空間大地測量sar與insar

1、關(guān)于 InSAR 和 D-InSAR 的數(shù)據(jù)處理一、合成孔徑雷達(dá)干涉技術(shù)（ InSAR）合成孔徑雷達(dá)干涉技術(shù)出現(xiàn)于 20世紀(jì)60年代末.它是SAR與射電天文學(xué)干 涉測量技術(shù)結(jié)合的產(chǎn)物。當(dāng) SAR 掃過地面同一目標(biāo)區(qū)域時 ,利用成像幾何關(guān)系 , 通過成像、一些特殊的數(shù)據(jù)處理和幾何轉(zhuǎn)換 ,即可提取地表目標(biāo)區(qū)域的高程信息 和形變信息。由于 InSAR 技術(shù)有效利用了 SAR 的回波相位信息 ,測高精度為米 級甚至亞米級 ,而一般雷達(dá)立體測量方法只利用灰度信息來實(shí)現(xiàn)三維制圖,測高精度僅能達(dá)到數(shù)十米 ,因此該技術(shù)迅速引起了地學(xué)界及相關(guān)領(lǐng)域科研工作者的極大 興趣 ,現(xiàn)已成為微波遙感領(lǐng)域的研究熱點(diǎn) .干涉合

2、成孔徑雷達(dá)利用多個接收天線觀測得到的回波數(shù)據(jù)進(jìn)行干涉處理， 可 以對地面的高程進(jìn)行估計， 對海流進(jìn)行測高和測速， 對地面運(yùn)動目標(biāo)進(jìn)行檢測和 定位。接收天線相位中心之間的連線稱為基線， 按照基線和航向的夾角， 人們將 InSAR 分為基線垂直于航向的切軌跡干涉和沿航向的順軌跡干涉。 切軌跡干涉可 以快速提取地面的三維信息， 順軌跡干涉主要用于動目標(biāo)檢測和海洋水流與波形 測量。二、InSAR 基本原理InSAR測量模式主要有兩種：一種是雙天線單軌（Single Pass模式，主要用來 生成數(shù)字高程模型，一般用于機(jī)載SAR;另一種是雙軌（Two Pass）模式，主要用于 獲取地表變形 ,一般用于星載

3、 SAR.下面以重復(fù)軌道干涉測量為例 ,簡要介紹 InSAR 技術(shù)的基本原理 （見圖 1）.aXInSAR基本原理圖6：假設(shè)衛(wèi)星以一定的時間間隔和軌道偏離(通常為幾十米到1km左右)重復(fù)對 某一區(qū)域成像，并在兩次飛行過程中處于不同的空間位置S1和S2,則空間干涉基線向量為B,長度為B;基線向量B與水平方向的夾角為基線傾角。Si和S2至地面點(diǎn)P的斜距分別為R和R+A R;將基線沿視線方向分解，得到平行于和垂直 于視線向的分量B11、b;H為Sl到參考面的高度；從Sl發(fā)射波長為 的信號經(jīng)目標(biāo) 點(diǎn)P反射后被Sl接收,得到測量相位1,4i R argui (1)同樣,另一空間位置S2上測量到相位2R)

4、 argu2 (2)式中,arg ui和arg比表示不同散射特性造成的隨機(jī)相位假設(shè)兩幅圖中隨機(jī)相位的貢獻(xiàn)相同，則Si和S2關(guān)于目標(biāo)P點(diǎn)的相位差R (3)也稱為干涉相位，可由經(jīng)過配準(zhǔn)的兩幅 SAR SLC圖共扼相乘得到.根據(jù)圖1 中的幾何關(guān)系并利用余弦定理可得：sin(R2 B2 (RR)22RB(4)4h H Rcos ( 5)由于 R? R且 R? B，貝U R Bsin()B|(6)(4)、(5)兩式即為In SAR確定高程的原理性公式.三、合成孔徑雷達(dá)差分干涉測量(D-l nSAR)D-lnSAR技術(shù)是在主動式微波合成孔徑雷達(dá) SAR相干成像基礎(chǔ)上發(fā)展起 來的，它以合成孔徑雷達(dá)復(fù)數(shù)據(jù)提供

5、的相位信息為信息源，可從包含目標(biāo)區(qū)域地形 和形變等信息的一幅或多幅干涉紋圖中提取地面目標(biāo)的微小形變信息。它是迄今為止獨(dú)一無二的基于面觀測的形變遙感監(jiān)測手段，可補(bǔ)充已有的基于點(diǎn)觀測的低 空間分辨率大地測量技術(shù)如全球定位系統(tǒng)、甚長基線干涉和精密水準(zhǔn)等。它具有 高靈敏度、高空間分辨率、寬覆蓋率、全天候、幾乎不受云雨天氣制約和空中遙 感等突出的技術(shù)優(yōu)勢，在對地震形變、地表沉陷及火山活動等大范圍地表變形的 測量研究中迅速得到了廣泛的應(yīng)用。四、D-InSAR原理根據(jù)去除地形相位采用的數(shù)據(jù)和處理方法的不同，差分干涉測量技術(shù)可以分 為二軌差分、三軌差分和四軌差分。下面以三軌差分為例簡要說明D-InSAR原 理

6、。在下圖中，設(shè)S,S2、S1S3分別組成形變前后的兩對主輔影像，S1、S2所獲取 的影像為地形對，S1、Ss為形變對。在三角形S,S2P中有：(RRop。)2 R2 B2 2RBcos(9d ), topo ( B|)defo(Bii為地表形變量:()( defo4topo )(4Si -13?R*R,fII因此，由差分相位解纏之后的結(jié)果 可求出地表形變量。同三軌差分類似， 二軌D-InSAR首先利用一對跨越形變期的 SAR圖像進(jìn)行干涉處理，得到包含形 變信息的干涉相位；然后利用已有的觀測區(qū)數(shù)字高程模型 DEM和SAR成像參 數(shù)反演干涉相位；最后將干涉處理得到的相位與利用 DEM反演得到的干涉

7、相位 進(jìn)行差分處理，從而得到差分相位，解纏之后即可得到地表形變信息。五、合成孔徑雷達(dá)干涉測量數(shù)據(jù)處理流程雖然InSAR的成像幾何原理較為簡單，但由于 SAR本身成像的特殊性， 在干涉測量過程中噪聲及地形的不連續(xù)性使得具體的實(shí)現(xiàn)算法比較復(fù)雜。下面描述了具體的處理算法。 SAR干涉數(shù)據(jù)的準(zhǔn)備針對不同的干涉應(yīng)用選取合適的 SAR干涉相對。成功的進(jìn)行InSAR干涉 處理要求SAR圖像對必須相干，因此選取圖像對時必須考慮兩個方面， 一是臨 界基線距的限制，二是時間去相干的影響。將獲得的原始SAR信號采用SAR成像算法做成像處理，生成兩個地面二維單視復(fù)圖像。其目的是實(shí)現(xiàn)距離和方位 向的二維成像，并得出圖中

8、各點(diǎn)的相位信息。此外，成像過程中對得出的多普勒 中心、多普勒帶寬和各次成像斜距 R1和R2的估值，也是成像的重要參數(shù)。 SAR影像的過采樣與預(yù)濾波為了避免在形成干涉條紋時出現(xiàn)頻譜卷繞，需要對兩幅SAR影像過采樣。在進(jìn)行干涉測量時，經(jīng)常會出現(xiàn)兩幅圖像的多普勒質(zhì)心不同的情況，也就是說兩幅SAR影像是在不同方位頻譜采樣。不相干頻譜成分將會在干涉圖上產(chǎn)生噪聲， 基于多普勒質(zhì)心和SAR系統(tǒng)天線模式的方位濾波能夠增強(qiáng)數(shù)據(jù)的相干性。 SAR影像對的配準(zhǔn)在進(jìn)行SAR干涉測量時，SAR影像對必須進(jìn)行精細(xì)配準(zhǔn)以保證輸出的干涉條紋具有良好的相干性。由于兩幅圖像的數(shù)據(jù)幾乎來自于空間的同一位置，兩幅影像的相干像元主要的

9、不同之處是存在一定的偏移、小范圍的拉伸及方位向輕 微的旋轉(zhuǎn)。干涉圖受到配準(zhǔn)誤差的影響可以通過研究相干強(qiáng)度分析處來。通常， 圖像的配準(zhǔn)誤差必須為1/8個像元以下才對干涉條紋的質(zhì)量沒有明顯的影響。 SAR影像距離向預(yù)濾波以區(qū)域干涉條紋具距離向頻率為依據(jù)對 SAR影像做距離向預(yù)濾波，壓縮影 像頻譜的不相干部分，通常需要有初始的干涉圖進(jìn)行多次迭代。 比較簡單的方法 是通過干涉圖的均值頻率過濾掉頻率過高的或過低的數(shù)據(jù)。 生成干涉圖和計算相干系數(shù)配準(zhǔn)后的圖像對作復(fù)共扼相乘，就生成干涉圖，其相角即為兩次成像的相位 差。但由于復(fù)數(shù)對其相角的周期性，干涉得出的不是直接兩次成像相位差的原值， 而是其被周期折疊后的

10、主值。采用最大似然估算器計算相干系數(shù)。一般情況下， 相干系數(shù)存在一定的偏差，通過對相干估算值進(jìn)行空間平均可糾正這種偏差。 去平地效應(yīng)平地效應(yīng)是高度不變的平地在干涉圖中所表示出來的干涉條紋隨距離向和 方位向的變化而呈周期性變化的現(xiàn)象。平地效應(yīng)可通過對干涉信號乘以復(fù)相位函 數(shù)來去除。對干涉紋圖進(jìn)行去平地處理是基于兩個原因：1）去平地后的相位近似地表示了真實(shí)相位與參考面之間的相位差；2）進(jìn)行去平地處理后相位梯度變化降低，有利于進(jìn)行相位解纏。 干涉圖的降噪濾波和二次采樣干涉得出的相位條紋中存在嚴(yán)重噪聲， 使相位展開無法進(jìn)行。通常需要對干 涉紋圖進(jìn)行濾波和二次采樣，以降低噪聲，同時，濾波必須考慮相位主值

11、，要用 特殊的方法濾波：1）利用halfband濾波消除頂?shù)孜灰茖ο辔粩?shù)據(jù)的影響；2）方位向?yàn)V波增加干涉圖的信噪比；3）二次采樣減少后期數(shù)據(jù)處理的數(shù)據(jù)量。 相位解纏相位解纏就是從相位差圖像中恢復(fù)真實(shí)相位差的過程。相位解纏是InSAR數(shù)據(jù)處理中尤為關(guān)鍵的一步，相位解纏結(jié)果的好壞直接影響 InSAR的最終數(shù)據(jù) 產(chǎn)品的質(zhì)量。相位解纏方法主要分為兩大類：路徑跟蹤法和和最小范數(shù)法。路徑跟蹤法的 基本策略是將可能的誤差傳遞限制在噪聲區(qū)內(nèi)，通過選擇合適的積分路徑，隔絕 噪聲區(qū)，阻止相位誤差的全程傳遞。它或是通過識別“殘差”點(diǎn)，設(shè)置正確的枝 切線阻止積分路徑穿過，或在相位質(zhì)量圖的幫助下，從高相位質(zhì)量數(shù)據(jù)開始積

12、分。 與路徑跟蹤法不同的是，最小范數(shù)法將相位解纏問題轉(zhuǎn)化為數(shù)學(xué)上的最小范數(shù)問 題，目前使用較廣泛是最小二乘法，即利用最小二乘法逼近己知的水平方向和垂 直方向的相位差來進(jìn)行相位估值。除了這兩大類算法以外，還有一些其它算法， 如條紋檢測、網(wǎng)絡(luò)自動化、知識介入、基于模型等，近年來還提出了一些混合算 法以及基于圖論的網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃算法等。 干涉測量幾何參數(shù)校正和解纏相位到高程數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換為了實(shí)現(xiàn)解纏相位到高程的轉(zhuǎn)換，需要有精確的基線參數(shù)，所以必須精確估 計干涉測量所需的幾何參數(shù)。利用下面公式可以實(shí)現(xiàn)解纏相位到高程數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn) 換。h (R2 a2 2Racosarccos(B22 12R R ( R)2臚2RB其

13、中，R是參考斜距，a是衛(wèi)星平臺距地心的高度，3 是基線與參考斜距 的夾角，B是基線距， R是斜距差。 SAR圖像到地理坐標(biāo)系InSAR DEM所處的坐標(biāo)系是 SAR系統(tǒng)的斜距一方位坐標(biāo)系，為了將 DEM提供給最終用戶使用，DEM必須轉(zhuǎn)換到通用的地理坐標(biāo)系中。SAR干涉測量的處理流程下圖所示。SAR SLC奴圖像5ARSLC如圖像復(fù)圖像配準(zhǔn)和篁采樣十涉閨牛成“TJikHwJ 去平和圖像濾波I甚線精化郴位聃纏f床纟戈精化相位到I；和的轉(zhuǎn)換DEM圖2.5 SAR干涉測晝處理流程圖六、合成孔徑雷達(dá)差分干涉測量數(shù)據(jù)處理流程D-lnSAR技術(shù)通過差分干涉雷達(dá)技術(shù)獲取地表的形變信息，主要有3種方法即已知DE

14、M的雙軌道法、三軌法和四軌法。(1) 已知DEM的雙軌法。又稱“二軌法”。它是利用試驗(yàn)區(qū)地表變化前后兩幅影像生成干涉紋圖，再利用事先獲取的 DEM數(shù)據(jù)模擬紋圖，從干涉紋圖中 去除地形信息就得到地表變化信息。其優(yōu)點(diǎn)是無須進(jìn)行相位解纏，減少了工作量。 缺點(diǎn)是對于無DEM數(shù)據(jù)的地區(qū)無法采用上述方法，另外在引入DEM數(shù)據(jù)的同時有可能帶入新的誤差。(2) 三軌法。它是利用三景影像生成兩幅干涉條紋圖，一幅反映地形信息 一幅反映地表形變信息，進(jìn)行平地效應(yīng)消除后，分別進(jìn)行相位解纏，最后利用差 分干涉測量原理計算得到地表信息。其主要優(yōu)點(diǎn)是無需地面信息，數(shù)據(jù)間的配準(zhǔn) 容易實(shí)現(xiàn)。缺點(diǎn)是相位解纏的好壞將影響最終結(jié)果。

15、(3) 四軌法。選擇用四幅 SAR圖像進(jìn)行差分干涉處理，即：選擇兩幅適合 生成DEM的SAR圖像，另外選擇兩幅適合做形變的 SAR圖像，而后與三軌 法相同，分別進(jìn)行平地效應(yīng)消除和相位解纏，最后利用差分干涉測量原理計算得 到的地表信息。下面我們分別介紹二軌法和三軌法的具體處理步驟。二軌法是利用其他的地形數(shù)據(jù)消除干涉紋圖中的地形因素的影響，從而得到形變信息。二軌法主要有以下 5個關(guān)鍵性步驟：步驟1:干涉影像對的精確配準(zhǔn)。步驟2:基于局部地形坡度對干涉影像對進(jìn)行濾波處理，然后生成干涉圖。步驟3:計算DEM的點(diǎn)間距與干涉圖像元間隔之間的比值，對 DEM點(diǎn) 進(jìn)行過采樣，基于多普勒方程、斜距方程和橢球方程

16、，利用軌道參數(shù)將DEM轉(zhuǎn) 換到雷達(dá)坐標(biāo)系統(tǒng)，將 DEM數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為相位值。步驟4:從干涉圖中減去利用 DEM模擬的干涉圖。直圖像配準(zhǔn)步驟5:將干涉紋圖投影至地理坐標(biāo)系。 與二軌法不同的是，三軌法利用三幅影像實(shí)現(xiàn)形變監(jiān)測，它不需要其他的輔 助DEM數(shù)據(jù)，對于一些無地形數(shù)據(jù)的變形監(jiān)測尤為重要。如下圖所示，其基 本步驟為：展？fh m1 S AR影像咸準(zhǔn)主SAR奴影像-_ J刖SAK U I(4圖像配卅現(xiàn)測蹈像帀采樣復(fù)相干罔1甲視F涉紋圏1平地效應(yīng)消除主影像濾波現(xiàn)測說像濾波單視干涉紋圖2平地效應(yīng)泊除2tn Ftah陽盂 11LI UT tri 蛀 1相位到高程的轉(zhuǎn)換區(qū)域性地表形變VI 2.6介成孔徑雷達(dá)差