面向震害檢測(cè)的SAR相干分析處理平臺(tái)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)*

李 劼 葉成名 苗 放 楊秋玲

(成都理工大學(xué)地球探測(cè)與信息技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，成都 610059)

面向震害檢測(cè)的SAR相干分析處理平臺(tái)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)*

李 劼 葉成名 苗 放 楊秋玲

(成都理工大學(xué)地球探測(cè)與信息技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，成都 610059)

根據(jù)震區(qū)相干分析的需求，在Windows系統(tǒng)平臺(tái)和VC++6.0編譯環(huán)境中，實(shí)現(xiàn)了用戶交互式操作的基礎(chǔ)平臺(tái)。該平臺(tái)主要包括數(shù)據(jù)讀取、影像配準(zhǔn)和相干性分析與評(píng)價(jià)等功能模塊，并以ERS數(shù)據(jù)為試驗(yàn)，驗(yàn)證了平臺(tái)的高可靠性和高效性。

SAR;數(shù)據(jù)處理平臺(tái);程序設(shè)計(jì);相干性分析;ERS

1 引言

遙感影像變化檢測(cè)作為地震區(qū)域地表變化信息獲取的重要手段，能夠?qū)崟r(shí)、準(zhǔn)確和自動(dòng)獲取震區(qū)相關(guān)信息［1，2］。合成孔徑雷達(dá)(SAR)憑借全天時(shí)、全天候和高精度等特點(diǎn)被廣泛用于地形制圖、資源探測(cè)以及災(zāi)害監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域，它很好地解決和利用了有限的雷達(dá)天線長(zhǎng)度來(lái)獲取高分辨率雷達(dá)圖像的問(wèn)題［3］。面向地震災(zāi)區(qū)的震害特征而搭建SAR數(shù)據(jù)處理基礎(chǔ)平臺(tái)，進(jìn)行地震震區(qū)相干性分析和評(píng)估，無(wú)疑是有意義的。

2 SAR數(shù)據(jù)處理基礎(chǔ)平臺(tái)框架設(shè)計(jì)［4－7］

借鑒當(dāng)前SAR數(shù)據(jù)處理的基本思路，數(shù)據(jù)處理基礎(chǔ)平臺(tái)基本框架的設(shè)計(jì)包含以下5個(gè)主要功能模塊：

1)基本參數(shù)初始化和SAR影像數(shù)據(jù)讀入模塊。用于平臺(tái)基本參數(shù)的初始化和讀入震前震后SAR影像的相關(guān)數(shù)據(jù);

2)SAR影像數(shù)據(jù)裁剪模塊。根據(jù)地震受災(zāi)區(qū)域和針對(duì)性研究區(qū)域的相關(guān)信息，對(duì)震前震后影像按圖像行列號(hào)進(jìn)行裁剪;

3)SAR影像數(shù)據(jù)配準(zhǔn)模塊。利用主輔影像配準(zhǔn)點(diǎn)間的相關(guān)性分析結(jié)果、先驗(yàn)知識(shí)和地震要素信息，對(duì)震前震后主輔影像依次進(jìn)行軌道級(jí)配準(zhǔn)、像元級(jí)配準(zhǔn)和目標(biāo)級(jí)配準(zhǔn);

4)SAR影像數(shù)據(jù)重采樣模塊。進(jìn)行主輔影像數(shù)據(jù)方位向?yàn)V波，然后對(duì)輔影像按照配準(zhǔn)模塊中得到的偏移值數(shù)據(jù)進(jìn)行重新采樣;

5)SAR影像干涉數(shù)據(jù)生成模塊。計(jì)算出對(duì)應(yīng)點(diǎn)的相位差，然后去除“平地效應(yīng)”，得到干涉數(shù)據(jù)，最終進(jìn)行震區(qū)相干分析，得到結(jié)果。

SAR數(shù)據(jù)處理基礎(chǔ)平臺(tái)的框架結(jié)構(gòu)如圖1。

圖1 SAR數(shù)據(jù)處理基礎(chǔ)平臺(tái)框架結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Frame structure of the SAR data processing platform

3 平臺(tái)模塊實(shí)現(xiàn)方法

通過(guò)SAR數(shù)據(jù)處理平臺(tái)的基本參數(shù)初始化，將SAR影像數(shù)據(jù)不同格式的信息，通過(guò)函數(shù)讀入到指定的變量和緩存中，供后續(xù)模塊處理使用。

利用SAR影像數(shù)據(jù)裁剪模塊將讀入的SAR原始數(shù)據(jù)處理成SLC數(shù)據(jù)，后根據(jù)所檢測(cè)的目標(biāo)區(qū)域信息，按照距離向和方位向的不同比例進(jìn)行剪切，得到指定目標(biāo)區(qū)域主輔影像的原始(.raw)數(shù)據(jù)。

根據(jù)SAR影像數(shù)據(jù)配準(zhǔn)模塊計(jì)算出不同精度的輔影像相對(duì)于主影像的偏移值。偏移值的定義為：

式中，Ps(l，p)為輔影像上某配準(zhǔn)點(diǎn)的坐標(biāo)，Pm(l，p)為主影像某配準(zhǔn)點(diǎn)的坐標(biāo)，offset(l，p)為坐標(biāo)系中的偏移值。

軌道級(jí)粗配準(zhǔn)是通過(guò)讀入主輔影像的軌道信息計(jì)算出相應(yīng)的基線值、基線方位向、軌道夾角等參數(shù)，再根據(jù)主圖像中心點(diǎn)的坐標(biāo)，計(jì)算出其中任意一點(diǎn)在球面坐標(biāo)系中的位置，再按照多普勒方程計(jì)算主輔影像相應(yīng)點(diǎn)之間軌道級(jí)配準(zhǔn)偏移值。軌道級(jí)粗配準(zhǔn)的配準(zhǔn)精度為30個(gè)像素。

像元級(jí)配準(zhǔn)是在頻率域中通過(guò)對(duì)主輔影像按照1個(gè)像元的精度進(jìn)行配準(zhǔn)，通過(guò)相干性分析計(jì)算主輔影像各位置點(diǎn)的相關(guān)系數(shù)，按照相關(guān)性最高的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行配準(zhǔn)，得到各配準(zhǔn)點(diǎn)的偏移值。像元級(jí)的配準(zhǔn)精度為1個(gè)像素。

部分實(shí)現(xiàn)代碼如下：

目標(biāo)級(jí)配準(zhǔn)是在添加相關(guān)雷達(dá)信號(hào)傳輸模型和雷達(dá)反模型的基礎(chǔ)上，利用像元級(jí)配準(zhǔn)中得到的偏移值，在頻率域中通過(guò)按照配準(zhǔn)窗口中的目標(biāo)級(jí)的精度，計(jì)算幅度圖中對(duì)應(yīng)點(diǎn)的相關(guān)系數(shù)，最后通過(guò)相關(guān)系數(shù)的大小判別得到主輔影像的對(duì)應(yīng)點(diǎn)的偏移值，生成相應(yīng)目標(biāo)級(jí)配準(zhǔn)點(diǎn)的偏移值。目標(biāo)級(jí)配準(zhǔn)的配準(zhǔn)精度為亞像素級(jí)。

部分實(shí)現(xiàn)代碼如下：

影像方位向?yàn)V波是利用粗略的配準(zhǔn)結(jié)果計(jì)算出多普勒中心頻率多項(xiàng)式，對(duì)主輔原始影像(.raw文件)進(jìn)行方位向上的頻譜濾波，使得后續(xù)計(jì)算數(shù)據(jù)(震前震后影像數(shù)據(jù))更加平滑。

配準(zhǔn)多項(xiàng)式估算是通過(guò)設(shè)定相關(guān)系數(shù)臨界值和異常值的大小，利用精配準(zhǔn)中得到的偏移值，使用最小平方根方法計(jì)算出二維多項(xiàng)式模型。輔影像重采樣是按照經(jīng)過(guò)配準(zhǔn)步驟得到的輔影像相對(duì)于主影像的偏移值，在以主影像的網(wǎng)格下對(duì)kernel方程輔影像進(jìn)行插值重采樣，生成按配準(zhǔn)偏移值進(jìn)行重采樣的數(shù)據(jù)文件。

干涉相位數(shù)據(jù)生成是讀入主輔影像數(shù)據(jù)的復(fù)數(shù)數(shù)據(jù)，在主影像數(shù)據(jù)上計(jì)算參考相位值，減去輔影像上的參考相位值，計(jì)算出復(fù)數(shù)型干涉數(shù)據(jù)，最終得到干涉相位數(shù)據(jù)。計(jì)算公式為：

式中，I為復(fù)數(shù)型干涉數(shù)據(jù)，M為主影像復(fù)數(shù)數(shù)據(jù)，S*為共軛后重采樣輔影像復(fù)數(shù)數(shù)據(jù)，R*為共軛后參考相位復(fù)數(shù)數(shù)據(jù)，Iimag是干涉數(shù)據(jù)虛部，Ireal是干涉數(shù)據(jù)實(shí)部，φ為相位影像數(shù)據(jù)，φM是主影像相位數(shù)據(jù)，φS為輔影像相位數(shù)據(jù)，φR為參考相位數(shù)據(jù)。

部分實(shí)現(xiàn)代碼如下：

平地相位計(jì)算是利用得到的干涉相位數(shù)據(jù)，計(jì)算出由于參考面所造成的平地相位的修正值。

利用逐點(diǎn)計(jì)算出的平地相位數(shù)據(jù)結(jié)果消除平地效應(yīng)。消除平地效應(yīng)的公式為

式中，I復(fù)數(shù)干涉數(shù)據(jù)，Rφ是對(duì)于一個(gè)確定點(diǎn)的參考相位。

部分實(shí)現(xiàn)代碼如下：

利用生成的復(fù)數(shù)型干涉數(shù)據(jù)和消除了平地效應(yīng)的參考相位數(shù)據(jù)計(jì)算相關(guān)系數(shù)，生成相關(guān)系數(shù)文件，并結(jié)合最后生成的(濾波后)干涉數(shù)據(jù)文件，進(jìn)行區(qū)域建筑物震害量化分析。

影像相位濾波是將得到的復(fù)數(shù)型干涉數(shù)據(jù)，使用goldstein方法對(duì)圖像進(jìn)行濾波處理，降低噪聲值，得到效果更好的干涉數(shù)據(jù)，通過(guò)此數(shù)據(jù)進(jìn)行區(qū)域建筑物震害量化分析，得到建筑物受損程度的量化結(jié)果。

平臺(tái)中有關(guān)一維、二維傅里葉正逆變換計(jì)算使用的是FFTW庫(kù)函數(shù)［4］。

4 平臺(tái)交互和數(shù)據(jù)試驗(yàn)

以2001昆侖山Ms8.1地震后東昆侖可可西里湖區(qū)ERS數(shù)據(jù)［7］作為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，利用本文研制的SAR數(shù)據(jù)處理平臺(tái)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到的像元級(jí)配準(zhǔn)偏移值如表1所示，相應(yīng)的處理結(jié)果如圖2。從圖2可以看見(jiàn)受地震破壞引起的地形變化的波狀條紋。

表1 像元級(jí)配準(zhǔn)偏移值列表(部分)Tab.1 List(Part)of offset of matching at pixed level

圖2 數(shù)據(jù)處理后的影像圖Fig.2 Images after the data processing

表1表示在完成軌道級(jí)粗配準(zhǔn)，得到相應(yīng)的軌道級(jí)粗配準(zhǔn)偏移值的基礎(chǔ)上，進(jìn)行像元級(jí)配準(zhǔn)得到的配準(zhǔn)結(jié)果。表中的點(diǎn)號(hào)表示主輔影像上選取的配準(zhǔn)點(diǎn)的序列號(hào)，行號(hào)和列號(hào)表示主影像上選取的配準(zhǔn)點(diǎn)在圖像上的行列序列號(hào)，行偏移值代表輔影像上對(duì)應(yīng)配準(zhǔn)點(diǎn)相對(duì)應(yīng)主影像的行偏移大小，偏移方向?yàn)橼呄蛴跋竦撞?，列偏移值代表輔影像上對(duì)應(yīng)配準(zhǔn)點(diǎn)相對(duì)主影像的列偏移值大小。偏移方向?yàn)橼呄蛴跋裼覀?cè)。配準(zhǔn)精度為1個(gè)像素。

如圖2所示：圖2(a)為利用配準(zhǔn)得到的偏移值數(shù)據(jù)對(duì)輔影像進(jìn)行的重新采樣的影像;(b)為生成干涉數(shù)據(jù)后的影像，圖中紅色區(qū)域?yàn)椴糠州^為明顯的干涉條紋;(c)為消除數(shù)據(jù)的平地相位之后的相位強(qiáng)度疊加影像，圖中波狀條紋區(qū)域?yàn)榈卣鹨鸬牡乇硇巫冚^為明顯的區(qū)域;(d)為進(jìn)行相位濾波后的相位影像圖，圖中波狀條紋區(qū)域?yàn)橛傻卣鹨鸬牡乇硇巫冚^為明顯的區(qū)域。

4 結(jié)語(yǔ)

此平臺(tái)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)對(duì)于利用地震前后SAR圖像數(shù)據(jù)和震區(qū)的震害特征、破壞規(guī)律等先驗(yàn)知識(shí)，開(kāi)展多特征、多信息的定量化檢測(cè)具有一定意義。

1 陳文凱，等.地震前后遙感影像分形特征研究［J］.大地測(cè)量與地球動(dòng)力學(xué)，2010，(6)：24-30.(Chen Wenkai，et al.Fractal characteristic analysis for remote sensing images before and after earthquake［J］.Journal of Geodesy and Geodynamics，2010，(6)：24-30)

2 蔡山，等.利用遙感資料繪制汶川地震烈度圖方法研究［J］.大地測(cè)量與地球動(dòng)力學(xué)，2009，(1)：31-35.(Cai Shan，et al.Study on mapping seimic intensity distribution from RS datae［J］.Journal of Geodesy and Geodynamics，2009，(1)：31-35)

3 舒寧.雷達(dá)影像干涉測(cè)量原理［M］.武漢：武漢大學(xué)出版社，2003.(Shu Ning.The principles of radar interferometry［M］.Wuhan：Wuhan University Press，2003)

4 Frigo M and Johnson S.The design and implementation of FFTW3［J］.Proceedings of the IEEE，2005，93(2);216-331.

5 林卉，等.InSAR干涉圖濾波方法研究［J］.測(cè)繪學(xué)報(bào)，2005，34(2)：113-117.(Lin Hui，et al.Research on filtering methods of InSAR interferogram［J］.Acta Geodaetica et Cartographica Sinica，2005，34(2)：113-117)

6 李紅英，王耀南.基于VC的INSAR原始數(shù)據(jù)讀取與處理成像［J］.測(cè)繪工程，2006，15(1)：14-16.(Li Hongying and Wang Yaonan.Raw data reading and processing images of InSAR based on VC［J］.Engineering of Surveying and Mapping，2006，15(1)：14-16)

7 Miao Fang，Ye Chengming and Kong Xiangsheng.D-InSAR to inpect the active fault of Kunlun mountain on Tibetan plateau［R］.Second International Conference on Space Information Technology，2007.

DESIGN AND IMPLEMENTATION OF SAR DATA PROCESSING PLAFORM FOR COHERENCE ANALYSIS IN EARTHQUAKE DAMAGE DETECTION

Li Jie，Ye Chengming，Miao Fang and Yang Qiuling
(Key Lab.of Earth Exploration＆Information Techniques of Ministry of Education，Chengdu University of Technology，Chengdu 610059)

The implement of a basic SAR(Synthetic Aperture Radar)data processing platform is extremely important for coherence analysis by using SAR image in the earthquake disaster area.After demanding analysis，methods research and workflow design，a kind of user interaction platform based on Windows and VC++6.0 is introduced.The functions of this platform mainly contains data inputting，image registration，coherence analyzing and estimating，and so on.The results show high reliability and high efficiency of the platform for processing ERS(European Remote Sensing Satellite)data.

SAR;data processing platform;program design;coherence analysis;ERS

1671-5942(2011)05-0119-05

2011-03-27

國(guó)家自然科學(xué)基金(41001253)，四川省科技支撐計(jì)劃(2009SZ0108)

李劼，男，1986年生，碩士研究生，主要研究方向空間信息技術(shù)、雷達(dá)遙感.E-mail：leejay23956157@hotmail.com

P231

A