空间大地测量(sar和insar).doc

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1、Four short words sum up what has lifted most successful individuals above the crowd: a little bit more.-author-date空间大地测量(sar和insar)空间大地测量(sar和insar)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出现于20世纪60年代末.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,利用成像几何关系,通过成像、一些特殊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。

2、由于InSAR 技术有效利用了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利用灰度信息来实现三维制图,测高精度仅能达到数十米,因此该技术迅速引起了地学界及相关领域科研工作者的极大兴趣,现已成为微波遥感领域的研究热点.干涉合成孔径雷达利用多个接收天线观测得到的回波数据进行干涉处理，可以对地面的高程进行估计，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，按照基线和航向的夹角，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。

3、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(Two Pass) 模式,主要用于获取地表变形,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 技术的基本原理(见图1).假设卫星以一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和,则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。和至地面点P的斜距分别为R 和R+R;将基线沿视线方向分解,得到平行于和垂直于视线向的分量、;H

4、为到参考面的高度;从发射波长为的信号经目标点P反射后被接收,得到测量相位, (1)同样,另一空间位置上测量到相位，（2）式中,arg和arg表示不同散射特性造成的随机相位.假设两幅图中随机相位的贡献相同,则和关于目标P点的相位差 （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.根据图1中的几何关系并利用余弦定理可得:（4）（5）由于且，则（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 相干成像基础上发展起来的,它以合成孔径雷达复数据提供的相位信息为信息源,

5、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分辨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、高空间分辨率、宽覆盖率、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研究中迅速得到了广泛的应用。四、 D-InSAR原理根据去除地形相位采用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。下面以三轨差分为例简要说明D-InSAR原理。在下图中，设、分别组成形变前后

6、的两对主辅影像，、所获取的影像为地形对，、为形变对。在三角形中有：为地表形变量：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 首先利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；然后利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；最后将干涉处理得到的相位与利用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单，但由于 SAR 本身成像的特殊性，在干涉测量过程中噪声及地形的不连续性使得具体的实现算法比较复杂。

7、下面描述了具体的处理算法。SAR 干涉数据的准备针对不同的干涉应用选取合适的 SAR 干涉相对。成功的进行 InSAR 干涉处理要求 SAR 图像对必须相干，因此选取图像对时必须考虑两个方面，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 信号采用 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免在形成干涉条纹时出现频谱卷绕，需要对两幅 SAR 影像过采样。在进行干涉

8、测量时，经常会出现两幅图像的多普勒质心不同的情况，也就是说两幅SAR 影像是在不同方位频谱采样。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强数据的相干性。SAR 影像对的配准在进行 SAR 干涉测量时，SAR 影像对必须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一定的偏移、小范围的拉伸及方位向轻微的旋转。干涉图受到配准误差的影响可以通过研究相干强度分析处来。通常，图像的配准误差必须为 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

9、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部分，通常需要有初始的干涉图进行多次迭代。比较简单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像相位差的原值，而是其被周期折叠后的主值。采用最大似然估算器计算相干系数。一般情况下，相干系数存在一定的偏差，通过对相干估算值进行空间平均可纠正这种偏差。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

10、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原因：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重噪声，使相位展开无法进行。通常需要对干涉纹图进行滤波和二次采样，以降低噪声，同时，滤波必须考虑相位主值，要用特殊的方法滤波：1）利用 halfband 滤波消除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）二次采样减少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

11、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，阻止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止积分路径穿过，或在相位质量图的帮助下，从高相位质量数据开始积分。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、

12、知识介入、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，所以必须精确估计干涉测量所需的几何参数。利用下面公式可以实现解缠相位到高程数据的转换。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， R 是斜距差。SAR 图像到地理坐标系InSAR DEM 所处的坐标系是 SAR 系统的斜距方位坐标系，为了将 DEM 提供给最终用户使用，DEM 必须转换到通用的地理坐标系中。SAR 干涉测量的处理流程下图所示。六、 合成孔径雷达差分干涉测量数据

13、处理流程D-InSAR技术通过差分干涉雷达技术获取地表的形变信息，主要有 3 种方法即已知DEM的双轨道法、三轨法和四轨法。 （1）已知 DEM的双轨法。又称“二轨法”。它是利用试验区地表变化前后两幅影像生成干涉纹图，再利用事先获取的 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，减少了工作量。缺点是对于无 DEM 数据的地区无法采用上述方法，另外在引入 DEM 数据的同时有可能带入新的误差。（2）三轨法。它是利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，进行平地效应消除后，分别进行相位解缠，最后利用差分干涉测量原理计算得到地

14、表信息。其主要优点是无需地面信息，数据间的配准容易实现。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，另外选择两幅适合做形变的SAR 图像，而后与三轨法相同，分别进行平地效应消除和相位解缠，最后利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具体处理步骤。二轨法是利用其他的地形数据消除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 DE

15、M 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，利用轨道参数将 DEM 转换到雷达坐标系统，将 DEM 数据转换为相位值。步骤 4：从干涉图中减去利用 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，三轨法利用三幅影像实现形变监测，它不需要其他的辅助 DEM 数据，对于一些无地形数据的变形监测尤为重要。如下图所示，其基本步骤为：步骤 1：两幅干涉图像对生成干涉图 1，进行平地效应消除，干涉图 1 中包含地形信息和形变信息。步骤 2：主图像与第三副图像形成干涉影像对，生成干涉图 2，进行平地效应消除，干涉图 2 仅包含地形信息。步骤 3：对去平地效应的干涉纹图 1 和 2 进行相位解缠。步骤 4：计算形变信息。步骤 5：将形变图投影至地理坐标系中。在三轨法中，相位解缠直接影响所测量的形变结果。并且平地效应的消除方法也对三轨法有很大的影响。在实际研究中，可根据数据情况选择合适的差分算法。-