北京揽宇方圆雷达卫星影像insar技术地面沉降监测中应用

北京揽宇方圆信息技术有限公司1、引言在我国，由于人们过度的开采地下资源，引起的地面形变的问题非常突出。

地表形变问题给当地的环境造成很大的破坏，直接危害着地面建筑设施和人们的生命安全。

因此，对地面形变进行有效的监测可以对研究地表形变的形成机理、变化规律和控制地表变形相当重要，对国民经济的可持续发展有着十分重要的意义。

目前地表形变监测的方法有：传统的大地水准测量、GPS技术、摄影测量和卫星合成孔径雷达差分干涉（DInSAR）测量。

DInSAR是一项新近发展起来的空间对地观测技术，它具有测量精度高、作业范围大、不受天气条件的限制等技术优势，目前DInSAR及其拓展技术已经在火山、地震、冰川、滑坡和地表形变等研究领域得到广泛的应用。

图1-1DInSAR技术的应用领域传统的路面沉降监测方法有很大的局限性：都必须预计出大致的沉降位置和范围，从而布置监测点；都是利用离散的观测点获得的沉降数据来建立经验模型，然后通过数值内插方法得到面状沉降；而且对于人员很难到达的区域，实测困难。

因此，该方法只能反映局部少数的沉降信息，不能直观、宏观地反应整个沉降区域的沉降状况。

表1-1反映了DInSAR技术相比于其他监测方法的优势表1-1DInSAR技术与其他监测方法的对比2、DInSAR技术原理DInSAR是一个多重嵌套的缩写词，由雷达（Radar，Radio Detection and Ranging）、合成孔径雷达（Synthetic Aperture Radar，SAR）、合成孔径雷达干涉测量（SAR Interferometry，InSAR）、合成孔径雷达差分干涉测量（DiferfenceInSAR，DInSAR）嵌套而成。

这种嵌套关系反应了DInSAR 的发展历程。

同时也说明了DInSAR 是合成孔径遥感成像与电磁波干涉两大技术的融合。

因此，在介绍DInSAR 技术之前，首先介绍InSAR 技术的原理。

2.1、InSAR 技术成像原理合成孔径雷达干涉测量（InSAR ）是利用对同一地区观测的两幅SAR 复影像数据进行相干处理，通过相位信息获取地表高程信息及形变信息的技术。

根据成像时间分类，InSAR 可以分为单次轨道和重复轨道两种模式。

单次轨道干涉是指在同一机载或星载平台上装载两幅天线，其中一幅天线发射信号，两幅天线都接受地面回波信号，并利用获取的数据进行干涉处理。

重复轨道干涉是指同一传感器或相似传感器按照平行轨道两次对地成像，分别发、收信号，利用得到的数据进行干涉处理。

本文以重复轨道干涉测量来介绍InSAR的基本原理。

图2-1InSAR 几何原理图如图（2-1）显示了重复轨道干涉测量所需关键参数及卫星轨道与地面目标的相对几何关系。

S 1和S 2分别表示主辅图像传感器，B 为空间基线，H 为主传感器相对地面的高度，R 1和R 2分别为主辅图像斜距，α为基线B 与水平方向的倾角，θ为主图像入射角，P 为地面目标点，h 为P 点高程，P0为P 在参考平地上的等斜距点。

B ∥和B ⊥分别表示空间基线B 在雷达视线方向S 1与垂直视线方向上的投影。

它们的表达式如下：(2-1)通过对同一目标的重复观测，SAR 卫星天线就可得到同一目标的两次回波信号。

回波信号主要由两种信息组成：一是回波信号的强度信息，用于SAR 的成像处理，可得到地面目标区域的二维图像；二是回波信号的相位信息，用于构建目标的高度信息，它是干涉测量技术赖以实现的关键信息。

根据波动方程，两次的回波信号可用复数分别表示为：(2-2)sin()cos()B B B B θαθα⊥=-=-∥111222()()exp(())()()exp(())S R A R i R S R A R i R ψψ==其中，A(R1)、A(R2)为两回波的振幅，ψ(R 1)、ψ(R 2)为回波相位。

从式（2-2）可以看出，雷达回波的振幅与相位都是雷达天线到目标P 的路径的函数。

雷达卫星以复数形式记录下回波信号并处理成影像，这种影像叫做SAR 单视复数影像，雷达卫星在每次进行观测时都会生成一幅单视复数影像。

将雷达两次观测生成的的两幅SAR 单视复数影像经过精确配准处理后，对应的像素值进行共轭相乘得到的乘积乘积的辐角就是干涉相位。

实际计算中通常取乘积的取乘积的虚部与实部比值的反正切值作为干涉相位，即（2-3）式中：arg 表示辐角；*表示复数的共轭；I 表示复数的虚部；R 为实部。

从式（33）可知，干涉相位φ的取值区间为[-π,π]，是不足整周数的相位值，也称为相位主值或缠绕值。

当干涉相位以影像形式表现出来就称干涉图或干涉相位图。

将式（3-2）代入式（3-3）可得，干涉相位即为两回波信号相位之差：（2-4）此处只取了记录的干涉相位的主值。

考虑到雷达成像的几何关系还有地物本身具有的后向散射特性，回波信号相位可表示如下：（2-5）上式中右边第一项为雷达到地面目标点的斜距所产生的相位，第二项为地物本身后向散射特性所产生的相位，它是一个随机变量。

系数“2”表示收发双程，如果针对的是单天线接收模式，则不需要乘2；λ表示雷达波长；arg{U1}和arg{U2}为不同散射特性形成的随机相位。

如果在雷达两次观测时间内地物的散射特性没有发生变化，即不存在时间失相关，则两次回波信号的散射相位相等。

这时两回波信号的相位之差（干涉相位）可表示如下：（2-6）由上式可以得出，干涉相位是雷达天线与目标点的两次斜距之差的函数。

另外，根据图3-1的三角关系可推出以下关系：（2-7）根据图3-1的成像几何关系结合余弦定理可得：（2-8）利用式（3-6）—(3-8)，根据图2-1的成像几何关系，可推出目标点P 的高程H 与干涉相位φ的函数关系如下：**11221122*1122[()()]arg [()()]arctan {}[()()]I S R S R S R S R R S R S R φ==1112222()2a r g {}2()2a r g {}R R U R R U πψλπψλ=-+=-+12124()()()R R R R πφψψλ=-=--2211sin()2B R R R B R θα∆=-=-+()22211()sin 2R R R B R Bθα+∆---=12()()R R φψψ=-(2-9)根据上式，再结合卫星的轨道参数信息和影像的相位信息即可反演出地面点的高程信息。

2.2DInSAR 的基本原理合成孔径差分干涉测量（DInSAR ）技术是InSAR 技术的拓展，是以合成孔径雷达复数数据提取的相位信息为信息源获取地表变化信息的一项技术。

DInSAR 利用同一地区的两幅干涉图像，其中一幅是形变前的干涉图像，另一幅是形变后获取的干涉图像，然后通过差分处理（除去参考椭球相位贡献和地形起伏对干涉相位的影响）来获取地表形变的测量技术。

因为雷达两次成像期间，目标点发生了形变，再考虑进外界环境的变化，干涉图中的相位就会包含有多个相位贡献。

在重复轨道条件下，如果两幅影像获取期间发生了地表形变，那么两幅影像形成的干涉条纹中主要包含以下相位信息：(2-10)式中，Φflat 表示平地相位；Φtopo 表示地形相位；Φmov 表示两次成像期间目标点沿雷达视线向移动引起的相位变化；Φatm 表示由大气效应引起的相位；Φnoise 表示由噪声引起的相位。

前述分析表明，形变相位包含于干涉相位之中，要获取形变相位就必须从干涉相位中除去平地相位、地形相位以及大气延迟和热噪声相位。

根据去除相位时采用方法的不同，DInSAR 技术又可分为“二轨法”、“三轨法”和“四轨法”，三种方法的基本原理有相似之处，都是从含有“变形+地形”的干涉图中除去“地形”的影响，差异之处在于数字高程模型的生成方法。

本文以“二轨法”为例阐述了DInSAR 的数据处理流程：221-()4cos cos +2sin()2B h H R H B λφπθθλφθαπ=-=--f l a t t o p o m o v a t m n o i s e f f f f f f =++++图2-2“二轨法”流程图2.3InSAR技术的前期准备2.3.1SAR影像数据目前可供形变监测使用的SAR卫星数据如表2-1所示。

表2-1可用的SAR影像数据源2.3.2InSAR技术可用软件InSAR处理的软件有很多如瑞士的GAMMA，瑞士sarmap公司基于ENVI开发的SARscape，荷兰Delft大学的Doris，加拿大Atlantis公司的Earthview等等，这里简单介绍一下GAMMA，ENVI SARscape，Doris这三个软件。

（1）GAMMA软件GAMMA软件能够完成将SAR原始数据处理成数字高程模型、地表形变图、土地利用分类图等数字产品的整个过程。

该软件可以分成如下几部分：A.组件式的SAR处理器(MSP)；B.干涉SAR处理器（ISP）；C.差分干涉和地理编码（DIFF&GEO）；D.土地利用工具（LAT）和干涉点目标分析（IPTA）。

除此之外，GEO软件包中还提供了图像的配准和地理编码功能。

对于那些在不太稳定的机载遥感平台上获取的雷达数据，运动补偿软件包（MOCOM）中专门提供了一些高级的处理方法。

每一个软件包都是组件式的，因此用户可以按自己喜欢的方式来使用。

界面如图2-3所示。

图2-3GAMMA软件界面（2）ENVI SARscapeENVI SARscape由瑞士sarmap公司研发，是国际知名的雷达图像处理软件。

该软件架构于专业的ENVI遥感图像处理软件之上，提供图形化操作界面，方便用户轻松将原始SAR数据进行处理和分析，输出SAR图像产品、数字高程模型（DEM）和地表形变图等信息，并可以将提取的信息与光学遥感数据、地理信息集成在一起。

当前，SARscape主要应用于地形数据（DEM）提取、地表沉降监测、滑坡/冰川移动监测、目标识别与跟踪、原油泄漏跟踪、作物生长跟踪、农作物产量评估，以及洪水、火灾和地震的灾害评估等领域。

界面如图2-4所示。

（a）ENVI5.0的SARscape界面（b）ENVI Classic的SARscape界面图2-4ENVI SARscape界面（3）Doris软件Doris软件的全称是Delft Object-oriented Radar Interferometric Software。

是荷兰Delft 大学Kamper等人，使用面向对象的c++语言编写的，软件主要用来研究地表的三维地形及地表变形。

Doris为完全免费软件，其源代码是开放的，利于研究者开发使用，软件主要运行环境为Unix操作系统，在Linux系统或Windows Cygwin操作环境下运行效率也很高。