基于DINSAR的高压输电铁塔顶端倾斜位移监测方法

摘要

本发明公开了一种基于DINSAR的高压输电铁塔顶端倾斜位移监测方法，通过对不同时刻的两幅SAR图像共轭相乘得到干涉相位图，再将干涉相位图中的高压输电铁塔沿着距离向依次排列，形成一个初始干涉相位图，利用FFT计算初始干涉相位图中干涉条纹频率，并剔除高压输电铁塔的竖直高度相位，得到残留相位图，对残留相位图进行相位解缠，得到因高压输电铁塔顶端倾斜位移引起的真实差分干涉相位，最后根据真实差分干涉相位计算高压输电铁塔的顶端倾斜位移；这样使本发明具有实时监控、测量精度高、监测面积大和成本低的特点。

权利要求

1.一种基于DINSAR技术的高压输电铁塔顶端倾斜位移监测方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)、在同一监测点，利用星载DINSAR系统分别获取高压输电铁塔在不同时刻的两幅SAR图像，再将两幅不同时刻SAR图像共轭相乘得到干涉相位图，最后从干涉相位图中提取出每个高压输电铁塔所在的像素矩形区域；

(2)、将所有的高压输电铁塔所在的像素矩形区域沿着距离向依次排列，形成一个初始干涉相位图；

(3)、利用FFT计算初始干涉相位图中干涉条纹频率，根据干涉条纹频率剔除高压输电铁塔的竖直高度相位，得到残留相位图；

其中，获取残留相位图的方法为：

设初始干涉相位图由n×n个像素点组成；对初始干涉相位图中所有行的像素点的像素值对应叠加取平均后成一行，即1×n个像素点，然后对此行做FFT变换，在变换后的频谱中寻找频率值最大的频点，即为干涉条纹频率；再对变换后的频谱进行圆周位移，使干涉条纹频率位移到0频处，得到位移后的频谱；最后通过对位移后的频谱做IFFT变换，从而可以剔除高压输电铁塔的竖直高度相位，IFFT变换后的图像作为残留相位图；

(4)、对残留相位图中每个高压输电铁塔进行相位解缠，得到每个高压输电铁塔因顶端倾斜位移引起的真实差分干涉相位；

对残留相位图中每个高压输电铁塔进行相位解缠的方法为：

设残留相位图中每个高压输电铁塔区域由1×m个像素点组成，且残留相位缠绕在(-ππ)的主值之间，其中，m＝n/k，k表示残留相位图中高压输电铁塔的个数；

设高压输电铁塔区域的最左端第一个像素点的真实差分干涉相位为0，然后从左至右逐一判断，若此像素残留相位值与相邻左边像素残留相位值之差大于-π，则将此差值与此像素相邻左边的真实差分干涉相位之和作为此像素点的真实差分干涉相位，反之，若此差值小于-π，则将2π与此像素相邻左边的真实差分干涉相位之和作为此像素点的真实差分干涉相位，最终得到最右端所在像素点的真实差分干涉相位，并作为该高压输电铁塔顶端倾斜位移引起的真实差分干涉相位；

(5)、根据真实差分干涉相位计算高压输电铁塔的顶端倾斜位移。

2.根据权利要求1所述的基于DINSAR技术的高压输电铁塔顶端倾斜位移监测方法，其特征在于，所述步骤(5)中，根据真实差分干涉相位计算高压输电铁塔的顶端倾斜位移需利用以下公式来计算：其中，|C1C2|表示铁塔的顶端倾斜位移，φtower为高压输电铁塔顶端倾斜位移引起的真实差分干涉相位，θ为卫星的入射角，λ为发射雷达的电磁波波长。

3.根据权利要求1所述的基于DINSAR技术的高压输电铁塔顶端倾斜位移监测方法，其特征在于，所述的高压输电铁塔还可以用类似于高压输电铁塔的线状物体替代。

说明书

基于DINSAR的高压输电铁塔顶端倾斜位移监测方法

技术领域

[0001] 本发明属于DINSAR图像处理技术领域，更为具体地讲，涉及一种基于DINSAR技术的高压输电铁塔顶端倾斜位移监测方法。

背景技术

[0002] 星载干涉合成孔径雷达(INSAR)技术最初主要是用于地形测绘，获取高精度高程(DEM)数据。差分INSAR(DINSAR)技术是在INSAR的基础上拓展得到，主要用于地表形变探测。星载DINSAR系统数据处理主要步骤包括：复图像配准、干涉图生成、干涉相位滤波、干涉图去平地效应、干涉相位解缠以及地表形变获取等。

[0003] DINSAR的基本原理是通过对同一区域不同时刻获取的两幅图像，通过干涉获取相位差，此相位差包含地形高低起伏引起的相位和不同时刻之间地形形变引起的相位两部分，通过结合已知的DEM数据剔除掉地形起伏引起的相位，从而获取地形形变的相位。

[0004] 然而目前传统的DINSAR模型是假定地面没有叠掩的情况下提取地表的形变信息。对于高压输电铁塔等竖直放置在地面的线状物体而言，由于竖直放置在地面的几何特性，在SAR图像上铁塔的顶端会和地面的某点叠掩在同一个像素上，因此无法通过传统的DINSAR方法提取输电铁塔的倾斜位移。

发明内容

[0005] 本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种基于DINSAR的高压输电铁塔顶端倾斜位移监测方法，以解决现有DINSAR技术不能提取不同时刻竖直放置在地面的线状物体如高压输电铁塔的顶端倾斜位移的问题。

[0006] 为实现上述发明目的，本发明一种基于DINSAR的高压输电铁塔顶端倾斜位移监测方法，其特征在于，包括以下步骤：

[0007] (1)、在同一监测点，利用星载DINSAR系统分别获取高压输电铁塔在不同时刻的两幅SAR图像，再将两幅不同时刻SAR图像共轭相乘得到干涉相位图，最后从干涉相位图中提取出每个高压输电铁塔所在的像素矩形区域；

[0008] (2)、将所有的高压输电铁塔所在的像素矩形区域沿着距离向依次排列，形成一个初始干涉相位图；

[0009] (3)、利用FFT计算初始干涉相位图中干涉条纹频率，根据干涉条纹频率剔除高压输电铁塔的竖直高度相位，得到残留相位图；

[0010] (4)、对残留相位图中每个高压输电铁塔进行相位解缠，得到每个高压输电铁塔因顶端倾斜位移引起的真实差分干涉相位；

[0011] (5)、根据真实差分干涉相位计算高压输电铁塔的顶端倾斜位移。

[0012] 其中，所述步骤(3)中，获取残留相位图的方法为：

[0013] 设初始干涉相位图由n×n个像素点组成；对初始干涉相位图中所有行的像素点的像素值对应叠加取平均后成一行，即1×n个像素点，然后对此行做FFT变换，在变换后的频谱中寻找频率值最大的频点，即为干涉条纹频率；再对变换后的频谱进行圆周位移，使干涉条纹频率位移到0频处，得到位移后的频谱；最后通过对位移后的频谱做IFFT变换，从而可以剔除高压输电铁塔的竖直高度相位，IFFT变换后的图像作为残留相位图；

[0014] 所述步骤(4)中，对残留相位图中每个高压输电铁塔进行相位解缠的方法为：

[0015] 设残留相位图中每个高压输电铁塔区域由1×m个像素点组成，每个像素点的像素值即为该像素点的像素残留相位值，且残留相位缠绕在(-ππ)的主值之间，其中，m＝n/k，k表示残留相位图中高压输电铁塔的个数；

[0016] 设高压输电铁塔区域的最左端第一个像素点的真实差分干涉相位为0，然后从左至右逐一判断，若此像素残留相位值与相邻左边像素残留相位值之差大于-π，则将此差值与此像素相邻左边的真实差分干涉相位之和作为此像素点的真实差分干涉相位，反之，若此差值小于-π，则将2π与此像素相邻左边的真实差分干涉相位之和作为此像素点的真实差分干涉相位，最终得到最右端所在像素点的真实差分干涉相位，并作为该高压输电铁塔顶端倾斜位移引起的真实差分干涉相位。

[0017] 所述步骤(5)中，根据真实差分干涉相位计算高压输电铁塔的顶端倾斜位移需利用以下公式来计算：

[0018]

[0019] 其中，|C1C2|表示铁塔的顶端倾斜位移，φtower为高压输电铁塔顶端倾斜位移引起的真实差分干涉相位，θ为卫星的入射角，λ为发射雷达的电磁波波长。

[0020] 本发明的发明目的是这样实现的：

[0021] 本发明基于DINSAR的高压输电铁塔顶端倾斜位移监测方法，通过对不同时刻的两幅SAR图像共轭相乘得到干涉相位图，再将干涉相位图中的高压输电铁塔沿着距离向依次排列，形成一个初始干涉相位图，利用FFT计算初始干涉相位图中干涉条纹频率，并剔除高压输电铁塔的竖直高度相位，得到残留相位图，对残留相位图进行相位解缠，得到因高压输电铁塔顶端倾斜位移引起的真实差分干涉相位，最后根据真实差分干涉相位计算高压输电铁塔的顶端倾斜位移；这样使本发明具有实时监控、测量精度高、监测面积大和成本低的特点。

附图说明

[0022] 图1是本发明基于DINSAR的高压输电铁塔顶端倾斜位移监测方法流程图；

[0023] 图2是铁塔未发生倾斜时，干涉相位图上铁塔顶端到底端的竖直高度相位示意图；

[0024] 图3是铁塔发生倾斜时，干涉相位图上铁塔顶端到底端的干涉相位示意图；

[0025] 图4是将高压输电铁塔在距离向并排放后的初始干涉相位示意图；

[0026] 图5是从初始干涉相位图中剔除高压输电铁塔竖直高度相位后的残留相位图；

[0027] 图6是未发生倾斜的高压输电铁塔进行相位解缠后的真实差分干涉相位图；

[0028] 图7是发生倾斜的高压输电铁塔进行相位解缠后的真实差分干涉相位图；

[0029] 图8是本发明改进的DINSAR几何模型；

[0030] 图9是高压输电铁塔的实际倾斜方向、距离向和方位向的分量示意图；

[0031] 图10是表1所选区域的星载SAR图像的幅度图；

[0032] 图11是表1所选区域的不同时刻两幅SAR图像的干涉相位图；

[0033] 图12是从图10所示干涉相位图得到的初始干涉相位图。

[0034] 图13是表1所选区域的不同时刻两幅SAR图像的相干系数图。

具体实施方式

[0035] 下面结合附图对本发明的具体实施方式进行描述，以便本领域的技术人员更好地理解本发明。需要特别提醒注意的是，在以下的描述中，当已知功能和设计的详细描述也许会淡化本发明的主要内容时，这些描述在这里将被忽略。

[0036] 实施例

[0037] 为了方便描述，先对具体实施方式中出现的相关专业术语进行说明：

[0038] SAR(Synthetic Aperture Radar)：合成孔径雷达；

[0039] INSAR(Interferometric Synthetic Aperture Radar)：干涉合成孔径雷达；

[0040] DINSAR(Differential Interferometric Synthetic Aperture Radar)：差分干涉合成孔径雷达；

[0041] DEM(Digital Elevation Model)：数字高程模型；

[0042] FFT(Fast Fourier Transformation)快速傅里叶变换；

[0043] IFFT(Inverse Fast Fourier Transformation)快速傅里叶反变换；

[0044] 图1是本发明基于DINSAR技术的高压输电铁塔顶端倾斜位移监测方法流程图。

[0045] 在本实施例中，如图1所示，本发明一种基于DINSAR的高压输电铁塔顶端倾斜位移监测方法，包括以下步骤：

[0046] S1、在同一监测点，利用星载DINSAR系统分别获取高压输电铁塔在不同时刻的两幅SAR图像，再将两幅不同时刻SAR图像在复数域共轭相乘取相位部分得到干涉相位图，最后从干涉相位图中提取出每个高压输电铁塔所在的像素矩形区域。

[0047] 在本实施例中，设两幅SAR图像由5000×5000个像素点组成；对两幅SAR图像同一行同一列像素上的复数值进行共轭相乘取相位部分作为干涉相位图中此行此列的像素相位值，此干涉相位图亦由5000×5000个像素点组成，然后从此干涉相位图中，提取出每个高压输电铁塔所在的像素矩阵区域，设每个铁塔区域由100×25个像素点组成，总共提取出4个高压输电铁塔区域。

[0048] 将铁塔未发生倾斜时，干涉相位图上铁塔顶端到底端的干涉相位逐渐递增，由于干涉相位在(-ππ)主值区间内，故以一定频率呈现周期性递增趋势，将此相位命名为竖直高度相位，如图2所示；铁塔发生倾斜时，干涉相位图上铁塔顶端到底端的干涉相位则包括铁塔的竖直高度相位和铁塔倾斜位移引起的差分相位之和，此干涉相位亦在(-ππ)主值区间内，以另一不同频率呈现周期性递增或递减趋势，如图3所示。

[0049] S2、将所有的高压输电铁塔所在的像素矩形区域沿着距离向依次排列，形成一个初始干涉相位图。

[0050] 在本实施例中，将4个高压输电铁塔区域沿着距离向依次排列，形成100×100的像素矩阵区域，即作为初始干涉相位图。

[0051] 在本实施例中，如图4所示，初始干涉相位图中假定铁塔1,2,4未发生倾斜，铁塔3有倾斜。

[0052] S3、对初始干涉相位图中所有行的像素点的像素值对应叠加取平均后成一行，利用FFT计算此行的干涉条纹频率，然后根据干涉条纹频率剔除高压输电铁塔的竖直高度相位，得到残留相位图；

[0053] 在本实施例中，将初始干涉相位图中100×100个像素点的像素值对应叠加成一行，即为1×100，然后对此行做FFT变换，在变换后的频谱中寻找频率值最大的频点，即为干涉条纹频率；再对变换后的频谱进行圆周位移，使干涉条纹频率位移到0频处，得到位移后的频谱；最后通过对位移后的频谱做IFFT变换，从而可以剔除高压输电铁塔的竖直高度相位，而IFFT变换后的图像作为残留相位图，此残留相位为仅由输电铁塔倾斜位移引起的干涉相位，由于未做解缠，此相位亦在(-ππ)主值区间内，以一定频率呈现周期性递增或递减趋势，如图5所示。

[0054] S4、对残留相位图中每个高压输电铁塔区域进行相位解缠，得到每个高压输电铁塔因顶端倾斜位移引起的真实差分干涉相位；

[0055] 在本实施例中，残留相位图由1×100个像素点组成，残留相位图中共有4个高压输电铁塔区域，每个高压输电铁塔区域由1×25个像素点组成，且残留相位缠绕在(-ππ)的主值之间；

[0056] 对残留相位图中的每个高压输电铁塔区域进行相位解缠，解缠方法如下：

[0057] 设高压输电铁塔区域的最左端第一个像素点的真实差分干涉相位为0，然后从左至右逐一判断，若此像素残留相位值与相邻左边像素残留相位值之差大于-π，则将此差值与此像素相邻左边的真实差分干涉相位之和作为此像素点的真实差分干涉相位，反之，若此差值小于-π，则将2π与此像素相邻左边的真实差分干涉相位之和作为此像素点的真实差分干涉相位，最终得到最右端所在像素点的真实差分干涉相位，并作为该高压输电铁塔顶端倾斜位移引起的真实差分干涉相位。

[0058] 如图6所示，高压输电铁塔1,2,4未发生倾斜，其残留相位图进行相位解缠后得到的真实差分干涉相位为0。如图7所示，输电铁塔3发生倾斜，其残留相位图进行相位解缠后得到的真实差分干涉相位，其中最右端位置值为输电铁塔顶端倾斜位移引起的真实差分干涉相位。

[0059] S5、根据真实差分干涉相位计算高压输电铁塔的顶端倾斜位移；

[0060] 在本实施例中，如图8所示，设C1O是铁塔倾斜前的位置，C2O是倾斜后的位置，卫星距铁塔顶端位置的距离分别是r1和r2，卫星的入射角为θ，C1'是由于叠掩为C1在地面的投影点，C2D⊥B2C1。SAR数据的卫星的高度为是800km,铁塔的高度约20m～50m，铁塔顶端的倾斜位移一般为厘米到分米级，在这个尺度下，根据真实差分干涉相位计算高压输电铁塔的顶端倾斜位移为：

[0061]

[0062] 其中，|C1C2|表示铁塔的顶端倾斜位移，φtower为高压输电铁塔顶端倾斜位移引起的真实差分干涉相位，θ为卫星的入射角，λ为发射雷达电磁波的波长。此方法仅是计算铁塔倾斜位移方向的距离向分量，即如图9所示，为铁塔的实际倾斜方向和距离向，方位向的分量示意图。

[0063] 实例

[0064] 表1是选取的某一研究区域的SAR数据参数。

[0065]

[0066]

[0067] 表1

[0068] 图10是表1所选区域的星载SAR图像的幅度图。

[0069] 图11是表1所选区域的不同时刻两幅SAR图像的干涉相位图。

[0070] 图12是从图10所示干涉相位图得到的初始干涉相位图。

[0071] 图13是表1所选区域的不同时刻两幅SAR图像的相干系数图。

[0072] 在实施例中，我们研究了四个高压输电铁塔的倾斜信息。其中，图10,11,12,13中椭圆圈里为铁塔。在图10，13中，我们可以看到铁塔的相干性是远高于其他区域。这是因为铁塔具有比其他区域更强的散射值。在图11中，铁塔的干涉相位也比其它区域要稳定些。除此之外，在此实施例中，由于铁塔高度限制和仅仅微小的倾斜位移，干涉图并未出现明显的条纹。基于改进的DINSAR方法，我们获得了图11中这四个铁塔顶端的位移(从左至右)分别是+0.018m,+0.01m,+0.028m and+0.01m。(“+”代表卫星和铁塔的距离变小。“-”则相反)。根据铁塔的安全标准，若铁塔顶端位移超0.2m～0.3m，这些铁塔将有可能倒塌需要做预警。因此实施例中研究区域的铁塔目前是安全的。

[0073] 此外，高压输电铁塔还可以用类似于高压输电铁塔的线状物体替代，均属于本发明所述范畴。

[0074] 尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。