淺析InSAR數(shù)據(jù)處理可視化技術(shù)

劉 兵 黃地龍 肖在昌

(成都理工大學(xué)計算機科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，四川 成都 610059)

1.引言

InSAR利用合成孔徑雷達(dá)的相位信息提取地表的三維信息和高程變化信息，具有以下顯著的特點：獲取高精度的地表信息，檢測陸地表面和冰雪表面的微小變化，獲取毫米級高精度、全天候高可靠性的地表變化信息。Doris軟件實現(xiàn)了InSAR的整個處理流程并在許多環(huán)節(jié)提供多種算法，然而Doris軟件人機交互性差、操作過程繁瑣、不方便子功能級的數(shù)據(jù)處理，據(jù)此，本文詳細(xì)分析了Doris系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理流程及改善Doris系統(tǒng)缺陷的技術(shù)。

2.概念及特征描述

合成孔徑雷達(dá)干涉測量技術(shù)簡稱InSAR，通過兩副天線同時觀測或兩次近平行地觀測獲取地面同一景觀的副圖像對，并根據(jù)目標(biāo)與兩天線位置的幾何關(guān)系在副圖像上產(chǎn)生的相位差形成干涉紋圖并通過干涉紋圖建立數(shù)字高程模型。Doris軟件在依賴于公共開源軟件的基礎(chǔ)上開發(fā)了自己的SAR數(shù)據(jù)處理功能模塊，能夠完整地實現(xiàn)InSAR的整個處理流程并在許多環(huán)節(jié)提供了多種算法。Doris可以處理多達(dá)7種衛(wèi)星傳感器的單視復(fù)型雷達(dá)影像數(shù)據(jù)，為研究地表的三維地形和地表變形提供幫助。

Doris軟件利用面向?qū)ο蟮腃++語言編寫，以若干公共開源軟件(如 FFTW、getorb、Snaphu、GMT等)為輔，在許多環(huán)節(jié)提供了多種可選算法，能夠?qū)崿F(xiàn)完整的SAR數(shù)據(jù)處理流程；Doris軟件可運行在 Unix、Linux、WindowsCygwin等操作環(huán)境中，運行效率很高；Doris軟件可以處理多種傳感器的SLC格式的星載雷達(dá)數(shù)據(jù)，可以進(jìn)行InSAR和D-InSAR數(shù)據(jù)處理，生成地理高程模型或地表形變圖。

3.Doris系統(tǒng)處理流程

在Doris系統(tǒng)中，InSAR數(shù)據(jù)處理是SAR數(shù)據(jù)處理的常用方式，通過對兩幅或兩幅以上SAR干涉數(shù)據(jù)對進(jìn)行處理后能夠生成對應(yīng)的地理高程模型或形變模型。InSAR技術(shù)的主要應(yīng)用領(lǐng)域是地形圖測繪和變化監(jiān)測。利用InSAR提取輸入影像數(shù)據(jù)所對應(yīng)的高程信息，相比攝影測量和激光成像，它在獲取全球數(shù)據(jù)、不受天氣、時間限制等方面更具優(yōu)勢。圖1展示了該系統(tǒng)進(jìn)行InSAR數(shù)據(jù)處理的流程，主要包括4個處理過程：InSAR復(fù)型影像數(shù)據(jù)配準(zhǔn)、干涉條紋圖生成、相位解纏和數(shù)字高程模型建立。

圖1 InSAR數(shù)據(jù)處理流程

3.1 影像數(shù)據(jù)的配準(zhǔn)

為保證生成的干涉圖條紋具有良好的相干性，需要對兩幅影像數(shù)據(jù)進(jìn)行配準(zhǔn)。影像數(shù)據(jù)的配準(zhǔn)提供了三個精度級配準(zhǔn)，分別是一級軌道級配準(zhǔn)、二級像素級粗配準(zhǔn)和三級亞像素級精配準(zhǔn)。

3.2 生成干涉紋圖

對SAR數(shù)據(jù)進(jìn)行精配準(zhǔn)以后可計算出每一個同名點上的相位差，生成干涉圖并顯示，為相位解纏做準(zhǔn)備。系統(tǒng)會同時生成相干圖來評價干涉圖質(zhì)量的優(yōu)劣，同時為后續(xù)解纏步驟提供參考數(shù)據(jù)。

3.3 相位解纏

對干涉圖進(jìn)行一定處理如濾波處理后即可進(jìn)行相位解纏。干涉圖質(zhì)量較高或干涉條紋清晰的地方，容易進(jìn)行解纏，而相干系數(shù)值小的地方則配準(zhǔn)較差，不易做解纏處理。為獲得更好的解纏效果，Doris系統(tǒng)調(diào)用外部的Snaphu軟件包進(jìn)行解纏。

3.4 數(shù)字高程模型的建立

為建立最終的數(shù)字高程模型，需將雷達(dá)坐標(biāo)系下的干涉圖轉(zhuǎn)換到大地坐標(biāo)系下。通過地形相位生成過程中得到的DEM模擬的幅度影響與主影像之間的關(guān)系，可實現(xiàn)坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換。

4.Doris系統(tǒng)優(yōu)化技術(shù)

針對Doris系統(tǒng)操作過程繁瑣、人交互性與可視化差，但SAR數(shù)據(jù)處理功能強大的特點，本文以Doris系統(tǒng)為SAR數(shù)據(jù)處理核心基礎(chǔ)，設(shè)計一套SAR數(shù)據(jù)理流程可配置、處理結(jié)果可視化程度高、交互能力強的InSAR數(shù)據(jù)處理可視化系統(tǒng)（VDoris）架構(gòu)。本文設(shè)計的VDoris系統(tǒng)基于Linux操作系統(tǒng)，利用QT Creator完成。該系統(tǒng)為用戶提供一個友好的人機交互界面，無需人工查看和編輯參數(shù)配置文件，只需在流程配置中指定即可確定參數(shù)配置文件和SAR數(shù)據(jù)的處理流程，并從圖形界面顯示區(qū)域獲取和編輯處理結(jié)果、查看流程執(zhí)行進(jìn)度，以便于用戶操作和瀏覽，進(jìn)而從根本上解決Doris軟件本身的人機交互性差、操作過程繁瑣等問題。

依據(jù)VDoris系統(tǒng)開發(fā)的目的，完成該系統(tǒng)需從以下幾方面出發(fā)：

(1)無縫對接Doris軟件的SAR數(shù)據(jù)處理核心功能；Doris系統(tǒng)包含7個功能模塊，各個模塊又包含相對獨立的子功能，在進(jìn)行數(shù)據(jù)處理時是以子功能進(jìn)行數(shù)據(jù)交互和處理的，為使用戶能夠在數(shù)據(jù)處理的同時進(jìn)行模塊級和子功能級操作，必須對各個功能模塊進(jìn)行拆分和集成。拆分工作需分別對Doris軟件的各個模塊、各模塊對應(yīng)的參數(shù)配置文件進(jìn)行功能、結(jié)構(gòu)分析，提取各模塊子功能。集成工作主要體現(xiàn)在界面和代碼上。在圖形用戶界面上，采用樹型結(jié)構(gòu)展現(xiàn)模塊與子功能的從屬關(guān)系，允許用戶根據(jù)自身數(shù)據(jù)處理需求配置數(shù)據(jù)處理流程。在代碼編寫上，采用工廠模式封裝模塊和子功能，并集成Doris系統(tǒng)所有屬性。

(2)用工廠模式方法實現(xiàn)各處理模塊、處理模塊內(nèi)部處理流和參數(shù)配置文件的封裝，構(gòu)建流程管理機制，實現(xiàn)SAR數(shù)據(jù)處理的動態(tài)定制與動態(tài)管理。工廠模式通過將參數(shù)配置文件和各模塊切分成具有獨立功能的段，將每段封裝，減少段與段之間的耦合，便于功能模塊的修改、刪除和添加而不影響系統(tǒng)的使用，從而實現(xiàn)SAR數(shù)據(jù)處理流程的動態(tài)添加和刪除；

(3)采用圖形界面交互方式提供SAR流程可配置方法代替Doris軟件的控制臺鍵盤完成SAR數(shù)據(jù)處理的配置方式。在圖形界面顯示所有可配置數(shù)據(jù)處理流程模塊，用戶可根據(jù)當(dāng)前進(jìn)度配置流程處理待完成的數(shù)據(jù)；

(4)多線程技術(shù)實現(xiàn)SAR數(shù)據(jù)處理和結(jié)果圖像的同步顯示，并通過該方式分離實現(xiàn)對處理結(jié)果的編輯與分析。多線程允許系統(tǒng)使用芯片的不同部分，使其同時完成不同的工作，可以實現(xiàn)在不切斷數(shù)據(jù)處理線程的同時完成對圖像的編輯、分析和顯示。為方便用戶對顯示的處理結(jié)果進(jìn)行進(jìn)一步分析操作，當(dāng)流程執(zhí)行到顯示處理結(jié)果時，系統(tǒng)通過多線程方式添加圖像處理線程，當(dāng)該線程獲得正在執(zhí)行的線程發(fā)送的消息后，會根據(jù)獲取的消息對現(xiàn)有圖像做相應(yīng)處理，更新到圖像界面并保存處理后的圖像；

圖2展示了VDoris系統(tǒng)的業(yè)務(wù)流程示意圖。系統(tǒng)包含圖形用戶界面、業(yè)務(wù)控制處理和Doris處理系統(tǒng)三大部分。圖形用戶界面是VDoris系統(tǒng)與用戶進(jìn)行交互的接口，用戶在圖形界面實現(xiàn)對數(shù)據(jù)處理操作流程的配置、執(zhí)行并確定是否顯示中間處理結(jié)果及對處理結(jié)果的編輯。用戶對界面的操作將通過業(yè)務(wù)控制處理傳遞給Doris系統(tǒng)處理。在進(jìn)行圖像編輯時業(yè)務(wù)控制處理將編輯命令以消息形式發(fā)送給另一個線程做圖像編輯。用戶只需與VDoris的可視化界面進(jìn)行交互即可有選擇地完成SAR數(shù)據(jù)處理。

圖2 VDoris系統(tǒng)的業(yè)務(wù)流程示意圖

5.優(yōu)化和總結(jié)

相比Doris，VDoris系統(tǒng)在繼承Doris軟件核心處理功能的無縫連接的基礎(chǔ)上實現(xiàn)了可視化管理，克服了Doris系統(tǒng)處理結(jié)果可視化環(huán)境差和操作繁瑣等困難，解決了原有Doris系統(tǒng)無法展示InSAR數(shù)據(jù)處理流程的問題，允許用戶根據(jù)自身需求配置、修改數(shù)據(jù)處理流程，引入三層結(jié)構(gòu)化可視化流程管理，可直觀顯示整個系統(tǒng)模塊、模塊流程處理順序、處理結(jié)果，很大程度方便了用戶瀏覽，簡化了SAR數(shù)據(jù)處理過程中所必需的操作，VDoris系統(tǒng)通過進(jìn)程間的通信機制將用戶圖像處理命令傳遞給圖像處理線程，并由圖像處理線程執(zhí)行，將處理結(jié)果顯示到圖像界面。

本文針對Doris系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理流程進(jìn)行了分析并提出了一個可以改善Doris系統(tǒng)弊端的VDoris系統(tǒng)框架，既發(fā)揮了Doris軟件的原有優(yōu)勢，同時又彌補了軟件在操作和結(jié)果展示的不足，具有一定的理論意義和實用價值。

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