空间大地测量

1、关于InSAR和D-InSAR的数据处理一、合成孔径雷达干涉技术(InSAR)合成孔径雷达干涉技术消失于20世纪60年月末.它是SAR与射电天文学干 涉测量技术结合的产物。当SAR扫过地面同一目标区域时,采用成像几何关系, 通过成像、一些特别的数据处理和几何转换,即可提取地表目标区域的高程信息 和形变信息。由于InSAR技术有效采用了 SAR的回波相位信息，测高精度为米 级甚至亚米级，而一般雷达立体测量方法只采用灰度信息来实现三维制图，测高精 度仅能到达数十米，因此该技术快速引起了地学界及相关领域科研工作者的极大 爱好，现已成为微波遥感领域的讨论热点.干涉合成孔径雷达采用多个接收天线观测得到的

2、回波数据进行干涉处理，可 以对地面的高程进行估量，对海流进行测高和测速，对地面运动目标进行检测和 定位。接收天线相位中心之间的连线称为基线，依据基线和航向的夹角，人们将 InSAR分为基线垂直于航向的切轨迹干涉和沿航向的顺轨迹干涉。切轨迹干涉可 以快速提取地面的三维信息，顺轨迹干涉主要用于动目标检测和海洋水流与波形 测量。二、InSAR基本原理InSAR测量模式主要有两种:一种是双天线单轨(Single Pass)模式，主要用来 生成数字高程模型,一般用于机载SAR;另一种是双轨(Tw。Pass)模式，主要用于 猎取地表变形，一般用于星载SAR.下面以重复轨道干涉测量为例，简要介绍InSAR技

3、术的基本原理(见图1).X1 InSAR基本原理|假设卫星以肯定的时间间隔和轨道偏离(通常为几十米到1km左右)重复对 某一区域成像，并在两次飞行过程中处于不同的空间位置加和2,那么空间干涉基 线向量为B,长度为B;基线向量B与水平方向的夹角为基线倾角。和$2至 地面点P的斜距分别为R和R+ZXR;将基线沿视线方向分解，得到平行于和垂直 于视线向的重量为、夕;H为Si到参考面的高度;从Si放射波长为的信号经目标 点P反射后被Si接收,得到测量相位%4万5 =-/? + arg(l)X同样,另一空间位置S?上测量到相位处，47r.(p2 =-(? +A7?) + argz/2 (2)式中,arg

4、 % 和 arg 的 表示不同散射特性造 A成的随机相位.假设两幅图中随机相位的贡献相同，那么S和S?关于目标P点的相位差47r(I)=(p -(P)= AT? (3)也称为干涉相位,可由经过配准的两幅SAR SLC图共扼相乘得到.依据图1 中的几何关系并采用余弦定理可得：sin(。一。)=/?2 + B2-(/? + A/?)2 2RB2RB(4)h = H-Rcos (5)由于且那么AReBsinW 。)=用(6)(4)、(5)两式即为In SAR确定高程的原理性公式.三、合成孔径雷达差分干涉测量(D-InSAR)D-InSAR技术是在主动式微波合成孔径雷达SAR相干成像基础上进展起 来的

5、，它以合成孔径雷达复数据供应的相位信息为信息源，可从包含目标区域地形 和形变等信息的一幅或多幅干涉纹图中提取地面目标的微小形变信息、。它是迄今 为止独一无二的基于面观测的形变遥感监测手段，可补充已有的基于点观测的低 空间区分率大地测量技术如全球定位系统、甚长基线干涉和精密水准等。它具有 高灵敏度、高空间区分率、宽掩盖率、全天候、几乎不受云雨天气制约和空中遥 感等突出的技术优势，在对地震形变、地表沉陷及火山活动等大范围地表变形的 测量讨论中快速得到了广泛的应用。四、D-InSAR原理依据去除地形相位采纳的数据和处理方法的不同，差分干涉测量技术可以分 为二轨差分、三轨差分和四轨差分。下面以三轨差分

6、为例简要说明D-InSAR原 理。在下列图中，设5户2、工邑分别组成形变前后的两对主辅影像，5、邑所猎取 的影像为地形对，5、S3为形变对。在三角形SR2尸中有:A JT(R + 的2 = R? + B? - 2RB cos(90 夕 + ,岫0Po = (4)/I47r公力=丁(4+八夕)夕为地表形变量：p = (-)(A. -A ) = (-)A44S1RR因此，由差分相位解缠之后的结果可求出地表形变量。同三轨差分类似, 二轨D-InSAR首先采用一对跨越形变期的SAR图像进行干涉处理，得到包含形 变信息的干涉相位；然后采用已有的观测区数字高程模型DEM和SAR成像参 数反演干涉相位；最终

7、将干涉处理得到的相位与采用DEM反演得到的干涉相位 进行差分处理，从而得到差分相位，解缠之后即可得到地表形变信息。 五、合成孔径雷达干涉测量数据处理流程虽然InSAR的成像几何原理较为简洁，但由于SAR本身成像的特别性， 在干涉测量过程中噪声及地形的不连续性使得详细的实现算法比拟简单。下面描 述了详细的处理算法。SAR干涉数据的预备针对不同的干涉应用选取合适的SAR干涉相对。胜利的进行InSAR干涉 处理要求SAR图像对必需相干，因此选取图像对时必需考虑两个方面，一是临 界基线距的限制，二是时间去相干的影响。将获得的原始SAR信号采纳SAR 成像算法做成像处理，生成两个地面二维单视复图像。其目

8、的是实现距离和方位 向的二维成像，并得出图中各点的相位信息。此外，成像过程中对得出的多普勒 中心、多普勒带宽和各次成像斜距R1和R2的估值，也是成像的重要参数。SAR影像的过采样与预滤波为了避开在形成干涉条纹时消失频谱卷绕，需要对两幅SAR影像过采样。 在进行干涉测量时，常常会消失两幅图像的多普勒质心不同的状况，也就是说两 幅SAR影像是在不同方位频谱采样o不相干频谱成分将会在干涉图上产生噪声, 基于多普勒质心和SAR系统天线模式的方位滤波能够增加数据的相干性。SAR影像对的配准在进行SAR干涉测量时，SAR影像对必需进行精细配准以保证输出的干 涉条纹具有良好的相干性。由于两幅图像的数据几乎来

9、自于空间的同一位置，两 幅影像的相干像元主要的不同之处是存在肯定的偏移、小范围的拉伸及方位向稍 微的旋转。干涉图受到配准误差的影响可以通过讨论相干强度分析处来。通常， 图像的配准误差必需为1/8个像元以下才对干涉条纹的质量没有明显的影响。SAR影像距离向预滤波以区域干涉条纹具距离向频率为依据对SAR影像做距离向预滤波，压缩影 像频谱的不相干局部，通常需要有初始的干涉图进行屡次迭代。比拟简洁的方法 是通过干涉图的均值频率过滤掉频率过高的或过低的数据。生成干涉图和计算相干系数配准后的图像对作复共扼相乘，就生成干涉图，其相角即为两次成像的相位 差。但由于复数对其相角的周期性，干涉得出的不是直接两次成

10、像相位差的原值, 而是其被周期折叠后的主值。采纳最大似然估算器计算相干系数。一般状况下， 相干系数存在肯定的偏差，通过对相干估算值进行空间平均可订正这种偏差。去平地效应平地效应是高度不变的平地在干涉图中所表示出来的干涉条纹随距离向和 方位向的变化而呈周期性变化的现象。平地效应可通过对干涉信号乘以复相位函 数来去除。对干涉纹图进行去平地处理是基于两个缘由：1）去平地后的相位近 似地表示了真实相位与参考面之间的相位差；2）进行去平地处理后相位梯度变 化降低，有利于进行相位解缠。干涉图的降噪滤波和二次采样干涉得出的相位条纹中存在严峻噪声，使相位绽开无法进行。通常需要对干 涉纹图进行滤波和二次采样，以

11、降低噪声，同时，滤波必需考虑相位主值，要用 特别的方法滤波：1）采用halfband滤波消退顶底位移对相位数据的影响；2） 方位向滤波增加干涉图的信噪比；3）二次采样削减后期数据处理的数据量。相位解缠相位解缠就是从相位差图像中恢复真实相位差的过程。相位解缠是InSAR 数据处理中尤为关键的一步，相位解缠结果的好坏直接影响InSAR的最终数据 产品的质量。相位解缠方法主要分为两大类：路径跟踪法和和最小范数法。路径跟踪法的 基本策略是将可能的误差传递限制在噪声区内，通过选择合适的积分路径，隔绝 噪声区，阻挡相位误差的全程传递。它或是通过识别“残差”点，设置正确的枝 切线阻挡积分路径穿过，或在相位质

12、量图的关心下，从高相位质量数据开头积分。 与路径跟踪法不同的是，最小范数法将相位解缠问题转化为数学上的最小范数问 题，目前使用较广泛是最小二乘法，即采用最小二乘法靠近己知的水平方向和垂 直方向的相位差来进行相位估值。除了这两大类算法以外，还有一些其它算法， 如条纹检测、网络自动化、学问介入、基于模型等，近年来还提出了一些混合算 法以及基于图论的网络规划算法等。干涉测量几何参数校正和解缠相位到高程数据的转换为了实现解缠相位到高程的转换，需要有精确的基线参数，所以必需精确估 量干涉测量所需的几何参数。采用下面公式可以实现解缠相位到高程数据的转 换。7 32 c 尸-2EAR-（*、；h = （R-

13、 +矿-2Racos0-arccos（茄）2其中，R是参考斜距，a是卫星平台距地心的高度，是基线与参考斜距 的夹角，B是基线距，AR是斜距差。SAR图像到地理坐标系InSAR DEM所处的坐标系是SAR系统的斜距一方位坐标系，为了将 DEM供应应最终用户使用，DEM必需转换到通用的地理坐标系中。SAR干涉测量的处理流程下列图所示。图2.5 SAR干涉测员处理流程图六、合成孔径雷达差分干涉测量数据处理流程D-InSAR技术通过差分干涉雷达技术猎取地表的形变信息，主要有3种方 法即DEM的双轨道法、三轨法和四轨法。(1)DEM的双轨法。又称“二轨法”。它是采用试验区地表变化前后 两幅影像生成干涉纹

14、图，再采用事先猎取的DEM数据模拟纹图，从干涉纹图中 去除地形信息就得到地表变化信息。其优点是无须进行相位解缠，削减了工作量。 缺点是对于无DEM数据的地区无法采纳上述方法，此外在引入DEM数据的 同时有可能带入新的误差。(2)三轨法。它是采用三景影像生成两幅干涉条纹图，一幅反映地形信息 一幅反映地表形变信息，进行平地效应消退后，分别进行相位解缠，最终采用差 分干涉测量原理计算得到地表信息。其主要优点是无需地面信息，数据间的配准 简洁实现。缺点是相位解缠的好坏将影响最终结果。(3)四轨法。选择用四幅SAR图像进行差分干涉处理，即:选择两幅适合 生成DEM的SAR图像，此外选择两幅适合做形变的S

15、AR图像，而后与三轨 法相同，分别进行平地效应消退和相位解缠，最终采用差分干涉测量原理计算得 到的地表信息。下面我们分别介绍二轨法和三轨法的详细处理步骤。二轨法是采用其他的地形数据消退干涉纹图中的地形因素的影响，从而得到 形变信息。二轨法主要有以下5个关键性步骤：步骤1：干涉影像对的精确配准。步骤2：基于局部地形坡度对干涉影像对进行滤波处理，然后生成干涉图。步骤3：计算DEM的点间距与干涉图像元间隔之间的比值，对DEM点 进行过采样，基于多普勒方程、斜距方程和椭球方程，采用轨道参数将DEM转 换到雷达坐标系统，将DEM数据转换为相位值。步骤4：从干涉图中减去采用DEM模拟的干涉图。步骤5：将干涉纹图投影至地理坐标系。与二轨法不同的是，三轨法采用三幅影像实现形变监测，它不需要其他的帮 助DEM数据，对于一些无地形数据的变形监测尤为重要。如下列图所示，其基 本步骤为：图