一种用于多树木山区的PS点筛选、网络构建与计算方法与流程

一种用于多树木山区的ps点筛选、网络构建与计算方法
技术领域
1.本发明涉及sar卫星数据处理与山区地质风险监测技术领域，尤其涉及一种用于多树木山区的ps点筛选、网络构建与计算方法。


背景技术：

2.基于卫星遥感的形变监测技术具有全天时、全天候、观测范围广、能穿云透雾等优势，目前该技术已经在各类应用场景中得到了成功应用，包括山体滑坡、矿区沉降、重要交通设施、冰川和火山等。不同的地物在sar数据信号中具有不同的散射特征，树木、植被、水体、岩石、建筑物等表现出的散射特征均不同。同时，在相同时间周期内，表现出的相干性也不同。据数据显示，滑坡在地质灾害的占比可达65％以上，山区作为孕育滑坡的重要的载体，因此是基于卫星遥感进行形变监测研究的重要研究对象。一些山区具有多树木与植被的特点，由于树木处于动态变化过程中，常用的c波段、x波段的sar数据信号受到的影响较大，在进行sar数据处理过程中，目前仍缺乏有效的数据处理方法。


技术实现要素：

3.有鉴于此，本发明的目的是提供一种用于多树木山区的ps点筛选、网络构建与计算方法，本发明具体按以下步骤执行：
4.s1:基于光学卫星数据获目标区域最近一期的植被覆盖指数，对多植被区、多树木区、水域、强散射区域进行植被覆盖度统计分析，获取各自的阈值，对目标处理区域进行分类；
5.s2:基于sar卫星数据获取目标区域sar影像的时序相干性；首先通过设置合适的相干性阈值对强散射区域进行ps点删选，再设置合适的相干性阈值对植被区域进行ps点删选，最后设置合适的相干性阈值对多树木区域进行ps点删选，分别记为一级、二级、三级ps点；
6.s3:利用一级ps点集建立一级解缠网络，利用一级ps点集和二级ps点集构建二级解缠网络，利用一级ps点集、二级ps点集和三级ps点集构建三级解缠网络；
7.s4:利用网络最小费用流法等解缠方法进行解缠时，选择每个格网中的属于一级ps点集中的ps点为解缠起算点和控制点；
8.s5:利用一级解缠网络、二级解缠网络的解缠结果对三级解缠网络的解缠结果进行校正。
9.进一步，获取目标区域的最近一期且不受云层影响的光学卫星数据，提取用于计算植被覆盖度的各波段数据并计算植被覆盖度；再利用可视化软件显示提取的植被覆盖度指数数据，对植被区、树木区、水域、强散射区域等各类目标对应的植被覆盖度进行统计分析，设计合适的分割阈值，对目标处理区域进行分类；并对各个目标的样本点进行均值计算，记多植被区、多树木区、水域、强散射区域对应的均值分别为a、b、c、d；
10.分割阈值ts1设置参考如式(1)所示：
[0011][0012]
分割阈值ts2设置参考如式(2)所示：
[0013][0014]
分割阈值ts3设置参考如式(3)所示：
[0015][0016]
根据阈值划分法对目标区域进行划分，得到四类目标区域；对获取的sar数据进行系列处理后获取各个像对的时序相干系数，定义两信号的相关系数如式(4)所示：
[0017][0018]
其中v1和v2为两个sar复信号；
[0019]
根据四类分类区域文件构建掩膜文件，利用保留强散射区区域的掩膜文件与相干系数阈值删选获取一级ps点集，利用保留植被区区域的掩膜文件与相干系数阈值删选获取二级ps点集，利用保留树木区区域的掩膜文件与相干系数阈值删选获取三级ps点集。
[0020]
进一步，在步骤s3中，解缠步骤由三层解缠网络构成；具体按以下步骤执行：
[0021]s3。1
：首先基于一级ps点集形成三角网，构建一级解缠网络；
[0022]s3。2
：再基于一级ps点集和二级ps点集形成三角网，构建二级解缠网络；
[0023]s3。3
：基于一级ps点集、二级ps点集和三级ps点集形成三角网，构建三级解缠网络；其中，在解缠过程中，需要指定解缠起算点与控制点，在一级解缠网络、二级解缠网络、三级解缠网络中均选择一级ps点集中且近期稳定的ps点为解缠起算点和控制点；
[0024]
采用插值法构建delaunay三角网，首先求取离散点的外包多边形，并标记外包点；
[0025]
基于外包矩形建立初始三角网，再将离散点中不为外包点的剩余的点依次插入初始三角网，形成新的三角网；最后对新三角网进行lop优化调整，形成最终三角网。其中，在解缠过程中，需要指定解缠起算点与控制点，在一级解缠网络、二级解缠网络、三级解缠网络中均选择一级ps点集中且近期稳定的ps点为解缠起算点和控制点；解缠起算点与控制点在选择上，时序相位需具备稳定的特征，处于较平缓的地形中；利用网格最小费用流法分别获取三层解缠网络的解缠结果；
[0026]s3。4
：三次解缠过程中对每个网格进行解算时均选择一级ps点集中且近期稳定的ps点为解缠起算点和控制点，利用网格最小费用流法分别获取三层解缠网络的解缠结果；将目标区域划分为若干个面积大小相近且存在一定重叠率的网格；对每个网格进行最小费用流法进行解缠，最小费用流法的最优化函数模型如式(5)所示：
[0027][0028]
式中，i、j分别代表每一像素的斜距向和方位向坐标，分别指斜距向的
缠绕相位梯度和解缠相位梯度，分别代表方位向的缠绕相位梯度和解缠相位梯度，ω
(x)
、ω
(y)
分别代表斜距向和方位向梯度对应权，一般以解缠干涉图对应的伪相干图为定权标准；
[0029]s3。5
：用最小二乘的思想，利用各个网格的重叠率对各网格进行解缠结果的合并校正；将三次解缠结果中重合的点集取出，即一级ps点集合；利用均值偏离的程度确定组合中各解缠结果的权值；计算过程中，对于目标因素进行计算时，选取周围一定步长内的单元内的整体值作为其计算依据；计算均值如式(6)所示：
[0030][0031]
对应的权值比如式(7)所示：
[0032][0033]
其中ave为三个计算单元的均值的均值，ut1、ut2、ut3分别对应着每个处理单元的像素值均值；
[0034]
对权值进行归一化后得到新的权值如式(8)所示：
[0035][0036][0037][0038]
将每处三次的监测结果与对应的权值相乘进行计算得到最终的结果，利用得到的结果对三级解缠网络的结果进行面拟合，获取拟合参数，然后利用面拟合参数获取最终的形变解缠结果。
[0039]
本发明的一种用于多树木山区的ps点筛选、网络构建与计算方法的有益效果为：适合于多树木植被山区形变监测的配套的基于sar数据的形变监测方法。本方法通过对传统ps-insar中的几个重要环节进行改进，从而使得形变监测结果中的ps点更多，监测精度更高。
附图说明
[0040]
图1是本发明的方法流程图；
[0041]
图2为本发明中介绍的阈值分割方法获取的四种目标区域分布图；
[0042]
图3为一级ps点集分布图；
[0043]
图4为二级ps点集分布图；
[0044]
图5为三级ps点集分布图；
[0045]
图6为构建的一级解缠网络示意图；
[0046]
图7为构建的二级解缠网络示意图；
[0047]
图8为构建的三级解缠网络示意图。
具体实施方式
[0048]
以下将结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明，显然，所描述的实施例仅仅只是本技术一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本技术保护的范围。
[0049]
本实施例中，如图1所示本发明具体按以下步骤执行：
[0050]
s1:基于光学卫星数据获目标区域最近一期的植被覆盖指数，对多植被区、多树木区、水域、强散射区域进行植被覆盖度统计分析，获取各自的阈值，对目标处理区域进行分类；
[0051]
s2:基于sar卫星数据获取目标区域sar影像的时序相干性；首先通过设置合适的相干性阈值对强散射区域进行ps点删选，再设置合适的相干性阈值对植被区域进行ps点删选，最后设置合适的相干性阈值对多树木区域进行ps点删选，分别记为一级、二级、三级ps点；
[0052]
s3:利用一级ps点集建立一级解缠网络，利用一级ps点集和二级ps点集构建二级解缠网络，利用一级ps点集、二级ps点集和三级ps点集构建三级解缠网络；
[0053]
s4:利用网络最小费用流法等解缠方法进行解缠时，选择每个格网中的属于一级ps点集中且近期稳定的ps点为解缠起算点和控制点；
[0054]
s5:利用一级解缠网络、二级解缠网络的解缠结果对三级解缠网络的解缠结果进行校正。
[0055]
本实施例中，获取目标区域的最近一期且不受云层影响的光学卫星数据，提取用于计算植被覆盖度的各波段数据并计算植被覆盖度；再利用可视化软件显示提取的植被覆盖度指数数据，对植被区、树木区、水域、强散射区域等各类目标对应的植被覆盖度进行统计分析，设计合适的分割阈值，对目标处理区域进行分类；并对各个目标的样本点进行均值计算，记多植被区、多树木区、水域、强散射区域对应的均值分别为a、b、c、d；
[0056]
分割阈值ts1设置参考如式(1)所示：
[0057][0058]
分割阈值ts2设置参考如式(2)所示：
[0059][0060]
分割阈值ts3设置参考如式(3)所示：
[0061][0062]
根据阈值划分法对目标区域进行划分，得到四类目标区域；对获取的sar数据进行系列处理后获取各个像对的时序相干系数，定义两信号的相关系数如式(4)所示：
[0063]
[0064]
其中v1和v2为两个sar复信号；
[0065]
根据四类分类区域文件构建掩膜文件，利用保留强散射区区域的掩膜文件与相干系数阈值删选获取一级ps点集，利用保留植被区区域的掩膜文件与相干系数阈值删选获取二级ps点集，利用保留树木区区域的掩膜文件与相干系数阈值删选获取三级ps点集。
[0066]
本实施例中，在步骤s3中，解缠步骤由三层解缠网络构成；具体按以下步骤执行：
[0067]s3。1
：首先基于一级ps点集形成三角网，构建一级解缠网络；
[0068]s3。2
：再基于一级ps点集和二级ps点集形成三角网，构建二级解缠网络；
[0069]s3。3
：基于一级ps点集、二级ps点集和三级ps点集形成三角网，构建三级解缠网络；其中，在解缠过程中，需要指定解缠起算点与控制点，在一级解缠网络、二级解缠网络、三级解缠网络中均选择一级ps点集中的ps点为解缠起算点和控制点；
[0070]
采用插值法构建delaunay三角网，首先求取离散点的外包多边形，并标记外包点；
[0071]
基于外包矩形建立初始三角网，再将离散点中不为外包点的剩余的点依次插入初始三角网，形成新的三角网；最后对新三角网进行lop优化调整，形成最终三角网。其中，在解缠过程中，需要指定解缠起算点与控制点，在一级解缠网络、二级解缠网络、三级解缠网络中均选择一级ps点集中的ps点为解缠起算点和控制点；解缠起算点与控制点在选择上，时序相位需具备稳定的特征，处于较平缓的地形中；利用网格最小费用流法分别获取三层解缠网络的解缠结果；
[0072]s3。4
：三次解缠过程中对每个网格进行解算时均选择一级ps点集中的ps点为解缠起算点和控制点，利用网格最小费用流法分别获取三层解缠网络的解缠结果；将目标区域划分为若干个面积大小相近且存在一定重叠率的网格；对每个网格进行最小费用流法进行解缠，最小费用流法的最优化函数模型如式(5)所示：
[0073][0074]
式中，i、j分别代表每一像素的斜距向和方位向坐标，分别指斜距向的缠绕相位梯度和解缠相位梯度，分别代表方位向的缠绕相位梯度和解缠相位梯度，ω
(x)
、ω
(y)
分别代表斜距向和方位向梯度对应权，一般以解缠干涉图对应的伪相干图为定权标准；
[0075]s3。5
：用最小二乘的思想，利用各个网格的重叠率对各网格进行解缠结果的合并校正；将三次解缠结果中重合的点集取出，即一级ps点集合；利用均值偏离的程度确定组合中各解缠结果的权值；计算过程中，对于目标因素进行计算时，选取周围一定步长内的单元内的整体值作为其计算依据；计算均值如式(6)所示：
[0076][0077]
对应的权值比如式(7)所示：
[0078][0079]
其中ave为三个计算单元的均值的均值，ut1、ut2、ut3分别对应着每个处理单元的
像素值均值；
[0080]
对权值进行归一化后得到新的权值如式(8)所示：
[0081][0082][0083][0084]
将每处三次的监测结果与对应的权值相乘进行计算得到最终的结果，利用得到的结果对三级解缠网络的结果进行面拟合，获取拟合参数，然后利用面拟合参数获取最终的形变解缠结果。
[0085]
本发明的第二种实施例，包含上述实施例的全部特征，并且本发明不仅适用于滑坡场景下的形变监测，同时适用其它复杂场景的形变监测。
[0086]
如图2，通过对每类目标区域进行统计分析，获取每个类别的均值，最后依据每个相邻类之间的均值差异确定阈值，可获取目标区域中四类目标区域的分布情况，分类结果如图所示。
[0087]
如图3，基于分类结果，同时结合处理区域的时间情况，设置强散射区相干性阈值，删选得到一级ps点集合。
[0088]
如图4，基于分类结果，同时结合处理区域的时间情况，设置多植被区相干性阈值，删选得到二级ps点集合。
[0089]
如图5，基于分类结果，同时结合处理区域的时间情况，设置多树木区相干性阈值，删选得到三级ps点集合。
[0090]
如图6，获取一级ps点集，然后基于delaunay三角网准则形成三角待解缠的一级解缠网网络，最终形成的待解缠的一级解缠网络如图6所示；
[0091]
如图7，获取一级ps点集和二级ps点集，然后基于delaunay三角网准则形成三角待解缠网网络，最终形成的待解缠的二级解缠网络如图7所示，在解缠过程中，解缠起算点和控制点从一级ps点集中产生；
[0092]
如图8，获取一级ps点集、二级ps点集、三级ps点集，然后基于delaunay三角网准则形成三角待解缠三级解缠网网络，最终形成的待解缠的三级级解缠网络如图7所示，在解缠过程中，解缠起算点和控制点从一级ps点集或二级ps点集中产生；
[0093]
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。本发明未详细描述的技术、形状、构造部分均为公知技术。