地形對InSAR相干性的影響分析

王亞男，王宗偉，張 汛

(江蘇省測繪工程院，江蘇 南京 210013)

0 引 言

InSAR(合成孔徑雷達(dá)干涉測量)技術(shù)將合成孔徑雷達(dá)成像技術(shù)與干涉測量技術(shù)成功地進(jìn)行了結(jié)合。利用該技術(shù)不僅可以測量圖像中地物的三維坐標(biāo)，還可以測量形變信息，因此InSAR的應(yīng)用較為廣泛，目前已經(jīng)在地表沉降、地震、滑坡以及冰山移動(dòng)等監(jiān)測中得到廣泛應(yīng)用。隨著該技術(shù)的發(fā)展，其應(yīng)用將會(huì)越來越廣[1]。對于涉及雷達(dá)干涉測量的應(yīng)用來說，干涉相干性是SAR數(shù)據(jù)最重要的質(zhì)量評價(jià)指標(biāo)之一。相干性是干涉性能的本質(zhì)表現(xiàn)，也是SAR衛(wèi)星成像質(zhì)量最直接的衡量標(biāo)準(zhǔn)。相干性的丟失，使得InSAR技術(shù)無法正常提取地面高程模型和地表形變信息等需要利用干涉來進(jìn)行的應(yīng)用，特別是在山區(qū)，這一問題更為突出。文章針對不同地形的影像對其相干性進(jìn)行了計(jì)算和統(tǒng)計(jì)，分析了不同地形的影像相干性特點(diǎn)。

1 InSAR信噪比

信噪比，簡單地說就是信號和噪聲之比，它是衡量圖像質(zhì)量好壞較為常用的一個(gè)指標(biāo)[2]：信噪比高的圖像質(zhì)量好，反之，信噪比低的圖像質(zhì)量差。SAR影像干涉圖的信噪比指的是地形或者形變相位與相位噪聲功率的比值，它與SAR影像的相干系數(shù)關(guān)系非常密切，但與相干系數(shù)相比，它能更加全面地反映相位噪聲和干涉圖的質(zhì)量情況[3]。

2 InSAR相干系數(shù)

為了對InSAR干涉測量數(shù)據(jù)的相干特性進(jìn)行描述，特引入相干系數(shù)這個(gè)參數(shù)。對于復(fù)數(shù)干涉SAR數(shù)據(jù)，其相干系數(shù)的定義如下：

(1)

InSAR相干系數(shù)是干涉相位圖質(zhì)量的直觀描述，又由于相干系數(shù)還體現(xiàn)了地物的后向散射特性，因此它也是地物分類的有效參數(shù)。InSAR相干系數(shù)與其信噪比有著直接的代數(shù)關(guān)系：

(2)

式中，γ為相干系數(shù)，SNR為信噪比。

由式(2)可知，相干系數(shù)與信噪比呈正比關(guān)系，SAR影像的信噪比越高，干涉圖的質(zhì)量就越好，相干系數(shù)也就越大。因此，相干系數(shù)的大小能夠用來表明干涉圖質(zhì)量的好壞[4]。

3 實(shí)驗(yàn)分析

3.1 實(shí)驗(yàn)區(qū)域和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

本次實(shí)驗(yàn)采用的是ALOS PALSAR影像，前后兩景影像的拍攝時(shí)間分別是2009年8月6日和2009年9月21日，以8月6日的影像為主影像，以9月21日的影像為輔影像，空間基線為596.23 m。具體的實(shí)驗(yàn)區(qū)域如圖1所示，涉及句容市、丹陽市以及常州市金壇區(qū)。

3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

由于本次研究的內(nèi)容是SAR影像相干性受地形起伏變化的影響，因此從實(shí)驗(yàn)結(jié)果中裁切了一個(gè)包含平地、丘陵等地形比較復(fù)雜的區(qū)域作為研究區(qū)。首先，計(jì)算研究區(qū)影像的相干圖，結(jié)果如圖2所示。其次，獲取研究區(qū)域的DEM，如圖3所示，然后，計(jì)算出研究區(qū)域的地形坡度，并對計(jì)算的坡度結(jié)果按照每10°進(jìn)行分級，共分為4級，結(jié)果如圖4所示。最后，分別計(jì)算和統(tǒng)計(jì)影像相干圖中對應(yīng)地形坡度等級的相干性，統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表1所示。

表1 不同坡度對應(yīng)的相干系數(shù)值

從統(tǒng)計(jì)結(jié)果中可知，隨著坡度的增大，相干性均呈現(xiàn)出減小的趨勢，這與我們的先驗(yàn)知識相吻合，PALSAR相干圖在0°到20°的相干性相對較好，但是，隨著地形坡度的增加，影像的相干性迅速減小，說明地形坡度的增加對InSAR相干性的影響還是很嚴(yán)重的，這是因?yàn)殡S著SAR影像坡度的增加，影像的畸變就會(huì)隨之增大，影像的信噪比也就隨之減小，信噪比變小直接導(dǎo)致了影像相干性的下降。

4 結(jié) 語

本文針對不同地形對于InSAR相干性的影響進(jìn)行了初步探索，并用PALSAR數(shù)據(jù)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與先驗(yàn)知識相吻合。為了更好地分析地形對InSAR相干性的影響，可能需要不同類型(不同波段、不同分辨率)的SAR數(shù)據(jù)來進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，因此還需要進(jìn)一步探索和研究。