GAMMA軟件應(yīng)用于INSAR相位解纏的研究

1、gamma軟件應(yīng)用于insar相位解纏的研究岳仁賓1 王 磊2 郭彩立1（1. 重慶市勘測(cè)院，重慶 400020；2. 廣州市國(guó)土資源和房屋管理局海珠區(qū)分局，廣東 廣州 510245）摘 要 合成孔徑雷達(dá)干涉測(cè)量（insar）技術(shù)，是以合成孔徑雷達(dá)的復(fù)數(shù)據(jù)提取的相位信息為信息源來(lái)獲取地表三維信息和變化信息的一項(xiàng)新技術(shù)，是合成孔徑雷達(dá)（sar）衛(wèi)星應(yīng)用的一個(gè)重要拓展。insar數(shù)據(jù)處理的效果直接決定著insar技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域。相位解纏是insar數(shù)據(jù)處理流程中的關(guān)鍵流程之一，其精度直接決定著最后獲得的數(shù)字高程模型或地表形變結(jié)果的精度。本文介紹了采用瑞士的專(zhuān)業(yè)雷達(dá)遙感數(shù)據(jù)處理軟件gamma，對(duì)歐空

2、局的envisat-1 衛(wèi)星的asar合成孔徑雷達(dá)傳感器所獲取的伊朗bam地區(qū)的三景影像數(shù)據(jù)進(jìn)行處理的方法，完成了對(duì)這三景數(shù)據(jù)從干涉數(shù)據(jù)選取到相位解纏的整個(gè)流程，最終獲得其中兩組影像對(duì)的相位解纏結(jié)果。關(guān)鍵詞 攝影測(cè)量與遙感技術(shù)；gamma；數(shù)據(jù)處理；相位解纏study of insar phase unwapping using gamma softwareyue ren-bin1, wang lei2, guo cai-li1（1 chongqing survey institute. chongqing, 400020, china；2 hai zhu sub_bureau of land

3、 resources and hosing management of guangzhou municipality, guangzhou 510245, china）abstract：taking the phase information extracted from the plural data acquired by sar as its source, interferometric synthetic aperture radar （insar） is developed to obtain the terrain information and variety details.

4、 it is also a main profile of satellite sar application. the effect of data processing is the crucial factor to insar. phase unwrapping is one of the most important steps of data processing flow, and also the main source of error. this paper using gamma software to deal with three scenes of image da

5、ta in bam area of iran, and the data were acquired by advanced synthetic aperture radar of esas envisat-1 satellite. finally, we successfully obtained the results of phase unwrapping about two pairs of image. keywords： photogrammetry and remote sensing; gamma; data processing; phase unwrapping1 insa

6、r基本原理概述機(jī)載或星載sar 系統(tǒng)所獲取的影像中每一像素既包含地面分辨元的雷達(dá)后向散射強(qiáng)度信息，也包含與斜距有關(guān)的相位信息。將覆蓋同一地區(qū)的兩幅雷達(dá)圖像對(duì)應(yīng)像素的相位值相減可得到一個(gè)相位差圖，即所謂干涉相位圖。這些相位差信息是地形起伏和地表形變（如果存在）等因素貢獻(xiàn)和的體現(xiàn)。insar正是利用這些具有高敏感特性的干涉相位信號(hào)來(lái)提取和分離出有用信息（如地表高程或地表形變）的。圖1所示的是機(jī)載insar系統(tǒng)的一般觀測(cè)幾何原理。兩個(gè)sar以一定間距分開(kāi)安裝在飛機(jī)上，兩個(gè)傳感器中心連線構(gòu)成的空間向量（稱(chēng)為基線）與飛機(jī)航線垂直，基線長(zhǎng)度保持不變，基線向量與水平線的夾角稱(chēng)為基線傾角。在星載情況下，一般采

7、用單天線操作模式，衛(wèi)星以一定的時(shí)間間隔和輕微的軌道偏離（兩個(gè)軌道幾乎平行）重復(fù)對(duì)某一局部地區(qū)成像，同樣可構(gòu)成如圖1所示的幾何配置，只是基線不再以物理形式存在。為討論方便，假設(shè)主從像對(duì)獲取期間無(wú)地表形變，且無(wú)大氣影響。圖1 insar測(cè)量的幾何原理為清晰起見(jiàn)，將基線放大，對(duì)于地面點(diǎn)，若沿和傳播的兩個(gè)雷達(dá)波的絕對(duì)相位差已知，則斜距差可以被求出，其關(guān)系如下： （1）其中，是雷達(dá)波長(zhǎng)。對(duì)于機(jī)載系統(tǒng)，對(duì)于星載系統(tǒng)，。而 （2）為雷達(dá)側(cè)視角，可聯(lián)合式（1）和（2）求得。當(dāng)被確定后地表高程可由如下公式計(jì)算得出： （3）其中，為雷達(dá)平臺(tái)高度，即雷達(dá)中心到參考面的垂直距離。、和可從軌道姿態(tài)數(shù)據(jù)推求得到，而可根據(jù)

8、sar圖像頭文件中有關(guān)雷達(dá)參數(shù)推算出來(lái)。然而，干涉相位圖中每一像元的整周相位是未知的， 因此必須采用一定的方法即所謂的相位解纏（phase unwrapping）算法來(lái)確定整周相位，以得到。圖1說(shuō)明了insar 絕對(duì)相位差，解纏相位差和觀測(cè)相位差的關(guān)系： （4）這里為整體相位偏差，可通過(guò)一個(gè)高程已知的地面控制點(diǎn)來(lái)確定。2 相位解纏一切將相位由主值或相位差值恢復(fù)為真實(shí)值的過(guò)程統(tǒng)稱(chēng)為相位解纏（phase unwrapping）1。進(jìn)行相位解纏必須兼顧兩個(gè)方面：一致性和精確性。一致性是指在解纏后的矩陣中任意兩點(diǎn)之間的相位差是與這兩點(diǎn)之間的路徑無(wú)關(guān)的，精確性則是指解纏后的相位要能忠實(shí)地恢復(fù)原始相位函數(shù)

9、。目前所有的相位解纏可分為兩個(gè)步驟：基于纏繞相位計(jì)算解纏相位的相位梯度估算值；積分。根據(jù)所采用的積分方法，相位解纏方法主要分為兩大類(lèi)：路徑積分法和最小范數(shù)法。現(xiàn)有的相位解纏算法都是基于這樣的一個(gè)假設(shè)：有可能推導(dǎo)出纏繞相位的離散偏導(dǎo)數(shù)，即鄰近像元的相位差，并且這些相位差的絕對(duì)值都小于。通過(guò)這些離散的偏導(dǎo)數(shù)，可以重建解纏相位。在理想狀態(tài)下，干涉相位呈現(xiàn)周期變化，由0變化到2的過(guò)程是一個(gè)漸變的過(guò)程，再由2迅速下降到0，然后又是漸變到2，反復(fù)變化，呈現(xiàn)周期性；變化輪廓分明，層次均勻，突變點(diǎn)為相位周期分界點(diǎn)，如圖2所示。圖2 理想狀態(tài)下的干涉相位因此，在理想情況下能夠提取出垂直向和水平向的相位偏導(dǎo)數(shù)，然

10、后沿垂直方向和水平方向積分，就達(dá)到相位解纏的目的。目前提出的相位解纏方法有g(shù)oldstein路徑積分算法（枝切法）、基于品質(zhì)圖像的路徑積分算法（質(zhì)量圖法）、掩模分割算法、flynn最小非連續(xù)算法、最小二乘算法等。篇幅有限，本文不再展開(kāi)敘述各種算法算法的原理。然而，實(shí)際上星載或機(jī)載干涉sar數(shù)據(jù)普遍存在著由于地形起伏較大引起的密集的去相干現(xiàn)象，還有在原始雷達(dá)信號(hào)處理過(guò)程中引入的相干噪聲、噪聲和偽信號(hào)等都會(huì)造成相位數(shù)據(jù)的不連續(xù)，導(dǎo)致纏繞相位的離散相位梯度估算值不能保持一致，也就是說(shuō)，它們不能形成一個(gè)“無(wú)旋”的向量場(chǎng)。此時(shí)雖然干涉相位呈一定的趨勢(shì)和周期性，但并不明顯。特別是干涉相位從2變化到0的界限

11、模糊，為各周期的分離帶來(lái)了極大的困難，所以很難采用簡(jiǎn)單的積分方法達(dá)到恢復(fù)真實(shí)相位的效果。3 影像數(shù)據(jù)預(yù)處理在使用gamma軟件進(jìn)行相位解纏之前，需要首先相位解纏實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的選取。本文是采用歐空局的envisat-1 衛(wèi)星的asar（advanced synthetic aperture radar）合成孔徑雷達(dá)傳感器獲取的伊朗bam地區(qū)的三景影像數(shù)據(jù)進(jìn)行相位解纏。所用數(shù)據(jù)為asar數(shù)據(jù)產(chǎn)品中成像模式的1級(jí)單視復(fù)圖像，產(chǎn)品代碼為asa_ims_1p。其數(shù)據(jù)產(chǎn)品文件除了包括文件頭、測(cè)量數(shù)據(jù)集之外，還包括數(shù)據(jù)參數(shù)注釋集。數(shù)據(jù)名稱(chēng)如下：asa_ims_1pnupa20030611_061252_0000

12、00162017_00120_06687_0098.n1asa_ims_1pnupa20031203_061259_000000162022_00120_09192_0099.n1asa_ims_1pnpde20040107_061300_000000162023_00120_09693_0012.n1可以使用歐空局的enviview軟件來(lái)預(yù)先查看這些數(shù)據(jù)。enviview是歐空局開(kāi)發(fā)的工具軟件，它可以用于打開(kāi)envisat asar產(chǎn)品文件，顯示產(chǎn)品信息和圖像，也可以對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行簡(jiǎn)單的處理和分析。在進(jìn)行相位解纏之前要確定所獲取的數(shù)據(jù)能否進(jìn)行干涉成像，即：選取的數(shù)據(jù)必須具有相同的track（軌跡

13、）號(hào)和frame（幀號(hào)）號(hào)而且基線要滿(mǎn)足要求（一般不超過(guò)1000m），track（軌跡）決定成像的時(shí)間，而frame（幀號(hào)）決定成像的區(qū)域。以本文的數(shù)據(jù)為例，可以看出這三景數(shù)據(jù)都是n1格式文件，分別是2003年6月11號(hào)、2003年12月3號(hào)和2004年1月7號(hào)獲得的，track（軌跡）號(hào)都是120，第一個(gè)軌道號(hào)是06687，第二個(gè)軌道號(hào)是09192，第三個(gè)軌道號(hào)為09693。而frame號(hào)（幀號(hào)）只能通過(guò)特定的軟件來(lái)查看，直接從文件名稱(chēng)上是看不出來(lái)的。本文使用的descw軟件來(lái)查看frame（幀號(hào)）。并查詢(xún)初步的基線計(jì)算結(jié)果，從而可以初步判斷影像對(duì)能否進(jìn)行干涉成像。4 gamma相位解纏實(shí)驗(yàn)

14、gamma軟件是由瑞士gamma公司4（gamma remote sensing research and consulting ag）開(kāi)發(fā)的專(zhuān)門(mén)用于干涉雷達(dá)數(shù)據(jù)處理的全功能平臺(tái)，采用快速傅立葉變換進(jìn)行數(shù)據(jù)處理并提供大量的腳本文件及實(shí)例，因此具有處理效率高及使用方便靈活的特點(diǎn)，是用于干涉雷達(dá)數(shù)據(jù)處理的全功能專(zhuān)業(yè)平臺(tái)。gamma包括disp（display tools）獨(dú)立顯示系統(tǒng)、msp（modular sar processor）原始雷達(dá)信號(hào)處理、isp （interferometric sar processor）干涉雷達(dá)處理、diff& geo （differential interfe

15、rometry and geocoding） 差分干涉與地理編碼處理、ipta （interferometric point target analysis） 干涉點(diǎn)目標(biāo)分析以及基于sar和sar干涉的lat（land application tools）土地利用分析模塊。各個(gè)模塊可以分離使用，中間結(jié)果為通用二進(jìn)制格式，用戶(hù)可以根據(jù)需要靈活使用。gamma中有兩種解纏方法：枝切區(qū)域增長(zhǎng)算法；最小成本流程（mfc）和不規(guī)則三角網(wǎng)（tin）算法。本文采用最小成本流程（mfc）和不規(guī)則三角網(wǎng)（tin）算法處理。數(shù)據(jù)處理流程及所用命令如圖3所示：圖3 基于gamma軟件的insar數(shù)據(jù)處理流程最終，我

16、們可以得到如圖4和圖5所示的這兩組影像對(duì)的最終的bmp格式的相位解纏圖，從圖片上來(lái)看，針對(duì)不同像對(duì)進(jìn)行相位解纏效果還是有明顯差異的。 在使用gamma軟件進(jìn)行insar相位解纏的過(guò)程中，不論是單獨(dú)的相位干涉圖還是強(qiáng)度和相位合成圖，甚至包括相干圖，獲得的這些圖像的紋理都很清晰，干涉條紋光滑，尤其是經(jīng)過(guò)去平、濾波后的干涉圖更顯清晰，這說(shuō)明數(shù)據(jù)處理效果較好。更為重要的是gamma中可以使用解纏后的相位模型進(jìn)行二次相位解纏，不但獲得了更好的解纏效果，而且解纏效率很高，耗費(fèi)的計(jì)算機(jī)機(jī)時(shí)很短，本次實(shí)驗(yàn)所用的9192_6687影像對(duì)總耗時(shí)822.199秒，9693_9192影像對(duì)總耗時(shí)1229.215秒（機(jī)

17、器配置：cpu酷睿雙核2.0g，內(nèi)存2g）。 圖4 9192_6687最終的相位解纏圖 圖5 9693_9192最終的相位解纏圖5 結(jié)論當(dāng)前國(guó)內(nèi)研究相位解纏的文獻(xiàn)雖多，但大多只能用模擬的數(shù)據(jù)，缺乏真實(shí)數(shù)據(jù)的驗(yàn)證，而許多方法處理理想的模擬數(shù)據(jù)效果尚可，但處理真實(shí)數(shù)據(jù)。本文介紹了用gamma軟件對(duì)歐空局的envisat-1 衛(wèi)星的asar合成孔徑雷達(dá)傳感器所獲取的伊朗bam地區(qū)的三景影像數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，獲得了其中兩組影像對(duì)的相位解纏結(jié)果。通過(guò)兩個(gè)像對(duì)的相位解纏圖，可以看出gamma軟件在實(shí)際影像數(shù)據(jù)處理中具有較好的效果，且解纏效率很高，是目前進(jìn)行insar數(shù)據(jù)處理較為理想的商業(yè)軟件。完成相位解纏后，即可計(jì)算高程，建立數(shù)字高程模型。隨著我國(guó)的星載sar計(jì)劃的實(shí)施，將徹底解決insar數(shù)據(jù)獲取難的問(wèn)題，使得國(guó)內(nèi)學(xué)者提出的相位解纏新算法得到實(shí)際數(shù)據(jù)的驗(yàn)證，極大的加快我國(guó)自行研發(fā)有自主產(chǎn)權(quán)的insar數(shù)據(jù)處理軟件的進(jìn)程，屆時(shí)insar技術(shù)在我國(guó)將會(huì)得到更廣泛、更成熟的應(yīng)用。參考文獻(xiàn)：1 高勇. 干涉sar的二維相位解纏算法研究j. 地理學(xué)與國(guó)土研究，2000，16（4）：9096.2 郭春生. 優(yōu)化的區(qū)域增長(zhǎng)insar相位解纏算法j. 中國(guó)圖形圖像學(xué)報(bào)，2006，11（10）：13801386.3 程璞，許才軍，王華. insar相