D_InSAR原理及其数据处理流程

第38卷　增刊2008年11月　　　　　　　　　吉林大学学报(地球科学版)JournalofJilinUniversity(EarthScienceEdition)　　　　　　　　　Vol.38　Sup.Nov.2008D-InSAR原理及其数据处理吕乐婷,陈圣波,车大为,刘银萍吉林大学地球探测科学与技术学院,长春　130026　　摘要:合成孔径雷达是近20年发展起来的一种空间对地观测技术,目前已被广泛应用于获取地信息及地表形变。介绍了D-InSAR基本原理,发展以及在其地学方面的应用。并对三轨D-InSAR数据处理的算法及流程作了简要介绍。关键词:D-InSAR;地表形变;相位解缠中图分类号:TP75　　　　文献标识码:A作者简介:吕乐婷(1984—),女,辽宁大连人,硕士研究生,主要从事遥感与地理信息系统研究,E-mail:ayier1220@163.com。ThePrincipleandDataProcessingFlowofInterferometrySyntheticApertureRadarLLe-ting,CHENSheng-bo,CHEDa-wei,LIUYin-pingCollegeofGeoExplorationScienceandTechnology,JilinUniversity,Changchun130026,ChinaAbstract:Syntheticapertureradarinterferometryisanewdevelopedandpotentialtechnologyforobservationofearthfromspace,andnowhasbeenwidelyusedinobtainingthesurfaceinformationoftheearth.Inthispaper,thedevelopingandtheapplicationofD-InSARisintroduced,andalsothealgorithmanddataprocessingflow.Keywords:D-InSAR;surfacedeformation;phaseunwrapping0　引　言合成孔径雷达SAR(syntheticapertureradar)是近20年发展起来的一种空间对地观测技术,目前已被广泛应用于获取地表起伏的信息。与传统光学遥感相比,SAR具有全天时全天候,穿透力强,分辨率高等诸多优点。用SAR图像通过干涉测量技术In-SAR(interferometrysyntheticapertureradar)和差分干涉测量技术D-InSAR(differentialinterferometrysyntheticapertureradar)可以进一步得到地面高程信息和地表形变信息。在国外,合成孔径雷达雷达干涉测量已经从早期的论证研究阶段发展到了比较成熟的应用研究阶段,积累了大量经验和研究成果,并且已取得了厘米级的应用精度,而我国在这方面的应用正在起步。虽然在具体应用中还有许多关键技术和限制有待突破与克服,SAR技术的绝对优势在垂直变形监测中已毋庸置疑。1　合成孔径雷达的发展与地学应用1.1　InSAR的发展合成孔径雷达SAR是20世纪50年代末研制成功的一种微波传感器,早期的雷达遥感大多基于单张SAR图像的灰度信息来进行地质调查、极地冰川、土地利用、植被和生态环境监测等。70年代,射电天文领域发展成熟的干涉技术被引入,将覆盖同一地区的两张SAR图像联合处理并提取对应像素的相位差(干涉相位)信息,以此恢复地物信息,从而诞生了InSAR技术,即合成孔径雷达干涉测量。差分干涉测量技术D-InSAR是在雷达干涉测量的基础上发展起来的,它利用遥感卫星多时相的复雷达图像相干信息进行地表的垂直形变量提取,其精度已达到毫米级,且具有前所未有的连续空间覆盖、高度自动化和高精度监测地表变形的能力,为地表变形的自动化监测提供了全新的方法。DOI:10.13278/j.cnki.jjuese.2008.s1.0611.2　InSAR及D-InSAR的地学应用1978年美国国家航空航天局发射的海洋卫星SEASAT上首次装载了合成孔径雷达,由此,星载SAR技术由实验室成功的进入应用领域。发展至今,InSAR测量技术已成为获取地形、地表形变和地物信息的最具潜力的新技术,他的应用领域也得以不断扩展,包括:数字高程模型DEM的获取;地图测绘;生成城市建筑三维透视图以及地球动力学应用。D-InSAR技术通过消除InSAR获取的相位图中地形相位部分,可以获得由于地表运动而造成的地表目标在雷达视线方向上位移所对应的相位贡献。因此广泛用于:(1)地震现象的研究:包括同震、震后和抗震构造的机理研究;(2)火山的下陷与抬升研究:通过对火山的运动规律分析,进行火山爆发的预测研究;(3)冰川研究:通过InSAR技术获取完整的,高分辨率的,高精度的地形数据,以及测量冰流和其他变化;(4)细微地形变化:包括滑坡,地面沉降等地表形变。2　D-InSAR基本原理及数据处理流程2.1　D-InSAR基本原理假定卫星两次对同一地区成像,两副天线接收所信号的路径分别为γ和γ+δr,这时生成干涉图纹两次成像的相位差为γ=4πλδγ,因此我们可在基线距B、两次观测的信号路径长度、视角θ、基线与水平方向夹角sin(θ-α)几个参数之间建立几何关系,并忽略(δr)2,得:δr=Bsin(θ-α)=Bp,γ=4πλBp。(1)　　其中Bp代表基线距在辅图像视线方向上分量的大小。若在同一地区保持主图像相同(即γ和θ保持不变),选择该地区另一幅SAR影像生成新的干涉纹图,则可以将先后生成的两副干涉纹图进行比较和计算。应有γ′=4πλB′p,所以,两幅干涉纹图之间相位的比值应该等于各基线距辅图像视线分量的比值,而与地形起伏无关,即γγ′=BpB′r。如果在第3次观测期间,地表发生了形变,并且这种形变与雷达的分辨单元相比很小,则可认为这三幅SAR影像的雷达信号仍然相关。这时其干涉纹图所提供的相位信息除了地形信息之外,还包含有雷达视线方向的地表形变分量■γ。那么第2幅干涉纹图的相位就应为γ′=4πλ(B′p+■γ)′,进一步可推出雷达视线方向上的地形变量■γ表达式:γ′-B′pBp=4πλ■γ。(2)　　式中左边各量可以根据卫星的轨道参数和干涉相位推算得到,借此进一步获得SAR图像上各个位置处雷达视线方向上的地形变量■γ。2.2　D-InSAR数据处理流程可以看出,合成孔径雷达干涉测量的几何原理并不复杂,但是由于对于同一场景获得两幅相干性高的SAR图像本身具有复杂性,并且从复图像无法直接获得干涉相位的真实值,使得InSAR测量成为一个相当复杂的过程。三轨法差分干涉测量是利用三景图像生成两幅干涉纹图,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,最后利用差分干涉原理计算得到地表形变信息。三轨法的主要优点是无需地面信息,数据间的配准较易实现。缺点是相位解缠的好坏将影响最终结果。其基本步骤为:(1)两幅干涉图像对生成干涉图1,进行平地消除,干涉图l中包含地形信息和形变信息。(2)主图像与第三幅图像形成干涉图像对,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。(3)对去平地效应的干涉图1和2进行相位解缠。(4)利用公式(2)进行形变计算。(5)将形变图投影至地理坐标系中。3　结　语InSAR是一个交叉性很强的新领域,涉及对地观测,电磁波传播,信号处理,影像处理与模式识别,空间大地测量和数字摄影测量等多个领域。用D-InSAR技术监测地表变形的优点更是不言而喻的,但要实际用来取代水准测量监测微小的地面垂直变形还需要克服许多技术难点,其中最重要的是克服相干性的限制和突破相位解缠的障碍。经过了20多年的研究,随着多颗遥感卫星的成功发射并投入使用,InSAR技术本身及其应用都得到了快速发展,应用领域不断扩大。随着电子技术的不断改进以及旨在提高图像清晰度的信号处理算法的不断成熟,高分辨率的SAR系统将必成为今后发展的趋势。233增　刊　　　　　　　　　　　　　吕乐婷,等:D-InSAR原理及其数据处理流程　　　　　　　　　　图1　星载合成孔径雷达差分干涉测量数据处理流程图Fig.1　theflowchartofD-InSAR'sdataprocessing参考文献:[1]　MassonnetD,RossiM,CarmonaC,etal.Thedisplace-mentfieldoftheLandersearthquakemappedbyraderin-terferometry[J].Nature,1993,364:138-142.[2]　ZebkerHA,RosenPA,GoldsteinRM,etal.Onthederivationofcoseismicdisplacementfieldsusingdifferen-tialradarinterferometry:thelandersearthquake[J].Geo-physRes,1994,99(B10):19617-19634.[3]　王超,张红,刘智.星载合成孔径雷达干涉测量[M].北京:科学出版社,2002.[4]　廖明生,林晖.雷达干涉测量———原理与信号处理[M].北京:测绘出版社,2003.[5]　张景发,李发祥,刘钊.差分InSAR处理及其应用分析[J].地球信息科学,2000,2(3):58-64.[6]　李振洪,刘经南,许才军.D-INSAR数学模型的探讨[J].大地测量与地球动力学,2003,23(2):88-91.[7]　单新建,马瑾,王长林,等.利用差分干涉雷达测量技术(D-InSAR)提取同震形变场[J].地震学报,2002,24(4):413-420.234　　　　　　　　　　　吉林大学学报(地球科学版)　　　　　　　　　　　　　　　第38卷