D-InSAR在提取地面形变信息中的应用分析

1、D-InSAR在提取地面形变信息中的应用余景波1,刘国林1,曹振坦1,刘会2,王建波1(1.山东科技大学测绘科学与工程学院，山东 青岛266510；2.青岛求实职业技术学院，山东 青岛266108)摘要：简要介绍了 D-InSAR基本原理和D-InSAR数据处理流程，以双轨差分干涉测量方法处理ENVISAT卫星 获取的巴姆地震灾区影像数据提取和分析同震形变场为例子，解释了 D-InSAR在提取地面形变信息中的应用。关键词：差分干涉测量；双轨差分干涉测量；巴姆地震；地面形变信息The application of D-InSAR in extracting information of grou

2、nddeformationYU Jing-boi, LIU Gou-lini, CAO Zhen-tani, LIU Hui2, WANG Jian-bd(1. Geomatics College, Shandong University of Science and Technology, Qingdao 266510, China;2. Qingdao Qiushi College, Qingdao, Shandong 266108, China)Abstract: The basic principles of D-InSAR and D-InSAR data processing we

3、re introduced and then its application in extracting information of ground was explained by taking two-pass differential interferometry processing the ENVISAT image data from Bam earthquake and extracting and analyzing coseismic deformation field as an example.Keywords: Differential interferometry;

4、two-pass differential interferometry; Bam earthquake; ground deformation information合成孔径雷达差分干涉测量(D-InSAR)技术以合成孔径雷达复数影像的相位信息变化来获取地 球表面形变信息的技术。通过对同一个地区的两幅影像加上外部DEM模拟或者三幅影像进行差分干 涉处理，可以消除地形影响，获取地表变化信息，从而可以监测出雷达视线方向厘米级或更小的地 球表面形变。Gabriel等人于1989年率先论证了 D-InSAR技术可以探测厘米级的地表形变，并利 用Seasat L波段SAR测量美国英佩瑞尔河谷灌溉区的地

5、表形变。1993年Massonet等人利用ERS-1 SAR数据得到了 1992年的Landers地震(M=7.2)的形变场，并将该测量结果与其他类型的测量数据以 及弹性模型进行比较，结果相当吻合，因而引起国际地震界的震惊。此后，D-InSAR在探测地表形 变场方面的研究引起各国的普遍重视。目前D-InSAR的研究主要集中在地震、火山运动、地面沉降、 山体滑坡等引起的微小持续的地表位移的监测幻。差分干涉测量(D-InSAR)的基本原理本文以三轨法为例，说明差分干涉测量(D-InSAR)的基本原理。图1是三轨法差分干涉测量成像 几何示意图。假设S和S3是在地表发生形变前获取，S是在地表发生形变后

6、获取。视线向上的形132变量为AR，因为形变量与雷达的分辨单元相比很小，可以认为信号仍然是相关的习。d图1三轨法差分干涉测量几何原理图天线S和S2接收到的P点的SAR信号可以表示为：s(R )= |S(R )exp(jQ )1s (R1S (R )exp(jd2 2 2 2 2 丿 接收信号的相位：4兀P = R1 九1 p =竺+AR )2 九 2 d由S和S获得两幅幅影像形成的干涉图的相位为：1 2 TOC o 1-5 h z 4兀，、4兀， =Q Q =R R 丿+AR12 九 21 九 d4兀厂厶、4兀厂沁一 B sm0 a ）+AR HYPERLINK l bookmark20 o

7、Current Document 九11 九 d HYPERLINK l bookmark8 o Current Document 4兀4兀，=B +AR九1/ 九 d干涉相位含有研究区域的地形信息和地表形变信息。为了得到形变信息，需要去除地形信息的 影响。三轨法就是利用形变前获取的第三幅SAR影像进行干涉处理消除地形的影响的方法6 天线S接收到P点的SAR信号为： s（R ）= S（R ）exp（j申）33333接收信号的相位为：4兀 甲=R九3第三幅SAR影像与第一幅SAR影像所形成干涉图相位为： =p p =擎 R ）13 九 31沁一 4兀 B sina ）九224兀 =B九2/由式（

8、3）和式可以推出视线向形变量AR所引起的相位为：dB 丄4兀d 12 B2/ 由式得：九I 4兀（d 12 B2/ 由式得：九I 4兀（式（8）右边的各量可由干涉图的相位G ,）和轨道参数6 ,B ,0,a ,a）计算得到，进而可以12131212确定图像每一点的视线向形变量AR。dARd(12ARd(12B x1 B 132D-InSAR数据处理流程InSAR数据处理的主要步骤包括：影像配准、干涉图生成、噪声滤波、基线估计、平地效应消 除、相位解缠、地理编码等，根据不同的具体算法，其中有些步骤可能需要通过迭代来简化处理结 果，如图2中的箭头所示。实际处理时，通常需要一定的地面控制点来计算有关

9、参数。影 像 对 输 入基线估计干涉成像影像配准去除平地效应噪 声 滤 波咼 程 计 算图2 InSAR数据处理流程图D-InSAR数据处理，一般包括SAR图像配准、干涉图生成、参考面地形去除、 解缠等步骤刀 其具体数据处理路线如图3所示。几何变换、相位影 像 对 输 入基线估计干涉成像影像配准去除平地效应噪 声 滤 波咼 程 计 算图2 InSAR数据处理流程图D-InSAR数据处理，一般包括SAR图像配准、干涉图生成、参考面地形去除、 解缠等步骤刀 其具体数据处理路线如图3所示。几何变换、相位差分干涉图相位解缠形变图去平地效应外部DEM 基线数据图3 D-InSAR数据处理技术路线图下面对

10、D-InSAR数据处理中的关键技术，作简要说明：配准：图像配准是将取自同一目标区域的两幅或多幅影像在空间位置上最佳地套合起来。当 来自邻近轨道上的两幅SAR图像配准时，它们的相位差图像会显出条文，条纹的变化包含着地表地 形信息。如果两幅图像没有精确配准，它们生成干涉条纹就会模糊不清，甚至生不成干涉条纹。通 常,图像配准误差必须在1/8个像元以下才对干涉条纹的质量没有明显的影响。影像配准的一般步骤 包括：确定控制点、几何变换模型、输入影像重采样、配准影像输出。其主要算法有相干系数法、 最大干涉频谱法、相位差影像平均波动函数法。干涉：复数干涉图像是通过两幅复图像上相互对应的各点复共轭相乘得到，以极

11、坐标的形式 来表述/可得.S Vx, y 丿=A Vx, y Jej1 G,y) A 匕 y 龙卑y)(10)=A (x, y) A (x, y)ej% G,y)-%。，y丿 =A(x, y LjG,y丿 Ap(x, y)=Q (x, y)-p (x, y丿(10)式(9)中，A(x, y )为干涉图像幅度，它等于两幅原SAR复图像的幅度之积；式(10)中，AqC,式(9)中为干涉图像的相位，它等于两幅原SAR复图像的相位之差。消除平地效应：平地效应是由高度不变的平地引起的干涉相位在距离向和方位向呈周期性变 化的现象。它使干涉相位图呈现为密集的阴暗相间的干涉条纹，在某种程度上掩盖了地形变化引起

12、 的干涉条文变化，此时，干涉相位图不能直观地体现地形的变化，从而给相位解缠带来了很大困难。 因此，必须精确地去除平地效应。干涉图滤波：干涉条纹图中噪声的存在就可能造成相位数据的不一致性和不连续，使干涉图 在运用积分运算反演出各点的真实相位差时出现局部误差，导致积分结果不一致，还将在解缠中向全局传播，造成解缠结果偏离相位的真值。因而，在生成干涉图后，就要尽量降低噪声、提高信噪 比、减少残余出现，以提高相位解缠的精度和效率。目前，常见的滤波方法有圆周期均中值滤波、 加权圆周期均值滤波等。5）相位解缠：干涉图像中得到的相位差实际上只是主值，取值范围为兀，兀之间，要得到真 实的相位差必须在这个值的基础

13、上加上或减去的2兀整数倍，这样的过程称为相位解缠。目前，相位 解缠算法可以归为两类：基于路径控制的积分法和基于最小二乘的整体求解法。6）地理编码：把干涉图雷达坐标系中以方位向像元号和距离向像元号为坐标的图元坐标系统， 转化为地图投影坐标系统。3. D-InSAR在提取地面形变信息中的应用实例31实验数据介绍伊朗东南部的巴姆地区在2003年12月26日发生了震级为6.6级强烈地震，震中位置为 （N29.01,E58.26。），给当地造成了巨大的人员伤亡和财产损失。ENVISAT卫星在巴姆地震后监测到了 这次地震的全过程%本文利用ENVISAT卫星获取2幅影像数据进行双轨差分干涉处理，这两幅影 像

14、的基本特征如表1。表1实验数据特征主图像时间辅图像时间时间基线（天）空间平行基线 （米）空间垂直基线 （米）谱重叠（） 距离向方位向2003 12 32004 21170-14-0 35100963.2差分干涉处理本文数据处理方法采用双轨差分干涉测量技术对表1的数据进行处理。在进行差分干涉处理时, 需要借助外部DEM数据，本文在数据差分干涉处理时引入大小为3601x2401的Iran-Srtm数据作为 外部DEM。双轨差分干涉处理结果，如图4所示。图(a)是增强前的差分干涉图，图像不太平滑，含有一些噪声，尽管进行了去除平地效应处理， 但是含有一些残留地形信息产生的相位、参考平面产生的相位和形变

15、产生的相位以及大气效应产生 的相位(有时可以忽略)，所以干涉条纹较多。图(b)是含有残余相位的增强干涉图，经过增强处理后， 去除了一些噪声，因而图(b)比图(a)平滑些，但是因为含有残余相位，干涉条纹较之上图(a)没有很大 变化，为了保证相位解缠的质量，需进行去除残余相位的处理。图c)是去除残余相位的增强干涉图， 去除残余相位的影响，就可以得到体现形变的差分干涉条纹图，这样就可以分辨出地表相位变化的 形变条纹。在形变中心之外还有一些明显的条纹，这些残差是由于地形相位的残差、基线误差、系 统噪声以及大气效应等的影响造成的，所以只有精确地去除地形信息和对轨道误差、噪声以及大气 的影响进行改进才能够

16、去除这些条纹。图(d )是相干图，从相干图上可以看出两幅图像之间的相干性 普遍较好，只有小块区域相干性较差。即选取的影像干涉质量高。图(e)是解缠后的相位图，通过此 图可以初步判定相位解缠的质量，对进一步提高相位解缠质量有重要作用。图是地面形变图，该 图是在相位解缠、地理编码后生成，通过对此图做进一步分析处理就可以获取研究区域同震形变场 的相关信息。3.4巴姆地震同震形变场信息的初步分析从图(c)去除残余相位的增强干涉图，可以看出形成了花瓣状的地表形变场，形变方向和形变程 度有很大不同，其主要形变发生在上下两个花瓣上，由于颜色周期变化的不同，可以发现一个花瓣 是上升的，而另一个花瓣是下降的。结

17、合图地面形变图中黑色表示下降、白色表示上升，发现下 侧花瓣是上升的，上侧花瓣是下降的。结合图(c)去除残余相位的增强干涉图，分析出同震形变场的B4兀分布及形变情况后，可以用e -纶金计算形变场中各点的形变量。dB九 dd/因为ENVISAT卫星采用C波段(波长为5.666cm)所以，一个周期表示的相位变化，反映的是大 小为半个波长的形变(表示2.8cm的雷达视线向形变量)。在干涉条纹图(c)的花瓣状同震形变场中，可 以看出下侧有多达10条干涉条纹，这表明此次地震造成BAM地区在卫星雷达视线方向上上升了至 少28cm。上侧有至少7条干涉条纹，表明在卫星雷达视线方向上下降至少19.6cm。4.结语

18、本文在分析差分干涉测量基本原理和D-InSAR数据处理关键技术基础上，采用双轨差分干涉测 量技术处理了巴姆地震灾区SAR影像，提取了反应巴姆地震同震形变的增强干涉图、地面形变图等 结果。对这些双轨法差分干涉处理结果进行初步分析，初步获取了巴姆地震灾区震后地面形变信息 从而说明D-InSAR技术是提取和研究地面形变信息的有效工具。参考文献李毅，柳林涛，薛怀平，等.用D-InSAR研究巴姆地震形变场J.大地测量学与地球动力学,2008, 2(28):32-33.D.Massonet, M.Rossi, C.Carmona, etal. The displacement field of the Landers earthquake mapped byrader interferometryJ. Nature, 1993, (364):137-143.4周兴东，王志勇，丁建全，等. InSAR技术在地形