摘要:利用InSAR技术获取矿区DEM成为最近几年的研究热点,研究人员并逐渐从开始的理论研究转为实际应用。但由于SAR系统的测量方式(侧视成像),以及矿区的特殊地表情况,导致影响其测高精度的因素很多。本文从InSAR测高的原理出发,利用误差理论知识,分析了测高精度的相关误差源,推导出了测高精度与相位误差、基线长度、基线倾角的关系,并做出了误差传播曲线得出了彼此之间的影响规律;同时根据矿区开采沉陷变化特征分析了地形特征对测高精度的影响规律,最后得出矿区开采沉陷变化引起的地形坡度变化对InSAR 测高精度的影响具有明显的分区性。
关键词:合成孔径雷达干涉测量 基线 地形特征 矿区DEM
Abstract
Building mining area DEM based on the InSAR technology,which has become Hot Off the Press, the researchers study gradually from theory into practical application.Because of SAR system special surveying method(side-looking imaging) and surface condition of mining area ,that lead to many factors which influence elevation precision. In this paper, From the principle of InSAR measureing elevation ,using the error theory knowledge, the impact of elevation-precision measurement error sources is systematic analysed , the relationship between measurement precision and phase error , and the baseline length, baseline inclination is deduced .And error propagation curves is made; also the topographical features impact high-precision measurements is analyzed according to the feactures of mining subsidence. Finally came to a conclusion that the change of slope change caused by the mining subsidence on the impact of high-precision InSAR measurements has obvious partition .
Key words: InSAR baseline topography features mining area DEM
1 绪论
DEM在矿区中有着广泛的应用,主要包括土地复垦、水域计算,坡度、坡向分析,土壤含水率分析等。而且利用In-SAR技术得到矿区DEM之后继续采用差分干涉雷达测量技术(D-InSAR)处理,进行区域开采沉陷监测,可以弥补传统监测方法的不足,对不同期遥感影像生成的DEM进行比较、分析,可以得出地表沉陷变形的规律,进而可以进行拟合、预测、反演。
因此,构建矿区DEM成为研究热点,尤其是大区域。传统构建矿区DEM一般采用全站仪、水准仪、GPS等测绘方法来实施,这些方法往往成本高,时间长,更新速度较慢,不能满足实际应用。而20世纪60年代产生的合成孔径雷达干涉测量技术,使得这些问题得到了解决。由于其具有全天候观测,穿透力强、精度高、效率快,能够大面积获取DEM的特点,已被广泛应用于建立大区域DEM。在矿区中应用InSAR技术建立DEM,从理论上讲是可行的。但由于其采用的是侧视成像方式,矿区地表环境复杂,导致影响其测高精度的因素很多。本文就是在系统分析InSAR获取DEM原理的基础上,着重分析InSAR参数(基线,基线与水平方向夹角,侧视角),矿区开采沉陷引起的地表变化对InSAR DEM精度的影响规律。
2 InSAR提取DEM原理
星载INSAR的主要原理[3]如图2-4所示:其中H是卫星的航高,A1、A2是两个天线,B是基线长,θ是雷达的侧视角,,是两个天线中心到地面目标C的斜距,h是点C的高程。
图1:INSAR原理图
Fig1:Principle%20of%20INSAR%20System%20B%20H%20θ%20α
B⊥
A1%20A2
h θ C α是基线与水平方向的夹角,也称为水平方向基线角,λ为波长,则两幅天线所接受到的信号相位差为:
(2-1)
从图2-4可以发现,雷达侧视角θ、天线斜距和基线参数B、α满足三角函数关系:
(2-2)
联合2-1,2-2式,得: B= (2-3) (2-4)
根据Zebker等提出的平行射线近似处理方法,联合2-1~2-3式得:
(2-5)
该式给出了较为全面的高程计算公式,而不是只针对基线分量—垂直基线,通过上面的分析,如果已知天线的位置参数(H,B,α)和雷达的侧视角θ,以及解缠过的相位差。假设地球表面为平面和无形变,就可以确定出地表的高程值h。
3相关误差因素分析
3.1影响InSAR DEM精度的误差理论分析
以下几个误差理论关系的推导,都是利用2-1~2-5式微分所得,具体推导过程不做详细叙述,只将最终结果列出:
(1)高程精度与相位测量误差的关系
(2-6)
(2)高程精度与基线长度的关系
(2-7)
(3)高程精度与基线倾角的关系
(2-8)
(4)高程精度与地形坡度角的关系
根据文献[6]中可知,Hansen等推出了基线去相关的表达式:,为距离分辨率,为地形坡度角,其它参数同上。