1.本发明属于环境监测技术领域，尤其涉及一种岸边坡形变监测方法和系统、存储介质。
背景技术：2.随着经济和技术水平的增长，建设了大量的水利设施，从而来发电灌溉和防止洪水灾害。修建大坝，将流水聚集形成人工湖泊由于地震和降雨等自然因素，使得水库周围的土地性质发生变化，有可能导致滑坡、泥石流等地质灾害的发生，危害人们的生产和生活。因此，对水库的库岸等区域进行长时间高精度的形变监测，实现提前预警和预防，及时采取措施，可以最大程度的减少不必要的损失。
3.对于岸边坡形变监测，目前采用星载sar卫星进行测量技术，星载sar卫星具有高精度、高效率、全天候、多功能等特点，获取形变信息时操作简单、可以自动化获取，并且可提供全球性或者区域性范围的变形监测网，在地质灾害监测中发挥了巨大的应用。但是，gnss技术获取的地表信息是点位信息，不能反映观测目标的整体位移，该技术在获取大范围、高密度形变信息时，成本较高，而且在水库沿岸的监测精度和可靠性均有限制。
技术实现要素：4.本发明要解决的技术问题是，提供一种岸边坡形变监测方法和系统、存储介质，可以来灵活、方便、快速地获取水库沿岸形变信息。
5.为实现上述目的，本发明采用如下的技术方案：
6.一种岸边坡形变监测方法，包括以下步骤：
7.步骤s1、采用sar系统在一次轨道运行过程中获取同一区域的主辅两幅影像；
8.步骤s2、所述sar系统利用角反射器对所述主辅两幅影像进行影像配准；
9.步骤s3、所述sar系统根据影像配准结果通过不同时相的影像得到角反射变化的区域的干涉形变相位；同时根据所述干涉形变相位，得到地面形变信息。
10.作为优选，sar系统采用多轨移动方式获取同一区域的主辅两幅影像。
11.作为优选，步骤s2中的配准采用相干系数法，通过分级配准的策略，使配准结果达到亚像素级别。
12.作为优选，所述sar系统为车载insar系统，车载insar系统通过非零空间基线形变监测模型对干涉形变相位进行计算得到地面形变信息。
13.作为优选，所述sar系统为船舶载insar系统，船载insar系统通过船载双天线insar模式斜距差对干涉形变相位进行计算得到地面形变信息。
14.本发明还提供一种岸边坡形变监测装置，包括：
15.获取模块，用于采用sar系统在一次轨道运行过程中获取同一区域的主辅两幅影像；
16.配准模块，用于所述sar系统利用角反射器对所述主辅两幅影像进行影像配准；
17.计算模块，用于所述sar系统根据影像配准结果通过不同时相的影像得到角反射变化的区域的干涉形变相位；同时根据所述干涉形变相位，得到地面形变信息。
18.作为优选，获取模块通过sar系统采用多轨移动方式获取同一区域的主辅两幅影像。
19.作为优选，，配准模块采用相干系数法，通过分级配准的策略，使配准结果达到亚像素级别。
20.作为优选，所述sar系统为车载insar系统，车载insar系统通过非零空间基线形变监测模型对干涉形变相位进行计算得到地面形变信息；或者所述sar系统为船舶载insar系统，船载insar系统通过船载双天线insar模式斜距差对干涉形变相位进行计算得到地面形变信息。
21.本发明还一种存储介质，所述存储介质存储有机器可执行指令，所述机器可执行指令在被处理器调用和执行时，所述机器可执行指令促使所述处理器实现所述的岸边坡形变监测方法。
22.本发明的岸边坡形变监测采用基于车-船移动平台的insar观测方式，不同于星载sar数据的获取,车-船载sar成像时天线俯角较小，在水库夹岸坡向处，不会因为坡度较大产生星载sar影像数据中的叠掩现象。
附图说明
23.图1为本发明岸边坡形变监测方法的流程示意图；
24.图2为本发明“一发双收”模式示意图；
25.图3为本发明收发分置天线与目标点的几何关系；
26.图4为本发明真实情况和“理想”情况天线位置关系；
27.图5为本发明二维r-d方程改进模型几何成像示意图。
具体实施方式
28.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
29.实施例1：
30.如图1所示，本发明提供一种岸边坡形变监测方法，包括以下步骤：
31.步骤s1、采用sar系统在一次轨道运行过程中获取同一区域的主辅两幅影像；
32.步骤s2、所述sar系统利用角反射器对所述主辅两幅影像进行影像配准；
33.步骤s3、所述sar系统根据影像配准结果通过不同时相的影像得到角反射变化的区域的干涉形变相位；同时根据所述干涉形变相位，得到地面形变信息。
34.作为本实施例的一种实施方式，sar系统采用多轨移动方式获取同一区域的主辅两幅影像。
35.作为本实施例的一种实施方式，步骤s2中的配准采用相干系数法，通过分级配准的策略，使配准结果达到亚像素级别。
36.作为本实施例的一种实施方式，所述sar系统为车载insar系统，车载insar系统通过非零空间基线形变监测模型对干涉形变相位进行计算得到地面形变信息。具体为：
37.sar系统的成像几何过程为：通过小型sar系统的固定基线的双天线同时向角反射器发射信号波，然后仅通过同一接收天线接收双天线的回波信息，经过影像的自聚焦后产生相应试验区的sar影像，从中获取角反射器产生高度上形变前后的两次回波信号，并通过pos系统获取两次影像获取时的轨道信息以及sar传感器的外方位元素，在进行差分干涉测量后获取到的干涉值相位由两部分组成：角反射器的形变量引起的相位变化、固定基线的偏移量引起的相位变化。为获取最终角反射器的形变量，需将固定基线的偏移量引起的相位误差值变化消除，从而可以建立起非零空间基线形变的模型。
38.根据电磁波传播的理论，当sar传感器对角反射器进行成像时，微波的向后散射回波信息受多方面影响。sar图像上的像素的复信号u可以表示为：
[0039][0040]
其中，是复信号的相位值，u是幅度，r是从角反射器到sar传感器的距离，λ是波长，是目标的散射相位的贡献值，假设来自不同成像轨道的sar图像上的散射相位相同，则sar干涉图可以通过两个sar图像共轭相乘，所求得的干涉相位可以认为是地球平地相位地形相位形变相位噪声相位的总的贡献值，则有
[0041][0042]
其中，与是两次sar图像上复信号的相位值，r1、r2是两次采集sar传感器的地面目标范围。形变相位是d-insar所得的，地形相位是由地形引起的，与固定基线b、固定基线的偏移量b、sar观测目标与参考平面的相对高度h0有关。此次研究中我们可把噪声认为是随机产生的，同时由于车载小sar获取角反射器，则平地相位进行差分后可以消去，下即不考虑平地相位的影响，先对进行求解。
[0043]
由于固定基线b远小于观测距离r,且固定基线与观测点所在面垂直，则：
[0044]
δr＝r
1-r2≈bcosθ
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(3)
[0045]
对上式进行微分可以得到：
[0046][0047]
则将式(4)代入式(2)有：
[0048][0049]
由h＝r1cosθ,对该等式两边进行微分，则有：
[0050][0051]
将式(6)代入式(5)中则有：
[0052]
[0053][0054]
其中，b是insar对的空间基线，h是当主sar时目标的参考表面上的高度图像，θ是天线方向与观测向的夹角，d是从sar图像采集期间沿着地面目标的视线的位移。
[0055]
式(8)中d即为差分干涉测量的所求值，利用双天线干涉获取形变前后的两次干涉相位。
[0056][0057]
其中，r1、r3为两次干涉影像生成时对应主影像所在天线与成像目标的距离，根据上述表达式可以求得形变后的d
[0058][0059]
在该式中，一般认为d0的数值为0，即第一次双天线观测数据未发生形变，则有
[0060][0061]
此式(11)即影像差分干涉测量之后获取的地面目标点的斜距方向的形变量的精确表达式。但考虑到实际应用中r1、r3的测量存在精度以及解算复杂的问题，但固定基线偏移量b可以根据影像pos数据精确获取到毫米级别，故本研究中将r1/r3转换为固定基线偏量b来计算，从而推导快速计算模型。
[0062]
根据b、r1、r2构成的三角形中的正弦定理有：
[0063][0064]
则可将式(11)化为
[0065][0066]
其中，θ为sar主影像对目标物的视角，跟据三角关系可知：
[0067][0068]
其中，h为sar成像时主影像所在天线与角反射器的相对高程，d为离角反射器较近的轨迹对应的天线在角反射器所在平面上的投影点与角反射器的距离。
[0069][0070]
由于两次轨迹的固定基线偏移量b《《d,则有泰勒展开式有
[0071][0072]
b相对于h2为微小量，则由泰勒展开式舍去二阶高次项，则有
[0073][0074]
将式(17)代入式(15)
[0075][0076]
式(11)为本文建立的精确的数学模型，式(18)即为形变监测的快速计算数学模型，所求得d即为地物目标在雷达成像视线方向的形变量，经过角度变换即可获取最终在高度上的地面形变信息。
[0077][0078]
作为本实施例的一种实施方式，所述sar系统为船舶载insar系统，船载insar系统通过船载双天线insar模式斜距差对干涉形变相位进行计算得到地面形变信息。具体为：
[0079]
如图2所示，船载双天线insar系统为“一发双收”模式，即主天线和辅天线分别由两个端口组成，由辅天线的1端口发射微波信号，辅天线的2号端口和主天线的4号端口分别接收地物散射的回波信号。
[0080]
所以根据干涉成像原理所以有：
[0081][0082][0083]
又因为实际成像过程中得到的斜距是m1_r和s1_r，其和r1、r2、r4的关系为：
[0084][0085][0086]
将上式代入到(20)和(21)中有：
[0087][0088]
理想”情况斜距计算如下：
[0089]
主天线和辅天线到地物目标点的距离是不相等的。对于主天线，其发射距离和接收距离可以认为是相等的，通过sar系统的开机时间可直接得到单程斜距r0。而辅天线接收到的数据中的发射距离和接收距离是不能认为相同的(否则主辅天线的间距为0)。在图3中，s1是发射天线位置，s2是接收天线位置，t是地物目标位置，根据系统的开机时刻只能得到斜距均值，即r1+r2＝2r0，其中r0为系统获取的斜距,r1为发射斜距，r2为接收斜距。假设作业地表为平地，推导理论条件下发射斜距r1和接收斜距r2的大小。设主天线s1到地面的垂直距离为h1，辅天线s2到地面的垂直距离为h2，s1和s2基线长度为b，基线倾角为α，目标点为t，
设主天线s1与t之间水平距离|ot|为x1，辅天线s2与t之间的水平距离|xt|为x2。即
[0090][0091][0092]
x
1-x2＝b cosα
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(26)
[0093]
将式(24)-(26)代入r1+r2＝2r0，消去x1得到式(27)：
[0094][0095]
将式(27)等号两边同时求二次幂，得到式(28)：
[0096][0097]
令将式(28)等号两边平方得到式(29)：
[0098][0099]
以x2为参数求解一元二次方程，可以得到：
[0100][0101]
将(30)代入(24)，(25)和(26)即可计算得到补偿后的发射斜距r1和接收斜距r2的值。
[0102]
真实斜距计算如下，如图4所示：
[0103]
主天线实际接收到的数据中，发射距离和接收距离也可以近似为是相等的。由于电磁波的传播速度大约为3
×
108m/s，且船载天线与目标地物点距离至多500m，所以主天线在前后时相的位置可近似为没有发生改变。换言之，主天线位置可由测量得到，并且可以直接计算得到真实斜距r。
[0104]
对于辅天线，因为pos系统一般以主天线的天线相位中心为参考点给出，因此计算辅天线接收数据的真实收发斜距时，天线的姿态角对斜距的计算存在较大影响，必须在计算中加以考虑。
[0105]
根据s
′1的高度h'1、s
′1到地物点t的水平距离x'1，s
′2的高度h'2，s
′2到地物点t的水平距离x'2，计算得到s
′1真实斜距r'1和s
′2的真实斜距r'2。
[0106]
主天线的斜距差如式(31)：
[0107]
δrm＝2(r-r0)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(31)
[0108]
辅天线的斜距差为式(32)：
[0109]
δrs＝r
′
1-r1+r
′
2-r2ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(32)
[0110]
为了更直观地描述整个成像系统和地面点的相对关系，以第二次成相时双天线中主天线s3和辅天线s4的中心为原点，向量s4s3方向为y轴，建立二维直角坐标系，如图5所示：
[0111]
为简化计算，假设s3、s4、p1、p2在同一个平面上，同时为了降低不共面误差带来的影响，不引入s1、s2进行计算。另设d为s3s4距离，即天线长。
[0112]
首先计算p2点的坐标。因为p2在以p3为原点，r3为半径的圆上，
[0113]
(p2x-0)2+(p2y-d/2)2＝r
312
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(33)
[0114]
此外，p2可由s3、s4双天线干涉得到，根据干涉成像原理有：
[0115][0116][0117]
联立(33)、(34)和(35)，取y＜0且x＞0，可得p2的坐标表达为：
[0118][0119][0120]
对于p1点，将p1在图像上的坐标(i，j)代入到第二时相的天线参数中可以求得p1与s3、s4的距离r
31
、r
41
。因此p1在以s3为中心，r
31
为半径的圆，和以s4为中心，r
41
为半径的圆的交点上。
[0121]
(p1x-0)2+(p1y+d/2)2＝r
422
[0122]
(p2x-0)2+(p2y-d/2)2＝r
322
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(37)
[0123]
取y＜0且x＞0的解为p1的值：
[0124][0125][0126]
因此，地面形变信息d为：
[0127]
d＝(p1x-p2x)2+(p1y-p2y)2ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(39)
[0128]
实施例2：
[0129]
本发明还提供一种岸边坡形变监测装置，包括：
[0130]
获取模块，用于采用sar系统在一次轨道运行过程中获取同一区域的主辅两幅影像；
[0131]
配准模块，用于所述sar系统利用角反射器对所述主辅两幅影像进行影像配准；
[0132]
计算模块，用于所述sar系统根据影像配准结果通过不同时相的影像得到角反射变化的区域的干涉形变相位；同时根据所述干涉形变相位，得到地面形变信息。
[0133]
作为本实施例的一种实施方式，获取模块通过sar系统采用多轨移动方式获取同一区域的主辅两幅影像。
[0134]
作为本实施例的一种实施方式，配准模块采用相干系数法，通过分级配准的策略，使配准结果达到亚像素级别。
[0135]
作为本实施例的一种实施方式，所述sar系统为车载insar系统，车载insar系统通过非零空间基线形变监测模型对干涉形变相位进行计算得到地面形变信息；或者所述sar系统为船舶载insar系统，船载insar系统通过船载双天线insar模式斜距差对干涉形变相位进行计算得到地面形变信息
[0136]
实施例3：
[0137]
本发明还一种存储介质，所述存储介质存储有机器可执行指令，所述机器可执行指令在被处理器调用和执行时，所述机器可执行指令促使所述处理器实现所述的岸边坡形变监测方法。
[0138]
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。
技术特征：1.一种岸边坡形变监测方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤s1、采用sar系统在一次轨道运行过程中获取同一区域的主辅两幅影像；步骤s2、所述sar系统利用角反射器对所述主辅两幅影像进行影像配准；步骤s3、所述sar系统根据影像配准结果通过不同时相的影像得到角反射变化的区域的干涉形变相位；同时根据所述干涉形变相位，得到地面形变信息。2.如权利要求1所述的岸边坡形变监测方法，其特征在于，sar系统采用多轨移动方式获取同一区域的主辅两幅影像。3.如权利要求2所述的岸边坡形变监测方法，其特征在于，步骤s2中的配准采用相干系数法，通过分级配准的策略，使配准结果达到亚像素级别。4.如权利要求3所述的岸边坡形变监测方法，其特征在于，所述sar系统为车载insar系统，车载insar系统通过非零空间基线形变监测模型对干涉形变相位进行计算得到地面形变信息。5.如权利要求3所述的岸边坡形变监测方法，其特征在于，所述sar系统为船舶载insar系统，船载insar系统通过船载双天线insar模式斜距差对干涉形变相位进行计算得到地面形变信息。6.一种岸边坡形变监测装置，其特征在于，包括：获取模块，用于采用sar系统在一次轨道运行过程中获取同一区域的主辅两幅影像；配准模块，用于所述sar系统利用角反射器对所述主辅两幅影像进行影像配准；计算模块，用于所述sar系统根据影像配准结果通过不同时相的影像得到角反射变化的区域的干涉形变相位；同时根据所述干涉形变相位，得到地面形变信息。7.如权利要求6所述的岸边坡形变监测装置，其特征在于，获取模块通过sar系统采用多轨移动方式获取同一区域的主辅两幅影像。8.如权利要求7所述的岸边坡形变监测装置，其特征在于，配准模块采用相干系数法，通过分级配准的策略，使配准结果达到亚像素级别。9.如权利要求8所述的岸边坡形变监测装置，其特征在于，所述sar系统为车载insar系统，车载insar系统通过非零空间基线形变监测模型对干涉形变相位进行计算得到地面形变信息；或者所述sar系统为船舶载insar系统，船载insar系统通过船载双天线insar模式斜距差对干涉形变相位进行计算得到地面形变信息。10.一种存储介质，其特征在于，所述存储介质存储有机器可执行指令，所述机器可执行指令在被处理器调用和执行时，所述机器可执行指令促使所述处理器实现权利要求1至5任一项所述的岸边坡形变监测方法。
技术总结本发明公开一种岸边坡形变监测方法和装置、存储介质，包括：采用SAR系统在一次轨道运行过程中获取同一区域的主辅两幅影像；所述SAR系统利用角反射器对所述主辅两幅影像进行影像配准；所述SAR系统根据影像配准结果通过不同时相的影像得到角反射变化的区域的干涉形变相位；同时根据所述干涉形变相位，得到地面形变信息。采用本发明的技术方案，可以来灵活、方便、快速地获取水库沿岸形变信息。快速地获取水库沿岸形变信息。快速地获取水库沿岸形变信息。
技术研发人员：周伟 马洪琪 肖海斌 程翔 陈鸿杰 曹学兴 周志伟 陈豪 赵富刚
受保护的技术使用者：华能澜沧江水电股份有限公司 华能集团技术创新中心有限公司
技术研发日：2022.07.18
技术公布日：2022/11/1
