基于SARscape的D-INSAR數(shù)據(jù)處理分析

肖宇寧

摘 ?要：隨著社會經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，中國城市的災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)不斷增加。近年來，雖然各城市在災(zāi)害監(jiān)測和治理能力方面取得一定成效，但城市級的災(zāi)害防范仍面臨不斷挑戰(zhàn)。合成孔徑雷達(dá)差分干涉測量技術(shù)（D-INSAR）在城市地表形變監(jiān)測方面的優(yōu)勢，使得其成為打造智慧城市的重要技術(shù)手段。SARscape軟件平臺功能的不斷完善，為D-INSAR數(shù)據(jù)的高效處理提供了可能性。

關(guān)鍵詞：D-INSAR ?SARscape ?地表形變

中圖分類號：TP79 ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-3791（2020）06（c）-0043-02

合成孔徑雷達(dá)差分干涉測量技術(shù)（Differential Interferometry Synthetic Aperture Radar，D-INSAR）是由合成孔徑雷達(dá)干涉測量技術(shù)發(fā)展而來的，是一種目前較為新穎的地表形變觀測方法[1]。該技術(shù)不受天氣影響、響應(yīng)速度快、觀測精度高、觀測范圍廣的特點(diǎn)使其在災(zāi)害預(yù)測、風(fēng)險(xiǎn)防控、應(yīng)急響應(yīng)、風(fēng)險(xiǎn)評估、城市治理等領(lǐng)域的應(yīng)用越來越多。特別是在城市地表形變監(jiān)測普查方面的優(yōu)勢，使得其成為打造智慧城市的重要技術(shù)手段。

SARscape由SARMAP公司研發(fā)，是國際知名的雷達(dá)圖像處理軟件。該軟件架構(gòu)于專業(yè)的ENVI遙感圖像處理軟件之上，具有專業(yè)的干涉測量技術(shù)。SARscape由6個(gè)模塊組成，即核心模塊、聚焦擴(kuò)展、濾波擴(kuò)展、掃描式干涉雷達(dá)處理擴(kuò)展、極化雷達(dá)處理擴(kuò)展、干涉疊加擴(kuò)展。使用者可根據(jù)需求選擇不同功能模塊及其不同組合。

1 ?D-INSAR數(shù)據(jù)處理流程

運(yùn)用SARscape進(jìn)行雷達(dá)差分干涉（D-INSAR）處理包含7個(gè)步驟：數(shù)據(jù)聚焦、基線估算、干涉圖生成、自適應(yīng)濾波和相干生成、相位解纏、軌道精煉與重去平、形變轉(zhuǎn)換。且有若干模塊包含不同的操作步驟。如在干涉圖生成中，包括干涉數(shù)據(jù)對配準(zhǔn)和多視處理，在處理之后再生成干涉圖，而且生成的干涉圖是基于參考DEM圖像基礎(chǔ)上經(jīng)過去平后的干涉圖像。

2 ?D-INSAR數(shù)據(jù)處理應(yīng)用

基于SARscape軟件對兩幅TerraSAR-X圖像進(jìn)行差分干涉處理來獲取該區(qū)域在2011年11月21日至2012年1月4日期間的地表形變信息。

2.1 數(shù)據(jù)聚焦

在運(yùn)用SARscape軟件進(jìn)行差分干涉測量處理時(shí)，其無法直接讀取原始的雷達(dá)數(shù)據(jù)，因此需要對原始的雷達(dá)數(shù)據(jù)進(jìn)行聚焦處理，使其成為單視復(fù)影像（Single Look Complex Image，SLC）。SLC指一景SAR圖像同時(shí)包括了雷達(dá)波振幅和相位兩部分。在SLC基礎(chǔ)上進(jìn)行一系列的處理。

2.2 基線估算

隨著基線長度的增加，兩幅圖像的相干性會降低，當(dāng)基線長度達(dá)到某一極限值時(shí)，圖像完全不相干，這一極限值稱為臨界基線長度，這一效應(yīng)稱為基線去相關(guān)[2]。基線長度只能在臨界基線之內(nèi)，不能任意選擇。但是隨著基線長度的減小，干涉條紋會變得稀疏，反映的地形信息減少，導(dǎo)致高程測量和形變監(jiān)測的精度降低。因此實(shí)際工作中只能在臨界基線之內(nèi)選擇合適的基線長度。

2.3 干涉圖生成

對兩幅精確配準(zhǔn)的影像進(jìn)行復(fù)共軛即得到干涉圖。所生成的干涉相位中，除了地表起伏信息外還包含了地表曲率效應(yīng)，因而無法辨識地表信息，為獲得純粹的地表起伏信息，須消除平地效應(yīng)。SARscape利用相關(guān)的軌道參數(shù)與參考的DEM數(shù)據(jù)進(jìn)行水平地形效應(yīng)的消除，從而減少了地形要素對形變要素帶來的影響。

2.4 自適應(yīng)濾波與相干性生成

采用在頻域上濾除干涉相位噪聲的濾波方法，即Goldstein濾波方法[3]。濾波后，殘差點(diǎn)的比例有了明顯下降，信噪比得到很大提高，有利于相位解纏的進(jìn)行與精度的提高。且經(jīng)過濾波處理后，很多斑點(diǎn)噪聲被消除，從而可以得到很多細(xì)節(jié)信息。

在D-INSAR數(shù)據(jù)處理中，干涉相干是關(guān)鍵量值，它是局部干涉條紋評價(jià)的重要指標(biāo)[4]。干涉圖質(zhì)量可由相干圖判斷，將主影像和輔影像逐點(diǎn)計(jì)算相干系數(shù)，進(jìn)行灰度化處理，生成相干圖。相干圖中，較暗的區(qū)域相干性較低，反之較高。

2.5 相位解纏

相位解纏是D-INSAR數(shù)據(jù)處理生成形變圖像的關(guān)鍵步驟之一。在理想條件下，相位解纏只要提取出相位數(shù)據(jù)在水平和垂直方向的偏微分并求積即可得到整周數(shù)。然而，在實(shí)際的處理中，由于噪聲和數(shù)據(jù)不連續(xù)，導(dǎo)致了相位的不連續(xù)性，簡單的積分方法不再適用。該次試驗(yàn)采用的是最小費(fèi)用流算法來對影像進(jìn)行相位解纏。

2.6 軌道精煉與重去平

在生成形變圖之前，為了保證生成圖像的準(zhǔn)確性，需要對解纏得到的圖像進(jìn)行軌道精煉與重去平處理。利用精確軌道參數(shù)控制點(diǎn)對生成的圖像進(jìn)行處理，使其空間坐標(biāo)信息更加精確。在軌道精煉處理之前，需使用可靠的控制點(diǎn)文件（GCP Vector File），該實(shí)驗(yàn)以相干圖像中相干系數(shù)大的點(diǎn)作為控制點(diǎn)。

2.7 形變圖生成

形變圖的生成是本實(shí)驗(yàn)的最后一步，也是該實(shí)驗(yàn)的目的所在，即運(yùn)用二軌法差分干涉測量得到研究區(qū)域的形變信息。試驗(yàn)結(jié)果見圖1、圖2。

3 ?結(jié)語

該文介紹了合成孔徑雷達(dá)差分干涉測量基本原理?；赟ARscape軟件平臺，闡述了運(yùn)用該軟件進(jìn)行D-INSAR數(shù)據(jù)處理的技術(shù)流程，達(dá)到監(jiān)測地表形變信息的目的。SARscape平臺在D-INSAR數(shù)據(jù)處理過程中操作簡便，且提供了多樣的算法選擇，為不同數(shù)據(jù)源的處理提供了可行性方案。然而，影像質(zhì)量的影響因素多種多樣，因此在數(shù)據(jù)處理過程中應(yīng)盡可能減小負(fù)面影響。如在軌道精煉過程中可選擇多個(gè)GCP點(diǎn)作為穩(wěn)定參考點(diǎn)，從而可減小軌道誤差的影響。如缺少實(shí)測數(shù)據(jù)，可用多數(shù)據(jù)源、多軟件處理的方法聯(lián)合進(jìn)行驗(yàn)證。

參考文獻(xiàn)

[1] 邵澤龍.基于FMCW GBSAR的微形變監(jiān)測技術(shù)研究[D].中國科學(xué)院大學(xué)：中國科學(xué)院國家空間科學(xué)中心，2019.

[2] 王琪潔，尹宏杰，朱建軍，等.一種修正的Goldstein干涉圖濾波方法[J].工程勘察，2009，37（11）：51-55.

[3] 李新武，郭華東，楊虎，等.極化干涉SAR數(shù)據(jù)地表土地類型分類[J].遙感學(xué)報(bào)，2002（6）：507-510.

[4] 唐洪城.多基線InSAR仿真干涉圖相位解纏技術(shù)研究[J].科技視界，2019（32）：7-8.