D-InSAR在地面形变监测中的应用研究

2009年第2期 ·北京测绘· l9 D—InSAR在地面形变监测中的应用研究 邹积亭，刘运明 (北京建筑 工程 路基工程安全技术交底工程项目施工成本控制工程量增项单年度零星工程技术标正投影法基本原理 学院，北京 100044) [摘 要] 主要研究星载重复轨道干涉测量技术的原理、数据处理以及其在地 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 形变监测中的应用。采用 ENVISATASAR影像作为实验数据，围绕 D—InSAR数据处理过程 中的关键技术这一主线，对其中的干涉复图像 对的配准、干涉图的生成、去平地效应、差分、提取地表形变等内容进行 了深入的探讨。 [关键词】 D—InSAR；三轨法；干涉相位；形变监测 [中图分类号] P258 [文献标识码] B [文章编号】 1007—3000(2009)02—4 卫星合成孔径雷达干涉测量(Interferometric Syn— thetic Aperture Radar，简称 InSAR)是正在发展中的极 具潜力的主动式 、高分辨率微波遥感技术，自20世纪 70年代诞生至今已有 30多年的时间。起初，它主要 应用于地形制图和生成数字高程模型，进入 20世纪 90年代，随着 ERS一1／2、JERS一1、Radarsat等雷达卫星 的陆续升空，获得了丰富的全球干涉雷达数据。 美国、德国、法国、加拿大、波兰、意大利等许多国 家的科研人员都在 InSAR的基本原理、模型试验、计 算方法、软件开发和实际应用等方面开展了大量的工 作，并取得了重要的进展。 随着 InSAR技术应用领域的拓展，InSAR技术也 很快被扩展为差分干涉技术(Differential InSAR，简称 D—InSAR)，并应用于测量视线向微小的地表形变。在 地震形变、火山运动、冰川漂移 、城市沉降以及山体滑 坡等应用领域，可提供厘米级甚至更微小的形变监测 精度[41。 InSAR技术所获取的不是离散点的信息，而是大 面积连续的地形信息，可以更好的反映地表形变信 息。因而，InSAR技术在获取空间连续地表位移场方 面具有不可替代的应用潜力，与传统的测量技术相 比，InSAR技术实现了全天时、全天候对地观测 ，覆盖 范围更大、成本更低、空间分辨率更高、可以监测或识 别潜在或未知的地面形变信息。InSAR技术用于形变 监测，非常适合我国幅员辽阔、自然条件复杂，形变观 测技术条件和能力非常有限的情况。 1 D—InSAR形变监测原理 星载 SAR系统所获取的影像中每一像素既包含 地面分辨元的雷达后向散射强度信息，也包含与斜距 (传感器到目标的距离)有关的相位信息。将覆盖同一 地区的两幅雷达影像上对应像素的相位值相减可得 到一个相位差图，即所谓干涉相位图。这些相位差信 息是地形起伏和地表形变等因素的综合体现。差分干 涉便是从干涉相位图中扣除地形及其他因素的影响， 达到提取形变信息的目的[21。 本文以“三轨法”为例，介绍应用于地表形变监测 的 D—InSAR技术的基本原理。如图 1是差分干涉测 量的成像几何示意图。A1和 A2是卫星两次对同一 地区成像的位置(即天线的位置)。在地表未发生形变 前获取第一幅SAR图像 ，则由P点返回的信号为⋯： ／ 一 ＼ s 。)=l s )l exp R一} (1) 图 1 SAR差分干涉测量的成像几何示意图 在地表发生形变后获取第二幅 SAR图像 ，此时 P点返回的信号为： s 2)=l s 2)I exp(一 +AR,I)) (2) 其中，AR 为视线向形变量。这两幅 SAR图像所 形成的干涉纹图的相位既包含了区域的地形信息，又 [收稿 日期】 2008—12—08 [基金项 地理空间信息工程国家测绘局重点实验室资助项 目。 [作者简介】 邹积亭(1961一)，男，副教授 ，北京，研究方向：变形监测与测量数据处理。 ＼ ＼ ／_ ／ ·北京测绘· 2009年第 2期 包含了观测期间地表的形变信息。 一 B∥+ ARe=一竿B sin(01-oq)+ ARd (3) 如果要获取地表的形变信息，则必须消除区域的 地形信息。将形变前的、与第一幅影像间隔时间较短 的第三幅 SAR图像与第一幅影像进行干涉，获取地 形信息，然后再采用差分的方法消除地形的影响，以 获取形变信息。 假设在发生形变前获取第三幅图像，则接收到的 P点信号为： s ㈣=I s， 3)l exp(一 R，) (4) 第三幅图像与第一幅图像形成的干涉纹图，其干 涉相位只包含地形信息： 一 B'／／=- B'sin(02一 2) (5) 由视线向形变量AR 所引起的相位为： 咖-厂 咖- 一 AR (6) 上式左边的各量可由干涉纹图的相位和轨道参数计 算得到，进而可以确定图像每 的视线向形变量△R由 2 D—InSAR数据处理流程 InSAR影像提取地表形变的算法主要包括：选择 合适的SAR干涉数据、复图像对的配准、干涉图的生 成、去平地效应、差分、提取地表形变。以下我们将结 合具体的实验数据来探索 D—InSAR的数据处理流 程。InSAR数据处理流程见图 2： SAR夏图像 1ll SAR复图像 2 复图像粗配准 二二]二二 复图像精配准 二二二[二 辅影像重采样 二二二E二二二 干涉纹图 二二二[二== 平地效应消除 二二二[二二二 差分 地表形变 图2 InSAR数据处理流程见图 本文的实验区域是伊朗东南部克尔曼省巴姆地 区，该地区在 2003年 12月 26日发生了强烈地震，引 起震区大量人员伤亡。欧空局为了将 ENVISAT雷达 数据用于地质灾害监测研究，免费将该区域的三幅影 像提供给科学研究人员。 我们对实验数据进行三轨法差分处理，数据处理 基于 Linux Fedora 7．0操作系统 ，采用荷兰 Delft大学 开发的 Doris (Delft object—oriented radar interferomet— ric software)软件。 表 1 实验数据 ENVISAT—ASAR—SLC 参数 辅影像 1 主影像 辅影像2 卫星 ENVISAT ENVISAT ENVISAT 轨道 6687 9192 9693 波段 C(波长：0．0562356 m) C(波长 ：0．0562356 m) C(波长 ：0．0562356 m) 入射角 22．8 deg 22．8 deg 22．8 deg 影像获取时间 20o3．O6．1l 20HD3．12．O3 2004．01．07 时间基线 一175 days 35 days 基线 496．7 in 586．5 m 2．1 配准 影像配准是干涉处理的第一步，也是最基础、最 关键的一步。它的好坏影响着生成干涉条纹的质量， 进而影响提取 DEM的精度。要生成高质量的干涉条 纹通常要将两幅图像配准至0．1个像素精度。当来 自 邻近轨道上的两幅 SAR复图像精确配准时，它们的 相位差图像会显现出条纹，条纹的变化包含有地表地 形的信息。 1、粗配准 通常是基于卫星轨道数据进行的，假定主图像上 的一点 P，对应的行列值为 Pm(1，P)，该点在辅图像上 所对应的行列值为 Ps(1，P)，则有 Ps(1,p)=Pm(1，P)+ offset(1，P)，粗配准就是利用卫星轨道参数计算图像 对的偏移量 offset(1,p)。其精度约为 30个像元。 2、像元级配准 像元级配准一般采用基于窗口的自动配准技术， 将主辅图像在空间域或频率域进行配准。通常在主图 像上选取匹配窗 ，辅图像上选取搜索窗，在搜索窗内 按行列以不同的整像元偏移量计算匹配窗与对应窗 的匹配质量评价指标，常用的评价参数有相干系数法 (以寻求两幅复图像子区相干系数最大为基准)和频 率极大法 (以寻求两幅复图像子区的最大频率为基 准1，由此得到的配准精度大约为 1个像元。 3、亚像元级配准 亚像元级的精确配准与像元级的配准类似，可以 在空间域或频率域中实现。首先采用合适的插值方法 2009年第2期 ·北京测绘· 21 对主辅图像进行过采样处理，插值间隔为 0．01个像 元。常用的插值核有：Sine(x)、reet(x)、tri(x)等。其次采用 基于窗口的搜索方法进行最大相干估算，寻找可靠的 相对偏移量估算值，采用最小二乘法利用二阶多项式 对偏移量进行拟合，计算复图像对的坐标转换关系， 接着对辅图像进行重采样。一般来说，亚像元级的配 准精度要达到 1／8像元。当配准精度优于 1／8像元时， 所造成的去相干很小(4％左右)，符合 SAR干涉处理 的精度要求。 图3 基于相关系数配准的像元位移矢量图 2．2 干涉 复数干涉图像是通过两幅复图像上相互对应的 各点复共轭相乘得到的，以极坐标的形式来表述，可 得 ： s ， ：A ， ”·A ) )．A ，y) ，州 , y)ei 洲 (7) △ ， = ， 一 z ) (8) 式中，A ，y)为干涉图像的幅度 ，它等于两幅原 SAR复图像的幅度之积；△ ，y)为干涉图像的相位 ， 它等于两幅原 SAR复图像的相位之差。但由于干涉 相位的周期性，干涉得出的不是直接两次成像相位差 的原值 ，而是周期缠绕后的主值，位于(一7『，7r)之间。 2．3 去平地效应 平地效应是指高度不变的平地引起的干涉相位 在距离向和方位向呈现周期性变化的现象。平地效应 使干涉相位图呈现为密集的阴暗相间的干涉条纹，一 定程度上掩盖了地形变化引起的干涉条纹变化。此 时，干涉相位图不能直观地体现地形的变化 ，也给相 位解缠带来了很大的困难。因此，为了保证相位解缠 的顺利进行 ，也为了保证生成 DEM的精度，必须进行 去平地效应。 目前常见的平地效应消除方法有 ：①基于轨道 参数和成像区域中心点的大地经纬度来去除平地效 应；②采用粗精度的全球DEM数据进行平地效应的 图 4 干涉条纹图 图5 去除平地效应的干涉条纹图 消除；③通过估算距离向和方位向的占优势的干涉条 纹频率来计算平地相位，然后消除平地效应。该方法 对相对平坦地区是有效的，但对于地形变化大的地 区，因部分地形变化造成的条纹频率与平地条纹频率 相同，也被去除，造成错误。 2．4 差分 有三种方法可以消除地形因素的影响。一是选取 基线距为0的干涉图像对，则无须考虑地形的影响。 但是目前基线距为 0的干涉图像对很少。二是利用其 他的 DEM数据，基于已有的成像参数模拟干涉纹图， 从而达到消除地形因素的效果。三是利用两幅形变前 的图像实现，它不需要其他辅助 DEM数据，对于一些 无地形数据的区域进行变化监测尤为重要翻。 差分以后，根据公式： = 一 ： 一 AR (9) 在干涉相位图上，通过计算干涉条纹的周期数 ， 从而获得监测区域的形变量。 ENVISAT—ASAR的微波处于 C波段 ，波长是 0．0562356 m，由公式(9)可知，干涉相位每变化一个周 期 ，即 2w，地 面 的视线 向形 变量 变 化 A／2，即 0．0281 178m，从形变干涉条纹图 6可以看出，形变条纹 的周期数大约为 10，从而可以得出视线向形变量为 0．281 178m。根据雷达波的入射角 22．8 deg，我们可以 得到形变区域的垂直位移为：0．259208 m；水平位移 为：0．108961 m。由此可见 ，差分干涉雷达测量对地面 的形变监测不仅在空间上是连续的，而且还可以同时 对水平和垂直方向进行监测，精度可以达到厘米级。 3 结论 合成孔径雷达干涉测量技术(InSAR)是一种新的 空间对地观测技术，它利用合成孔径雷达的相位信息 22 ·北京测绘· 2009年第2期 图 6 形变干涉条纹图 域最具潜力的新技术之一。 4 致谢 感谢 Delft大学(Delft University of Technology)DE— OS(Delft Institute for Earth—Oriented Space Research)研 究中心所提供的免费公用软件。感谢武汉大学张诗玉 博士提供试验数据。 参考文献 来提取地表的地形信息和形变信息。可以监测区域地 [1]廖明生 ，林 晖．雷达干涉测量学原理与信号处理基础 表面的微小变化，精度可达厘米级甚至毫米级，并且 [M】 ．测绘出版社．2003． 具有连续空间覆盖的特征。相对于传统的遥感测绘方 [2】李平湘 ，杨杰．雷达干涉测量原理与应用【M]．北京：测 式，合成孔径雷达是一种主动式 、高分辨率微波成像 绘出版社 ， 2006．12． 传感器。可以实现全天时、全天候对地观测，并且还可 [3]黄世奇，刘代志 ．星载 SAR成像与 SAR图像中一些不 以透过地表和植被获取地表以下的信息。不仅是传统 确定性因素分析[J]．测绘学报，2007—2． 测量方法的有效补充，而且开拓了全新的观测方式和 【4]成英燕，贾有良，党亚民，章传银．用InSAR技术进行 应 【_}j领域，成为未来三维测图与区域地表形变监测领 形变监测的研究『J1．测绘科学，2006—5． Research of Surface Deformation Monitoring By the D-InSAR Technology ZOU Ji—ting，LIU Yun—ming (Beijing University of Civil Engineering and Architecture，Beijing 100044) Abstract： This paper mainly studied the principle of the repeat track interferometry technology，data processing，and its application in surface deformation monitoring．Using ENVISAT ASAR images as the experimental data，rounding the key points of the D—InSAR data processing technology．this paper carried out an in—depth discussion of the single look complex image registration，Interferogram generation，the flatearth Impact subtraction，the differential InSAR， the surface deformation extraction． Key words： Differential Interferometrie Synthetic Aperture Radar；Three Pass；Phase Interferogram；Deform ation monitoring (上接第 25页) 有待我们进一步用实验去考查。同时土地动态监测方 [1]刘慧平，朱启疆．应用高分辨率遥感数据进行土地利 法在土地利用变化的应用中还存在若干问题，例如： 用与覆盖变化监测的方法及其研究进展【Jj．资源科学， 1)如何做好影像的选择、分析与处理； 1999，21(3)：23—27 2)加强其它领域知识与遥感的结合； [2]潘耀忠，陈志军，聂娟，王秀山．基于多源遥感的土地利 3)遥感监测的变化结果后处理。 用动态变化信息综合监测方法研究[J]．地球科学进展， 以上问题都有待我们在理论学习和实验分析中 2002，17(2)：182一l88 讲一 考杳 [3] 李德仁．利用遥感影像进行变化检测[JJ．武汉大学学 报／信息科学版，2003，28(5)：7—1 2 参考文献 【4]卢钰．土地利用动态监测变化信息提取算法评估【Jj．湖 北农学院学报，2002，22(5)：394—396 Review of M onitoring Approaches by Remote Sensing in Land Dynamic Change and Research on Quantitative Assessments CHEN Chun—xi，ZHU Xiao—kun，ZHANAG Hal—tao (Beijing Institute of Surveying and Mapping，100038) Abstract： Based on the development of theoretical research on land dynamic change monitoring，some commonly used detection algorithms by remote sensing are summed up and the characteristics of these approaches are analyzed．Meanwhile，the quantitative assessments on these approaches are presented．Then according to the theoretical analysis，the experiments of three primary methods on three pairs of images are followed to compare the methods and at last the main problems in applications are summarized． Key words： Land Dynamic Change Monitoring；Quantitative Assessment；Landuse；Patch