。即：,（一）干涉相位的形成,假設(shè)兩次成像間無隨機擾動，則兩信號的相位差為：,由此可見，干涉圖中的相位差Φ取決于斜距信號的路徑差ΔR，兩者成正比例關(guān)系；在實際干涉數(shù)據(jù)處理中，采用三角函數(shù)運算則丟失了相位的整周數(shù)，只能得到干涉相位的

36、主值（即纏繞相位），必須通過解纏算法恢復(fù)相位完整值。由于相位差的周期性變化，反映在干涉圖上表現(xiàn)為干涉條紋。干涉條紋在陸地區(qū)域是連續(xù)的，較為清晰；但在水域地區(qū)，干涉條紋比較模糊，主要由信號噪聲引起。,（一）干涉相位的形成,§3.2 合成孔徑雷達干涉測量,,電磁波測距基本原理公式,設(shè)電磁波在大氣中傳播速度為c，當(dāng)它在距離D上往返一次的時間為t，則有：,,5.3.1測距儀的測距原理,相位法測距原理,調(diào)制波的調(diào)制頻率f，角頻率

37、 ，設(shè)調(diào)制波在距離D往返一次產(chǎn)生的相位延遲為φ ，,,,,,--λ為調(diào)制光的波長,,GPS 整周未知數(shù)解算,測站對某一衛(wèi)星的載波相位觀測值由三部分組成: (1)初始整周未知數(shù)n；(2) t 0至t i 時刻的整周記數(shù) Ci；(3)相位尾數(shù) ?i如果信號沒有失鎖，則每一個觀測值包含同一個初始整周未知數(shù) N為了利用載波相位進行定位，必須設(shè)法先解算出初始整周未知數(shù)，取得總觀測值 N + Ci+ ?

38、i,由此可見，干涉圖中的相位差Φ取決于斜距信號的路徑差ΔR，兩者成正比例關(guān)系；在實際干涉數(shù)據(jù)處理中，采用三角函數(shù)運算則丟失了相位的整周數(shù)，只能得到干涉相位的主值（即纏繞相位），必須通過解纏算法恢復(fù)相位完整值。由于相位差的周期性變化，反映在干涉圖上表現(xiàn)為干涉條紋。干涉條紋在陸地區(qū)域是連續(xù)的，較為清晰；但在水域地區(qū)，干涉條紋比較模糊，主要由信號噪聲引起。,（一）干涉相位的形成,§3.2 合成孔徑雷達干涉測量,（一）干涉相位

39、的形成,§3.2 合成孔徑雷達干涉測量,（一）干涉相位的形成（二）干涉相位的噪聲測度,干涉相位圖像質(zhì)量評價的量化標(biāo)準(zhǔn)，是干涉相關(guān)系數(shù)（意大利 Prati，1993年），其定義為：,式中：E[ ]表示數(shù)學(xué)期望，M、S分別表示主、從影像復(fù)數(shù)集，*為復(fù)數(shù)的共軛算子。干涉相關(guān)系數(shù)γ的絕對值取值范圍為[0，1]。 1．當(dāng)γ = 0 時，表示兩景影像完全不相關(guān)； 2．當(dāng)γ = 1 時，表示兩景影像完全相關(guān)，無

40、噪聲。,§3.2 合成孔徑雷達干涉測量,實際計算干涉相關(guān)系數(shù)時，取某一分辨單元周圍一定范圍內(nèi)的鄰近像素復(fù)數(shù)信息來估算其相關(guān)度：,（一）干涉相位的形成（二）干涉相位的噪聲測度,§3.2 合成孔徑雷達干涉測量,（二）干涉相位的噪聲測度,§3.2 合成孔徑雷達干涉測量,在實際數(shù)據(jù)處理時，也可用像元信噪比（SNR）來計算干涉相關(guān)系數(shù)：,可見：干涉相關(guān)系數(shù)越高的目標(biāo)，其信噪比越大；反之越??；兩種方法對干涉相位

41、噪聲程度的衡量是一致的。高信噪比目標(biāo)的數(shù)量越多，干涉測量成果的精度越高、質(zhì)量越可靠。,（一）干涉相位的形成（二）干涉相位的噪聲測度,§3.2 合成孔徑雷達干涉測量,（一）干涉相位的形成（二）干涉相位的噪聲測度（三）干涉相位成分分析,在非零基線（即兩次成像的衛(wèi)星軌道不完全重合）的情況下，干涉相位主要由五個分量組成： 1．參考相位（平地分量） 2．地形相位 3．形變相位

42、4．大氣相位 5．相位隨機噪聲,§3.2 合成孔徑雷達干涉測量,（三）干涉相位成分分析,1．參考相位（平地分量） 由參考基準(zhǔn)面（一般采用參考橢球面）引起的系統(tǒng)性相位稱為參考相位，也稱為平地相位（ ）。,§3.2 合成孔徑雷達干涉測量,因此相位差由近到遠遞增，形成周期性干涉條紋。相位周期為,（三）干涉相位成分分析,2．地形相位 當(dāng)實際地面存在高低起伏時，地面高程引起的相位

43、與平地相位疊加構(gòu)成的相位，形成較為復(fù)雜非周期性干涉條紋。,§3.2 合成孔徑雷達干涉測量,3．形變相位 當(dāng)兩次成像期間，實際地表發(fā)生位移，引起斜距差 發(fā)生變化，從而引起的干涉相位。,（三）干涉相位成分分析,4．大氣相位 當(dāng)雷達發(fā)射的微波信號穿越大氣層時，不同密度的大氣介質(zhì)尤其是對流層對信號傳播會產(chǎn)生延遲現(xiàn)象：,§3.2 合成孔徑雷達干涉測量,（三）干涉相位成分分析,5．相位隨機噪聲

44、 相位隨機噪聲主要包括兩次成像時，不同的系統(tǒng)熱噪聲所引起的相位差異等。,§3.2 合成孔徑雷達干涉測量,根據(jù)上述干涉相位成分分析，在5個成分共存的情況下，干涉相位是所有貢獻分量的總和：,由此可見，直接差分得到的干涉相位可能是多個貢獻分量的疊加總和，為此在InSAR實際應(yīng)用中，必須采取一定的方法分離并提取有用的地形信息，包括高程以及形變信息等。,上述干涉相位中包含五個分量，其中參考分量和地形分量具有顯著影響，必須在提取地表形變

45、信息時從初始干涉圖中予以剔除，這就是所謂的二次差分干涉DInSAR（Differential InSAR）。在忽略大氣和噪聲影響的前提下，DInSAR的具體方法主要有三種： 兩軌法、三軌法、四軌法,三、DInSAR 地表形變測量（一）觀測幾何,二、InSAR基本原理,一、SAR成像原理與圖像特征,§3.2 合成孔徑雷達干涉測量,第3章 變形觀測新技術(shù)及工程實例,1．兩軌法： 使用兩幅雷達圖像和1個外

46、部數(shù)字高程模型。兩幅雷達圖像形成一個干涉對，生成既包含地表形變信息又包含地形相位的干涉圖；外部數(shù)字高程模型通過運算能夠反演出地形相位；將上述兩類數(shù)據(jù)疊加處理，去除地形相位后便可得到地表形變信息干涉圖。,三、DInSAR 地表形變測量（一）觀測幾何,2．四軌法： 使用四幅雷達圖像形成兩個干涉對，分別為“地形對”和“地形+地表形變對”。兩個干涉對疊加處理，去除地形相位后便可得到地表形變信息干涉圖。,§3.2 合成

47、孔徑雷達干涉測量,兩軌法和四軌法的差分原理相似！如圖：地面點P在兩次成像期間發(fā)生位移d，反映在干涉相位上的數(shù)值為：,參考相位：,地形相位：,初始干涉相位：,三、DInSAR 地表形變測量（一）觀測幾何,§3.2 合成孔徑雷達干涉測量,3．三軌法： 使用3幅雷達圖像形成兩個干涉對，分別為“地形對”和“地形+地表形變對”。從“地形+地表形變對”干涉相位中，直接扣除“地形對”中僅反映地面高程信息的相位數(shù)據(jù)，便可得到地

48、表形變信息干涉相位圖。該方法的特點是不需要產(chǎn)生數(shù)字高程模型。,三、DInSAR 地表形變測量（一）觀測幾何,§3.2 合成孔徑雷達干涉測量,3．三軌法：如圖：地面點P在三次成像期間發(fā)生位移d，反映在干涉相位上的數(shù)值為：,參考相位：,地形相位：,“地形+形變”干涉相位：,三、DInSAR 地表形變測量（一）觀測幾何,§3.2 合成孔徑雷達干涉測量,3．三軌法：,參考相位：,地形相位：,“地形+形變”干涉相位

49、：,式中φtop1 為地形干涉對的干涉相位：,h,其中B0// 和 B0┴分別代表基線（軌道偏移）在雷達參考視線方向上的平行和垂直投影分量。二次差分干涉后進行相位解纏，得到絕對相位差φabc反映地表沿雷達視線方向的斜距變化量為：,（二）DInSAR對地表形變的敏感度,從式 中看出：,ΔR2π 是差分干涉相位變化一整周2π所對應(yīng)的位移量，即DInSAR對形變測量敏感度為雷達波長

50、的一半。由前面公式可得出： 1．對于DInSAR來說，基線越短越有利； 2．經(jīng)二次差分，DInSAR具有毫米級形變測量精度。,三、DInSAR 地表形變測量（一）觀測幾何,§3.2 合成孔徑雷達干涉測量,四、InSAR數(shù)據(jù)處理過程,(一)干涉處理流程對于單像對干涉處理，首先必須選擇合適的干涉像對和其它輔助數(shù)據(jù)（如外部數(shù)字高程模型DEM），干涉像對的選擇原則： 1．對于DEM生成來說，干涉基線長度

51、應(yīng)適中； 2．對于地表形變測量來說，干涉基線越短越好。具體步驟包括：SAR圖像配準(zhǔn)、干涉圖的生成、參考面與地形影響去除、相位解纏和地理編碼等。,三、DInSAR 地表形變測量,二、InSAR基本原理,一、SAR成像原理與圖像特征,§3.2 合成孔徑雷達干涉測量,第3章 變形觀測新技術(shù)及工程實例,基于DInSAR技術(shù)提取地表形變數(shù)據(jù)的干涉處理流程,四、InSAR數(shù)據(jù)處理過程,§3.2 合成孔徑雷達干涉

52、測量,第3章 變形觀測新技術(shù)及工程實例,(一)干涉處理流程 (二)圖像配準(zhǔn)SAR圖像配準(zhǔn)就是計算參考影像（主影像）與待配準(zhǔn)影像（從影像）之間在方位向和距離向的坐標(biāo)映射關(guān)系，再利用這個關(guān)系對待配準(zhǔn)影像實行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換和特征點重采樣。 1. 粗略配準(zhǔn)： 利用衛(wèi)星軌道參數(shù)或少量特征點進行，計算主從影像同名點在方位向（影像列方向t）和距離向（影像行方向r）的粗略偏移量 ，為精確配準(zhǔn)像素搜索提供初

53、始值。,四、InSAR數(shù)據(jù)處理過程,§3.2 合成孔徑雷達干涉測量,第3章 變形觀測新技術(shù)及工程實例,(二)圖像配準(zhǔn) 1. 粗略配準(zhǔn) 2. 精確配準(zhǔn) 在主從影像的重疊區(qū)域內(nèi)，利用影像匹配算法搜索出足夠數(shù)量且分布均勻的同名像點對；然后使用二次多項式函數(shù)模型，將主從影像同名像點對的坐標(biāo)差 表示為主影像坐標(biāo) 的函數(shù)表達式。,基于最小二乘法，計算模型參數(shù)a和b，

54、完成坐標(biāo)轉(zhuǎn)換。,四、InSAR數(shù)據(jù)處理過程,§3.2 合成孔徑雷達干涉測量,第3章 變形觀測新技術(shù)及工程實例,(三)干涉圖的生成與濾波 1. 將主影像和重采樣后的從影像作共軛復(fù)數(shù)相乘，產(chǎn)生復(fù)數(shù)形式的干涉圖。然后從干涉圖中提取相位主值分量，即可得到一次相位差圖，形成周期性變化的干涉條紋，但每個像素存在整周模糊度問題。 2. 可以采用濾波方法，對復(fù)數(shù)信號進行濾波可以減弱干涉相位的噪聲，從而提高干涉

55、相位的信噪比。,四、InSAR數(shù)據(jù)處理過程,§3.2 合成孔徑雷達干涉測量,第3章 變形觀測新技術(shù)及工程實例,(四)參考面與地形影響去除 1.參考相位去除 利用衛(wèi)星軌道參數(shù)得到雷達基線，計算同名像點的參考斜距差及參考干涉相位。 當(dāng)求得的同名像點參考斜距差足夠多且分布均勻時，可利用n次多項式描述其變化規(guī)律，從而計算出參考面相位。 然后在初始干涉圖中，去除參考相位

56、，形成新的干涉圖。,四、InSAR數(shù)據(jù)處理過程,§3.2 合成孔徑雷達干涉測量,第3章 變形觀測新技術(shù)及工程實例,(四)參考面與地形影響去除 2.地形相位去除 地形相位可利用前面所述的“三軌法”和“四軌法”，分別形成“地形對”和“地形+地表形變對”。兩個干涉對疊加處理，去除地形相位后便可得到地表形變信息干涉圖。 或者，利用“兩軌法”的“地形+地表形變對”和1個外部數(shù)字高程模

57、型進行疊加，得到地表形變信息干涉圖。,四、InSAR數(shù)據(jù)處理過程,§3.2 合成孔徑雷達干涉測量,第3章 變形觀測新技術(shù)及工程實例,(五)相位解纏 為了獲得地表高程和沿雷達斜距方向上的地表位移量，必須在干涉相位圖中確定每一像素的相位差整周數(shù)，這項工作成為相位解纏。 具體方法有： 1. 基于路徑控制的積分法 2. 基于最小二乘的整體求解法 (六)地理編碼

58、 將InSAR數(shù)據(jù)處理時采用的“斜距-多普勒”坐標(biāo)系統(tǒng)，轉(zhuǎn)換到地圖投影坐標(biāo)系統(tǒng)（如大地坐標(biāo)或高斯平面直角坐標(biāo)）的過程稱為地理編碼 。,五、InSAR應(yīng)用實例、精度分析及其局限性,（一）臺灣南投縣集集地區(qū)地震形變及其精度分析,§3.2 合成孔徑雷達干涉測量,一、SAR成像原理與圖像特征二、InSAR基本原理三、DInSAR 地表形變測量四、InSAR數(shù)據(jù)處理過程五、InSAR應(yīng)用實例、精度分析及其局限性,（

59、一）臺灣集集地區(qū)地震形變探測及其精度分析（二）InSAR技術(shù)探測地表形變的局限性 1．時、空失相關(guān)——引起嚴(yán)重的相位噪聲 2．大氣相位延遲——降低形變測量結(jié)果的可靠性,研究可能解決的辦法： 采用“永久散射體”干涉測量技術(shù)可減小時空失相關(guān)和大氣相位延遲對雷達干涉結(jié)果的影響。,§3.2 合成孔徑雷達干涉測量,建筑微變遠程監(jiān)測系統(tǒng)Image by Interferometric Survey---I

60、BIS,IBIS-S是一個基于微波干涉技術(shù)的高級遠程監(jiān)控系統(tǒng)，它將步進頻率連續(xù)波技術(shù)（SF-CW）和干涉測量技術(shù)相結(jié)合，能夠廣泛應(yīng)用于建筑物、橋梁、高塔、壩體、公路和鐵路邊坡等微小位移變化的監(jiān)測。,傳統(tǒng)航空攝影測量,§3.2 合成孔徑雷達干涉測量,傾斜攝影測量技術(shù),傾斜攝影技術(shù)是國際測繪領(lǐng)域近年來發(fā)展起來的一項高新技術(shù)。它顛覆了以往正射影像只能從垂直角度拍攝的局限，通過在同一飛行平臺上搭載多臺傳感器，同時從一個垂直、四個傾斜五

61、個不同的角度采集影像，將用戶引入了符合人眼視覺的真實直觀世界。,§3.2 合成孔徑雷達干涉測量,傾斜攝影測量技術(shù),傾斜攝影測量可以在飛機（或無人飛機）上 搭載專用傾斜攝影相機， 飛行高度700米，傾斜角45度 ，低空攝影不僅能減少氣象因素的影響，而且能夠獲取高精度的航空傾斜影像；不僅能夠真實地反應(yīng)地物情況，而且可通過先進的定位技術(shù)，嵌入精確的地理信息、更豐富的影像信息、更高級的用戶體驗，極大地擴展遙感影像的應(yīng)用領(lǐng)域，使遙感影

62、像的行業(yè)應(yīng)用更加深入。 傾斜影像技術(shù)的應(yīng)用，數(shù)據(jù)量將大大減少，還將使目前高昂的三維城市建模成本大大降低。,§3.2 合成孔徑雷達干涉測量,§3.3 近景攝影測量,◆ 概述 近景攝影測量——Close – range photogrammetry 用于變形測量時，首先在待測變形體周圍穩(wěn)定點上安置照相機或攝像機，對變形體攝影（現(xiàn)在一般均為數(shù)碼攝影），然后通過內(nèi)業(yè)量測和數(shù)據(jù)處理得到變形

63、信息。 主要優(yōu)點： 1．像片信息豐富，可批量獲取待測物體變形信息 2．可根據(jù)需要定期重復(fù)攝影，便于進行變形分析 3．外業(yè)工作量小、效率高、勞動強度低 4．可以用于多種變形，如長周期、快速和動態(tài)等 5．?dāng)z影屬于遙測，可拍攝人難以到達的地方。,第3章 變形觀測新技術(shù)及工程實例,◆ 概述 近景攝影測量可廣泛用于土木、水利工程的勘測設(shè)計，地質(zhì)調(diào)查，文物保護，大型工程工業(yè)測量，地理信

64、息系統(tǒng)建模，城建規(guī)劃分析，交通，房產(chǎn)，環(huán)保，礦山，電廠，林業(yè)等領(lǐng)域。    主要功能： 1．地形測量 ；                     

65、0;   2．三維重建；        3．大型工業(yè)測量；         4．土石方量計算；        5．建（構(gòu)）筑物變形觀測及滑坡監(jiān)測,§3.3 近景攝

66、影測量,第3章 變形觀測新技術(shù)及工程實例,近景攝影測量系統(tǒng),◆ 概述 應(yīng)用地面攝影測量方法進行變形測量，可以有三種方式：時間基線法、立體攝影測量法和多影像交會法。 （1）時間基線法： 當(dāng)只需要測定建（構(gòu)）筑物豎直平面上點的位置變化時，可以將像平面安置與被攝物體的豎直平面平行，多次攝取單張像片，這種從一個攝影站上進行的攝影稱為零基線攝影，又稱時間基線（或稱視差法）。,§3.3

67、近景攝影測量,第3章 變形觀測新技術(shù)及工程實例,◆ 概述 （1）時間基線法 （2）地面立體攝影測量 當(dāng)需要了解建筑物景深范圍內(nèi)各處不同點位的變化時，就必須采用在地面不同的攝影站上，對同一物體攝取一對重疊像片，利用像對的量測數(shù)據(jù)，來求定空間點的三維坐標(biāo)，根據(jù)不同觀測周期數(shù)據(jù)的比較，確定其變形量，這就成為地面立體攝影測量。,§3.3 近景攝影測量,第3章 變形觀測新技術(shù)及工程實例,◆

68、 概述 （1）時間基線法 （2）地面立體攝影測量 （3）多影像交會法： 多影像交會法是在兩個或兩個以上攝影測站對變形體進行攝影，然后量測影像上測點的像點坐標(biāo)，建立觀測方程，使用最小二乘法計算測點的三維坐標(biāo)。再根據(jù)不同觀測周期得到的同名點三維坐標(biāo)值，確定觀測點的變形。,§3.3 近景攝影測量,第3章 變形觀測新技術(shù)及工程實例,◆ 近景攝影測量基本原理一、地面攝影測量使用的坐標(biāo)系（

69、一）像片坐標(biāo)系與像片坐標(biāo) 在攝影機安片框上有兩對框標(biāo)XX和ZZ, 它們的連線相互垂直, 攝影時它們都構(gòu)像在像片上，以水平框標(biāo)的連線為X軸，垂直框標(biāo)的連線為Z軸，兩軸的交點“0”為原點。這就是像片坐標(biāo)系，它控制整個像片平面，任何一個像點 i 在像片坐標(biāo)系中，對X軸和Z軸的垂直距離（X，Z），稱為該點的像片坐標(biāo)。,§3.3 近景攝影測量,一、地面攝影測量使用的坐標(biāo)系（一）像片坐標(biāo)系與像片坐標(biāo)（二）攝影坐標(biāo)

70、系與攝影坐標(biāo) 坐標(biāo)原點是攝影儀安置在基線左端時的物鏡前焦點S1， Z軸是過原點S1的鉛垂線，向上為正；以左攝影機主光軸的水平投影方向為Y軸，自原點向被攝目標(biāo)方向為正；通過原點，垂直于Y軸且與Y軸位于同一個水平面的方向為X軸，自原點O向右為正，向左為負(fù)，形成右手空間直角坐標(biāo)系。 每張照片均有自己的攝影坐標(biāo)系。 在攝影坐標(biāo)系控制的空間內(nèi)，任意一點到三軸的垂直距離（Xs,Ys,Zs）稱攝影坐標(biāo)。,&

71、#167;3.3 近景攝影測量,一、地面攝影測量使用的坐標(biāo)系（一）像片坐標(biāo)系與像片坐標(biāo)（二）攝影坐標(biāo)系與攝影坐標(biāo)（三）空間大地坐標(biāo)系 大地坐標(biāo)系為左手空間坐標(biāo)系即確定投影中心S空間位置的X,Y,H，另外為了確定攝影光束在空間的位置還必須有三個角度元素，即a0、ω、K。α0—主光軸的大地方位角 ω—主光軸與水平線的夾角，仰角為+，俯角為-。 K—ZZ軸與主縱線的夾角。ZZ軸順時針轉(zhuǎn)向主縱線時為負(fù)，逆