一种基于大气校正C波段InSAR数据的土壤湿度估算方法

摘要

本发明公开了一种基于大气校正C波段InSAR数据的土壤湿度估算方法，包括：对SAR图像进行去噪处理；以去噪后的SAR图像作为输入图像，计算出干涉图像；以输出的干涉图像作为输入图像，根据Sentinel‑1图像和其他外部数据进行APD相位估计，并且进行APD相位校准；建立分析模型用于提供土壤水分变化与干涉相位和相干性之间的直接关系；根据步输出的SAR图像干涉相位数据和APD相位之间的差值，得出InSAR数据的剩余相位，将其作为输入代入到分析模型，得出土壤湿度；将土壤水分的实测值和剩余相位进行比较，进行精度评估。本发明能够有效提高对于土壤湿度的估算精度。

说明书

技术领域

本发明属于图像处理技术领域，具体涉及一种基于大气校正C波段InSAR数据的土壤湿度估算方法。

背景技术

合成孔径雷达(SAR)，是一种主动式的对地观测系统，全天时、全天候对地实施观测、并具有一定的地表穿透能力。因此，SAR系统在灾害监测、环境监测、海洋监测、资源勘查、农作物估产、测绘和军事等方面的应用上具有独特的优势。其中，土壤水分反演是SAR图像应用的一个热点。

传统的土壤湿度测量手段是利用仪器或者烘干等等手段实地进行采样测量，这种方式不仅费时费力，而且成本高、适用范围小，很难推广到大区域。SAR(合成孔径雷达)的发射解决了这些问题，在近几十年对土壤含水量的研究成果表明，土壤水分含量会对雷达的信号散射造成很大的影响，两者具有相关性，通过SAR提取土壤水分可以大大提高反演的可靠性和准确性。

闭合相位或相位三元组是可以从三个SAR图像计算的三个干涉图的干涉相位的代数和。为三个共同配准的SAR图像的每个像素计算相位三元组。值得注意的是，闭合阶段对地表变形、大气延迟或地形误差不敏感，由此提供了一种估算土壤水分的方法。相位不一致可用于估计土壤水分值。然而，闭合相位的模型反演是不确定的，即使闭合相位与相干幅度相结合，也有产生不同的结果。这意味着不同的土壤水分值组合在一个三元组中会产生相似的闭合阶段。

在没有地形变形和适当去除大气相位延迟(APD)的情况下，从干涉相位直接反演土壤水分比使用闭合相位和相干性效果更好。差分干涉技术在测量土壤水分时的主要限制是合成孔径雷达(SAR)信号的时间去相关，特别是在植被和农业地区，以及大气路径延迟(APD)的印记。

发明内容

发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，提供一种基于大气校正C波段InSAR数据的土壤湿度估算方法，定量地将InSAR数据与土壤湿度联系起来，利用SAR干涉图像得到大气相位延迟，从而去除了大气对InSAR相位的影响，只保留了土壤湿度对InSAR相位的影响，从而有效提高了土壤湿度的反演精度。

技术方案：为实现上述目的，本发明提供一种基于大气校正C波段InSAR数据的土壤湿度估算方法，包括如下步骤：

S1：对SAR图像进行去噪处理；

S2：以步骤S1中去噪后的SAR图像作为输入图像，处理N幅SAR图像的时间序列，计算出N-1幅干涉图像；

S3：以步骤S2中输出的干涉图像作为输入图像，根据Sentinel-1图像和其他外部数据进行APD相位估计，并且进行APD相位校准；

这里需要说明的是哨兵1号(sentinel-1)由两颗极轨卫星A星和B星组成。两颗卫星搭载的传感器为合成孔径雷达(SAR)，属于主动微波遥感卫星，传感器搭载C波段。

S4：建立分析模型用于提供土壤水分变化与干涉相位和相干性之间的直接关系；

S5：根据步骤S2中输出的SAR图像干涉相位数据和步骤S3中输出的APD相位之间的差值，得出InSAR数据的剩余相位，将其作为输入代入到步骤S4中土壤水分变化与干涉相位之间的分析模型，得出土壤湿度。

本发明还包括步骤S6，所述步骤S6具体为：将土壤水分的实测值根据步骤S4中的分析模型转换为相位和相干值，再将SAR数据干涉相位中的APD相位结果移除，得到剩余相位，将两者进行比较，进行精度评估。

进一步地，所述步骤S1具体为：在提取土壤湿度之前通过滤波器对SAR图像进行滤波处理。

进一步地，所述步骤S2中N-1幅干涉图像的计算方法为：

A1：使用菊花链策略选择SAR图像对进行堆栈生成，取t时刻和t+Δt时刻的两幅SAR图像；

A2：使用精确轨道和外部DEM进行配准；

A3：计算获取到干涉图：同一区域的两幅SAR图像的时间差Δt在最小化时可以去除地形变化对SAR图像的相位影响，在这种情况下，两幅SAR图像的相位差主要与SAR图像的采集时间之间APD的时间变化有关，因此可以依靠两幅SAR图像之间的相位差值得到干涉图像，从而得到干涉相位图。

进一步地，所述步骤S3中APD的估计方法为：

在两个SAR图像的采集之间没有明显的地表形变的情况下，可以假设APD对干涉相位φ的影响：

其中，Δφ

给定为了最小化时间基线而产生的N幅干涉图的时间序列，可以计算到t时刻的APD：

其中i,j为像素坐标，

进一步地，所述步骤S3中APD相位校准的方法为：

本发明提出一种四参数线性回归模型，引入APD的低频空间分布信息，并用一组全球导航卫星系统台站对其进行校准；

系统方程为：

其中a

进一步地，所述步骤S4中分析模型的表达如下：

假设电磁波在土壤中的差分传播与土壤湿度水平对表层垂直波数的影响有关，将土壤模型化为具有复介电常数ε′的均匀有耗介质层，垂直波数k′

其中ω、μ为角速度、介电常数，k

干涉相位为：

相干性为：

进一步地，所述步骤S5中土壤湿度的获取方法为：

估计的土壤湿度是通过最小化一个代价函数来获得的，该函数表示测量的干涉相位与模型预测的相位之间的失拟，土壤湿度的函数为：

其中，N

进一步地，所述步骤S6中精度评估的具体方法为：

首先根据土壤水分变化与干涉相位和相干性之间的分析模型，将土壤湿度的实测值转换为相位和相干值，从而避免了在反演相位时获得错误的土壤湿度；计算具有不同多视窗的APD结果，并将其从干涉相位中移除，以得出剩余相位，通过对剩余相位和土壤湿度实测数据的相位和相干值进行比较得到土壤水分反演精度。

本发明建立了InSAR数据和土壤湿度之间的联系，利用c波段合成孔径雷达(SAR)干涉测量(InSAR)技术处理c波段合成孔径雷达(SAR)图像，生成校正后的土壤湿度图，并利用Sentinel-1干涉图的时间序列获得的大气相位延迟(APD)图，来分解APD和土壤湿度对Sentinel-1干涉图的影像，从而有效提升了土壤湿度反演精度。

有益效果：本发明与现有技术相比，定量地将InSAR数据与土壤湿度联系起来，利用SAR干涉图像得到大气相位延迟，从而去除了大气对InSAR相位的影响，只保留了土壤湿度对InSAR相位的影响，从而有效提高了土壤湿度的反演精度。

附图说明

图1为本发明的方法流程示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。

本发明提供一种基于大气校正C波段InSAR数据的土壤湿度估算方法，如图1所示，其包括如下步骤：

S1：对SAR图像进行去噪处理：

在提取土壤湿度之前通过滤波器对SAR图像进行滤波处理。

S2：以步骤S1中去噪后的SAR图像作为输入图像，处理N幅SAR图像的时间序列，计算出N-1幅干涉图像：

N-1幅干涉图像的计算方法为：

A1：使用菊花链策略选择SAR图像对进行堆栈生成，取t时刻和t+Δt时刻的两幅SAR图像；

A2：使用精确轨道和外部DEM进行配准；

A3：计算获取到干涉图：同一区域的两幅SAR图像的时间差Δt在最小化时可以去除地形变化对SAR图像的相位影响，在这种情况下，两幅SAR图像的相位差主要与SAR图像的采集时间之间APD的时间变化有关，因此可以依靠两幅SAR图像之间的相位差值得到干涉图像，从而得到干涉相位图。

S3：以步骤S2中输出的干涉图像作为输入图像，根据Sentinel-1图像和其他外部数据进行APD相位估计，并且进行APD相位校准：

APD的估计方法为：

在两个SAR图像的采集之间没有明显的地表形变的情况下，可以假设APD对干涉相位φ的影响：

其中，Δφ

给定为了最小化时间基线而产生的N幅干涉图的时间序列，可以计算到t时刻的APD：

其中i,j为像素坐标，

APD相位校准的方法为：

本发明提出一种四参数线性回归模型，引入APD的低频空间分布信息，并用一组全球导航卫星系统台站对其进行校准；

系统方程为：

其中a

S4：建立分析模型用于提供土壤水分变化与干涉相位和相干性之间的直接关系：

分析模型的表达如下：

假设电磁波在土壤中的差分传播与土壤湿度水平对表层垂直波数的影响有关，将土壤模型化为具有复介电常数ε′的均匀有耗介质层，垂直波数k′

其中ω、μ为角速度、介电常数，k

干涉相位为：

相干性为：

S5：根据步骤S2中输出的SAR图像干涉相位数据和步骤S3中输出的APD相位之间的差值，得出InSAR数据的剩余相位，将其作为输入代入到步骤S4中土壤水分变化与干涉相位之间的分析模型，得出土壤湿度：

土壤湿度的获取方法为：

估计的土壤湿度是通过最小化一个代价函数来获得的，该函数表示测量的干涉相位与模型预测的相位之间的失拟，土壤湿度的函数为：

其中，N

S6：将土壤水分的实测值根据步骤S4中的分析模型转换为相位和相干值，再将SAR数据干涉相位中的APD相位结果移除，得到剩余相位，将两者进行比较，进行精度评估。

精度评估的具体方法为：

首先根据土壤水分变化与干涉相位和相干性之间的分析模型，将土壤湿度的实测值转换为相位和相干值，从而避免了在反演相位时获得错误的土壤湿度；计算具有不同多视窗的APD结果，并将其从干涉相位中移除，以得出剩余相位，通过对剩余相位和土壤湿度实测数据的相位和相干值进行比较得到土壤水分反演精度。

基于上述方案，本实施例中将上述方案进行实例应用，具体过程如下：

步骤1：选择一个大小为N*N滑动的窗口，根据空间滤波原理，对输入的SAR图像进行均值滤波。

步骤2：使用菊花链策略选择SAR图像对进行堆栈生成，取t时刻和t+Δt时刻的两幅SAR图像，Δt为6天；使用精确轨道和外部DEM进行配准；干涉图计算；地球曲率和地形效应去除；使用方位角为3，距离为3的窗口进行相干性估计；WGS84 UTM坐标参考系统的干涉图和相干地形校正和地理编码。输出像素分辨率约为20m。

步骤3：从Sentinel-1图像和其他外部数据估计大气相位延迟(APD)：

在两个SAR图像的采集之间没有明显的地表形变的情况下，可以假设APD是对干涉相位φ的主要影响：

其中，Δφ

给定为了最小化时间基线而产生的N幅干涉图的时间序列，可以计算t时刻的APD：

其中i,j为像素坐标，

由此提出了一种四参数线性回归模型，引入APD的低频空间分布信息，并用一组全球导航卫星系统台站对其进行校准。

系统方程为：

其中a

步骤4：假设电磁波在土壤中的差分传播与土壤湿度水平对表层垂直波数的影响有关，将土壤模型化为具有复介电常数ε′的均匀有耗介质层。

垂直波数k′

其中ω、μ为角速度、介电常数，k

干涉相位为：

相干性为：

步骤5：估计的土壤湿度是通过最小化一个代价函数来获得的，该函数表示测量的干涉相位与模型预测的相位之间的失拟，它是土壤湿度的函数：

其中，N

步骤6：精度评估：将导出的剩余相位与土壤水分测量值进行如下比较，首先根据土壤水分变化与干涉相位和相干性之间的分析模型，将土壤湿度的实测值转换为相位和相干值，从而避免了在反演相位时获得错误的土壤湿度；计算具有不同多视窗的APD结果，并将其从干涉相位中移除，以得出剩余相位，多视窗的计算采用了基于相干性的空间平均值，这样，相干性小于0.2的像素在多视窗计算时不被考虑；通过对剩余相位和土壤湿度实测数据的相位和相干值进行比较得到土壤水分反演精度。

本实施例还提供一种基于大气校正C波段InSAR数据的土壤湿度估算系统，该系统包括网络接口、存储器和处理器；其中，网络接口，用于在与其他外部网元之间进行收发信息过程中，实现信号的接收和发送；存储器，用于存储能够在所述处理器上运行的计算机程序指令；处理器，用于在运行计算机程序指令时，执行上述共识方法的步骤。

本实施例还提供一种计算机存储介质，该计算机存储介质存储有计算机程序，在处理器执行所述计算机程序时可实现以上所描述的方法。所述计算机可读介质可以被认为是有形的且非暂时性的。非暂时性有形计算机可读介质的非限制性示例包括非易失性存储器电路(例如闪存电路、可擦除可编程只读存储器电路或掩膜只读存储器电路)、易失性存储器电路(例如静态随机存取存储器电路或动态随机存取存储器电路)、磁存储介质(例如模拟或数字磁带或硬盘驱动器)和光存储介质(例如CD、DVD或蓝光光盘)等。计算机程序包括存储在至少一个非暂时性有形计算机可读介质上的处理器可执行指令。计算机程序还可以包括或依赖于存储的数据。计算机程序可以包括与专用计算机的硬件交互的基本输入/输出系统(BIOS)、与专用计算机的特定设备交互的设备驱动程序、一个或多个操作系统、用户应用程序、后台服务、后台应用程序等。

本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。