一种顾及几何畸变与植被指数的InSAR滑坡监测敏感性模型
本发明属于合成孔径雷达干涉测量(insar)数据领域，具体地说，涉及一种顾及几何畸变和植被指数的insar滑坡监测敏感性模型的计算方法。
背景技术：
1、滑坡是指土体或岩体因受到外部力作用而发生失稳、破裂或破碎，并以整体或部分的形式顺坡向下滑动的地质现象，对潜在滑坡进行准确的识别和有效的监测一直是防灾减灾的重要手段。星载sar技术打破了传统测量手段的一些局限性，可以在大范围内，不受天气和光照影响进行全天候长期的地表监测。然而，insar技术应用于滑坡监测仍然存在一些局限性：1)由于sar系统本身的成像几何结构，sar影像不可避免的会产生各种几何畸变(阴影、叠掩、透视收缩等)，使其难以准确的反映地表的真实情况；2)由于雷达独特的侧视成像原理，insar只能监测到一维视线向(los)的形变，结合复杂地形的滑坡运动学行为，insar滑坡监测结果与地表真实形变之间的关系具有不确定性；3)植被覆盖密集的区域insar技术干涉相干性较低导致滑坡监测的适用性不高。尤其是我国西南地区，高山峡谷纵横交错，因此，对insar滑坡监测在特定地区适宜性的研究是insar应用领域的一大挑战。
2、insar技术具有全天候、全天时、分辨率高、覆盖范围广、穿透能力强的对地观测能力，sar系统本身的成像几何结构，sar影像不可避免的会产生各种几何畸变，使其难以准确的反映地表的真实情况。walter g早在1990年就通过sar几何成像结构和数字高程模型(dem)解释了阴影和叠掩的原理，并提出了lsm方法来系统的识别这两种几何畸变。之后notti等学者相继提出了r指数模型和改进的r指数模型，通过研究雷达视线向与下坡倾斜方向的余弦来分类识别阴影、叠掩和透视收缩。为了减弱几何畸变对insar监测的影响，qian s等人通过所使用的sar数据和数字高程模型(dem)数据的成像几何参数对研究区几何畸变进行定性绘制，并利用不同轨道卫星alos和envisat数据集协同作用，大大降低了sar影像的几何失真和模糊性。戴可人等相继提出了可以融合lsm和r指数来建立新模型，可以更全面的识别不同类型的几何畸变；之后又提出了基于局部入射角识别几何畸变的新方法，利用哨兵1号数据监测川藏铁路沿线，发现联合升降轨数据可以大大的削弱几何畸变的影响。尽管许多学者针对sar几何畸变进行了大量研究，但对于在特定地区几何畸变带来的insar滑坡监测适宜性的定量研究仍然较少，特别是对于我国西南地区，高山峡谷地形下的insar滑坡监测适宜性的问题尚未得到充分讨论。
3、对于sar滑坡监测灵敏度和可行性的研究早期只是局限于可视性方面，例如cascini在2009年率先提出了滑坡能见度图的概念，以解决最合适的影像数据集的选择问题。但他只考虑了几何畸变对insar监测的影响，而没有考虑滑坡动力学行为。由于sar卫星系统的侧视雷达成像和独特的南北飞行方向，insar监测的地表变形只是沿雷达视线(los)方向的一维变形，而不是地表在垂直、东西和南北方向的实际三维变形，这极大的限制了insar技术在各个领域的应用。从los位移推导三维表面位移的方法最初应用于地震位移场提取，在滑坡监测方面，许多学者提出了沿斜坡的实际位移与insar导出的los位移之间关系的直接计算方法，这些研究的重点是将los位移转化为水平分量与垂直分量，并与平行于边坡的位移进行对比。但目前的研究多为定性评估，对insar技术滑坡监测在特定区域的监测灵敏度的定量研究依然较少。
4、近年来，sentinel-1a数据被广泛用于地质构造监测、地表形变和滑坡监测等多个领域，然而，sentinel-1c波段短波长的特性给其应用带来了一系列限制，特别是在植被地区，因为c波段信号通常不会穿透森林的表面或顶层(即树叶和树枝)。植被的物象变化，甚至叶片和树枝的运动，都可能导致去相关。2014年，santoro等通过研究发现insar干涉相干性与植被覆盖度之间有直接关系；2020年，有学者研究了不同植被覆盖种类和冠层高度都会对insar相干性产生不同的影响；2021年，chen等学者建立了landsat5导出的归一化植被指数(ndvi)与长波段alos-1/palsar-1共偏振相干度之间的定量模型。长波sar卫星发射的雷达波具有很强的穿透能力，可以穿透植被冠层，甚至直接到达地表；因此，它的植被去相关性不是特别严重。但目前的研究主要集中在定性地说明相干性与植被覆盖度之间的关系，对不同植被指数的地区，insar滑坡监测适宜性的定量评估尚未得到充分讨论。
5、综上，本发明提出了监测灵敏度指数作为适宜性评价的指标，同时建立了一个考虑几何畸变和植被指数的insar滑坡监测敏感性计算模型，以使其可以在大量sar数据处理之前，先验的评价在特定区域使用时序insar技术进行滑坡监测的潜力。本研究对滑坡的防灾减灾研究具有重要意义，可为我国西南地区地质灾害的防治提供参考。
技术实现思路
1、本发明要解决的技术问题在于克服现有技术的不足，目的是建立能定量描述insar技术在特定地区进行滑坡监测潜力的评价指标，建立评价指标的计算模型，为insar滑坡监测提供一定的先验信息和有效的指导。该模型综合考虑了我国西南地区山高谷地、植被覆盖茂密的特点，利用地表三维坐标系与坡面坐标系构建矢量投影关系，通过下坡单位矢量在雷达卫星视距上的正交投影计算灵敏度指数作为insar滑坡监测适宜性评价指标，可以定量的描述insar视线向能够监测到下坡真实形变的程度。本发明在计算灵敏度指数的模型中，顾及了几何畸变与植被指数的影响，结合研究区insar形变监测与滑坡识别结果，对滑坡隐患点的敏感性特征分析和模型验证。
2、为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种顾及几何畸变与植被指数的insar滑坡监测敏感性模型，包括以下步骤：
3、步骤s1：数据准备：获取研究区域内升降轨道的sentinel-1a sar影像数据及对应的精密定轨星历数据，landsat 8影像数据，5米分辨率的dem数据、gacos大气校正数据、光学遥感影像数据及野外实地勘察数据；
4、步骤s2：insar视线向灵敏度数学模型构建：针对insar技术只能监测一维视线向形变的局限性，本研究建立了地表三维坐标系与坡面坐标系，并通过计算下坡矢量在雷达视距上的正交投影，借助卫星轨道参数数据，包括卫星航向角、雷达入射角，构建insar视线向灵敏度指数的数学模型，并作为insar技术在特定区域适用性的基础评价指标；
5、步骤s3：研究区的可视性分析与植被指数阈值确立：本研究采用lsm算法，借助高精度dem数据，识别小江流域东川段的几何畸变，并进行对比分析和空间分布特征研究。同时，联合升降轨对研究区的可视性进行定量分析，以评估升降轨道数据在该区域的适用性，并为后续研究提供准确的地形信息。本研究利用landsat8数据影像计算地表植被指数，并根据以往研究成果的经验结合本研究区insar干涉相干性结果，设立阈值植被指数0.32，在植被指数超过阈值的区域监测灵敏度指数设置为0；
6、步骤s4：本发明利用sbas-insar技术对研究区进行地表形变监测和滑坡隐患识别，并结合光学影像圈定滑坡隐患点，统计升降轨的滑坡隐患识别情况并分析滑坡点的时序形变特征，为后续研究区的监测敏感性模型分析验证作准备；
7、步骤s5：研究区insar滑坡隐患点敏感性特征分析与模型验证：按照模型公式计算研究区insar监测灵敏度，将理论模型与实地识别的滑坡隐患点相结合，分析滑坡隐患点的敏感性特征，对模型的适用性、有效性进行分析验证。
8、优选的，所述步骤s2具体为：
9、①首先建立地表三维坐标系和坡面坐标系，表征卫星航向角αs、入射角θ与地表坡度坡向α之间的关系。insar视线向监测灵敏度指数的定义为下坡位移单位矢量在视距(los)上的投影，即定量的描述insar视线向能够监测到下坡真实形变的程度。
10、②根据投影关系，los视线向单位矢量u为：
11、
12、定义下坡单位矢量γ为：
13、
14、③下坡单位矢量在los视线向单位矢量在上的投影可用向量的内积
15、来表示，即los灵敏度指数s可以表示为：
16、
17、优选的，所述步骤s3具体为：
18、①对研究区进行可视性分析，采用lsm算法计算研究区的主被动阴影和叠掩区域，此区域内灵敏度指数值设置为0值；
19、②首先对landsat8 oli图像进行大气校正和辐射校正，并基于研究区和验证区的矢量边界对图像进行裁剪，然后根据以下公式计算ndvi：
20、
21、由于研究区ndvi指数分布在0-0.55之间，且当植被指数超过0.32后，干涉相干性显著下降，因此我们设置阈值为0.32，当植被指数超过0.32的区域视为insar监测不敏感的区域，灵敏度指数设置为0值。
22、优选的，所述步骤s4具体为：
23、①本发明以小江流域东川段为研究区进行insar地表形变监测和滑坡识别，对同轨道连续的两景影像进行裁剪和拼接处理，利用高精度空间分辨率为5m的dem进行外部dem进行配准，并进行差分干涉，通过形变反演最终获取研究区升降轨年均形变速率，利用arcgis平台提取研究区的insar有效形变信息；
24、②联合光学遥感影像对insar形变区进行综合分析解译。基于光学遥感影像的特征，从形状、植被、地貌等方面获取研究区滑坡隐患的特征和性质，进一步识别研究区的滑坡分布。
25、③根据模型计算公式，获取研究区滑坡隐患点的监测敏感性特征，并结合滑坡隐患点坡度、坡向图几何畸变与植被覆盖情况进行综合分析，进一步说明模型的适用性和有效性。
26、优选的，所述改进后的faster rcnn模型在滑坡异常区识别方面取得了良好的准确度，为滑坡灾害的早期识别和监测提供了有力支撑，对于西南山区及其他地质灾害频发地区的滑坡监测和预警具有重要意义。
27、与现有技术相比，本发明的有益效果是：
28、本发明建立能定量描述insar技术在特定地区进行滑坡监测潜力的评价指标，建立评价指标的计算模型，为insar滑坡监测提供一定的先验信息和有效的指导。该模型综合考虑了我国西南地区山高谷地、植被覆盖茂密的特点，利用地表三维坐标系与坡面坐标系构建矢量投影关系，通过下坡单位矢量在雷达卫星视距上的正交投影计算灵敏度指数作为insar滑坡监测适宜性评价指标，可以定量的描述insar视线向能够监测到下坡真实形变的程度。本发明在计算灵敏度指数的模型中，顾及了几何畸变与植被指数的影响，结合研究区insar形变监测与滑坡识别结果，对滑坡隐患点的敏感性特征分析和模型验证。
技术特征：
1.一种顾及几何畸变与植被指数的insar滑坡监测敏感性模型，包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的一种顾及几何畸变与植被指数的insar滑坡监测敏感性模型，其特征在于：所述步骤s2具体为：
3.根据权利要求1所述的一种顾及几何畸变与植被指数的insar滑坡监测敏感性模型，其特征在于：所述步骤s3具体为：
4.根据权利要求1所述的一种顾及几何畸变与植被指数的insar滑坡监测敏感性模型，其特征在于：所述步骤s4具体为：
5.根据权利要求1所述的一种顾及几何畸变与植被指数的insar滑坡监测敏感性模型，其特征在于：所述改进后的faster rcnn模型在滑坡异常区识别方面取得了良好的准确度，为滑坡灾害的早期识别和监测提供了有力支撑，对于西南山区及其他地质灾害频发地区的滑坡监测和预警具有重要意义。
技术总结
本发明公开了一种顾及几何畸变和植被指数的InSAR滑坡监测敏感性模型，其过程为：1、通过建立地表三维坐标系与坡面坐标系，构建InSAR雷达视距矢量和下坡矢量之间的投影关系，建立视线向灵敏度指数作为InSAR技术在特定区域适用性的定量评价指标；2、对研究区进行可视性分析，利用LSM算法识别研究区的阴影和叠掩，同时利用Landsat8影像数据计算研究区的植被指数并设置阈值，将阴影、叠掩几何畸变区域和植被指数超过阈值的区域InSAR视线向灵敏度指数设置为0；3、利用SBAS‑InSAR技术对研究区开展地表时序形变监测。本发明为InSAR技术在特定区域内进行滑坡监测的适宜性提供了定量的评价指标，对于西南山区及其他地质灾害频发地区的滑坡监测和预警具有重要意义。
技术研发人员：李芳,左小清,李德彬,李勇发,张荐铭,黄成
受保护的技术使用者：昆明理工大学
技术研发日：
技术公布日：2024/9/23