空間大地測(cè)量sar和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(cè)量技術(shù)結(jié)合的產(chǎn)物。當(dāng)SAR掃過(guò)地面同一目標(biāo)區(qū)域時(shí),利用成像幾何關(guān)系,通過(guò)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(cè)高精度為米級(jí)甚至亞米級(jí),而一般雷達(dá)立體測(cè)量方法只利用灰度信息來(lái)實(shí)現(xiàn)三維制圖,測(cè)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).干涉合成孔徑雷達(dá)利用多個(gè)接收天線觀測(cè)得到的回波數(shù)據(jù)進(jìn)行

2、干涉處理，可以對(duì)地面的高程進(jìn)行估計(jì)，對(duì)海流進(jìn)行測(cè)高和測(cè)速，對(duì)地面運(yùn)動(dòng)目標(biāo)進(jìn)行檢測(cè)和定位。接收天線相位中心之間的連線稱(chēng)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(dòng)目標(biāo)檢測(cè)和海洋水流與波形測(cè)量。二、 InSAR 基本原理InSAR 測(cè)量模式主要有兩種:一種是雙天線單軌(Single Pass)模式,主要用來(lái)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SAR.下面以重復(fù)軌道干涉測(cè)量為例,簡(jiǎn)要介紹InSAR 技術(shù)的基本原理(

3、見(jiàn)圖1).假設(shè)衛(wèi)星以一定的時(shí)間間隔和軌道偏離(通常為幾十米到1km左右)重復(fù)對(duì)某一區(qū)域成像,并在兩次飛行過(guò)程中處于不同的空間位置和,則空間干涉基線向量為B,長(zhǎng)度為B;基線向量B 與水平方向的夾角為基線傾角。和至地面點(diǎn)P的斜距分別為R 和R+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、;H為到參考面的高度;從發(fā)射波長(zhǎng)為的信號(hào)經(jīng)目標(biāo)點(diǎn)P反射后被接收,得到測(cè)量相位, (1)同樣,另一空間位置上測(cè)量到相位，（2）式中,arg和arg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,則和關(guān)于目標(biāo)P點(diǎn)的相位差 （3）也稱(chēng)為干涉相位,可由經(jīng)過(guò)配準(zhǔn)的兩幅SAR SLC圖共扼相乘得到

4、.根據(jù)圖1中的幾何關(guān)系并利用余弦定理可得:（4）（5）由于且，則（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(cè)量(D-InSAR)D-InSAR技術(shù)是在主動(dòng)式微波合成孔徑雷達(dá) SAR 相干成像基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的,它以合成孔徑雷達(dá)復(fù)數(shù)據(jù)提供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(wú)二的基于面觀測(cè)的形變遙感監(jiān)測(cè)手段，可補(bǔ)充已有的基于點(diǎn)觀測(cè)的低空間分辨率大地測(cè)量技術(shù)如全球定位系統(tǒng)、甚長(zhǎng)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

5、遙感等突出的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，在對(duì)地震形變、地表沉陷及火山活動(dòng)等大范圍地表變形的測(cè)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(cè)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(jiǎn)要說(shuō)明D-InSAR原理。在下圖中，設(shè)、分別組成形變前后的兩對(duì)主輔影像，、所獲取的影像為地形對(duì)，、為形變對(duì)。在三角形中有：為地表形變量：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(lèi)似，二軌D-InSAR 首先利用一對(duì)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(cè)區(qū)數(shù)字高程模型DEM和SAR成像參數(shù)反演

6、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(cè)量數(shù)據(jù)處理流程雖然 InSAR 的成像幾何原理較為簡(jiǎn)單，但由于 SAR 本身成像的特殊性，在干涉測(cè)量過(guò)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(duì)不同的干涉應(yīng)用選取合適的 SAR 干涉相對(duì)。成功的進(jìn)行 InSAR 干涉處理要求 SAR 圖像對(duì)必須相干，因此選取圖像對(duì)時(shí)必須考慮兩個(gè)方面，一是臨界基線距的限制，二是時(shí)間去相干的影響。將獲得的原始 SAR 信號(hào)采用 SAR 成像算法做成像處理，生

7、成兩個(gè)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，并得出圖中各點(diǎn)的相位信息。此外，成像過(guò)程中對(duì)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(guò)采樣與預(yù)濾波為了避免在形成干涉條紋時(shí)出現(xiàn)頻譜卷繞，需要對(duì)兩幅 SAR 影像過(guò)采樣。在進(jìn)行干涉測(cè)量時(shí)，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)兩幅圖像的多普勒質(zhì)心不同的情況，也就是說(shuō)兩幅SAR 影像是在不同方位頻譜采樣。不相干頻譜成分將會(huì)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(duì)的配準(zhǔn)在進(jìn)行 SAR 干涉測(cè)量時(shí)，SAR 影像對(duì)必須進(jìn)行精細(xì)配準(zhǔn)以保證輸出的干涉

8、條紋具有良好的相干性。由于兩幅圖像的數(shù)據(jù)幾乎來(lái)自于空間的同一位置，兩幅影像的相干像元主要的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(guò)研究相干強(qiáng)度分析處來(lái)。通常，圖像的配準(zhǔn)誤差必須為 1/8 個(gè)像元以下才對(duì)干涉條紋的質(zhì)量沒(méi)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(duì) 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(jiǎn)單的方法是通過(guò)干涉圖的均值頻率過(guò)濾掉頻率過(guò)高的或過(guò)低的數(shù)據(jù)。生成干涉圖和計(jì)算相干系數(shù)配準(zhǔn)后的圖像對(duì)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)

9、數(shù)對(duì)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主值。采用最大似然估算器計(jì)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(guò)對(duì)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(lái)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(guò)對(duì)干涉信號(hào)乘以復(fù)相位函數(shù)來(lái)去除。對(duì)干涉紋圖進(jìn)行去平地處理是基于兩個(gè)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(kāi)無(wú)法進(jìn)行。通常需要對(duì)

10、干涉紋圖進(jìn)行濾波和二次采樣，以降低噪聲，同時(shí)，濾波必須考慮相位主值，要用特殊的方法濾波：1）利用 halfband 濾波消除頂?shù)孜灰茖?duì)相位數(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(guò)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(lèi)：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(guò)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(guò)識(shí)別“殘差”點(diǎn)，設(shè)置正確的枝切線

11、阻止積分路徑穿過(guò)，或在相位質(zhì)量圖的幫助下，從高相位質(zhì)量數(shù)據(jù)開(kāi)始積分。與路徑跟蹤法不同的是，最小范數(shù)法將相位解纏問(wèn)題轉(zhuǎn)化為數(shù)學(xué)上的最小范數(shù)問(wèn)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(lái)進(jìn)行相位估值。除了這兩大類(lèi)算法以外，還有一些其它算法，如條紋檢測(cè)、網(wǎng)絡(luò)自動(dòng)化、知識(shí)介入、基于模型等，近年來(lái)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(cè)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(jì)干涉測(cè)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。其中，R 是參考斜距，a是衛(wèi)星平臺(tái)距

12、地心的高度， 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)的斜距方位坐標(biāo)系，為了將 DEM 提供給最終用戶(hù)使用，DEM 必須轉(zhuǎn)換到通用的地理坐標(biāo)系中。SAR 干涉測(cè)量的處理流程下圖所示。六、 合成孔徑雷達(dá)差分干涉測(cè)量數(shù)據(jù)處理流程D-InSAR技術(shù)通過(guò)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DEM的雙軌道法、三軌法和四軌法。 （1）已知 DEM的雙軌法。又稱(chēng)“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

13、。其優(yōu)點(diǎn)是無(wú)須進(jìn)行相位解纏，減少了工作量。缺點(diǎn)是對(duì)于無(wú) DEM 數(shù)據(jù)的地區(qū)無(wú)法采用上述方法，另外在引入 DEM 數(shù)據(jù)的同時(shí)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(cè)量原理計(jì)算得到地表信息。其主要優(yōu)點(diǎn)是無(wú)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。（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(cè)量

14、原理計(jì)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(gè)關(guān)鍵性步驟：步驟 1：干涉影像對(duì)的精確配準(zhǔn)。步驟 2：基于局部地形坡度對(duì)干涉影像對(duì)進(jìn)行濾波處理，然后生成干涉圖。步驟 3：計(jì)算 DEM 的點(diǎn)間距與干涉圖像元間隔之間的比值，對(duì) DEM 點(diǎn)進(jìn)行過(guò)采樣，基于多普勒方程、斜距方程和橢球方程，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。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(cè)，它不需要其他的輔助 DEM 數(shù)據(jù)，對(duì)于一些無(wú)地形數(shù)據(jù)的變形監(jiān)測(cè)尤為重要。如下圖所示，其基本步驟為：步驟 1：兩幅干