GAMMA軟件應用于INSAR相位解纏的研究

1、gamma軟件應用于insar相位解纏的研究岳仁賓1 王 磊2 郭彩立1（1. 重慶市勘測院，重慶 400020；2. 廣州市國土資源和房屋管理局海珠區(qū)分局，廣東 廣州 510245）摘 要 合成孔徑雷達干涉測量（insar）技術，是以合成孔徑雷達的復數據提取的相位信息為信息源來獲取地表三維信息和變化信息的一項新技術，是合成孔徑雷達（sar）衛(wèi)星應用的一個重要拓展。insar數據處理的效果直接決定著insar技術的應用領域。相位解纏是insar數據處理流程中的關鍵流程之一，其精度直接決定著最后獲得的數字高程模型或地表形變結果的精度。本文介紹了采用瑞士的專業(yè)雷達遙感數據處理軟件gamma，對歐空

2、局的envisat-1 衛(wèi)星的asar合成孔徑雷達傳感器所獲取的伊朗bam地區(qū)的三景影像數據進行處理的方法，完成了對這三景數據從干涉數據選取到相位解纏的整個流程，最終獲得其中兩組影像對的相位解纏結果。關鍵詞 攝影測量與遙感技術；gamma；數據處理；相位解纏study of insar phase unwapping using gamma softwareyue ren-bin1, wang lei2, guo cai-li1（1 chongqing survey institute. chongqing, 400020, china；2 hai zhu sub_bureau of land

3、 resources and hosing management of guangzhou municipality, guangzhou 510245, china）abstract：taking the phase information extracted from the plural data acquired by sar as its source, interferometric synthetic aperture radar （insar） is developed to obtain the terrain information and variety details.

4、 it is also a main profile of satellite sar application. the effect of data processing is the crucial factor to insar. phase unwrapping is one of the most important steps of data processing flow, and also the main source of error. this paper using gamma software to deal with three scenes of image da

5、ta in bam area of iran, and the data were acquired by advanced synthetic aperture radar of esas envisat-1 satellite. finally, we successfully obtained the results of phase unwrapping about two pairs of image. keywords： photogrammetry and remote sensing; gamma; data processing; phase unwrapping1 insa

6、r基本原理概述機載或星載sar 系統(tǒng)所獲取的影像中每一像素既包含地面分辨元的雷達后向散射強度信息，也包含與斜距有關的相位信息。將覆蓋同一地區(qū)的兩幅雷達圖像對應像素的相位值相減可得到一個相位差圖，即所謂干涉相位圖。這些相位差信息是地形起伏和地表形變（如果存在）等因素貢獻和的體現。insar正是利用這些具有高敏感特性的干涉相位信號來提取和分離出有用信息（如地表高程或地表形變）的。圖1所示的是機載insar系統(tǒng)的一般觀測幾何原理。兩個sar以一定間距分開安裝在飛機上，兩個傳感器中心連線構成的空間向量（稱為基線）與飛機航線垂直，基線長度保持不變，基線向量與水平線的夾角稱為基線傾角。在星載情況下，一般采

7、用單天線操作模式，衛(wèi)星以一定的時間間隔和輕微的軌道偏離（兩個軌道幾乎平行）重復對某一局部地區(qū)成像，同樣可構成如圖1所示的幾何配置，只是基線不再以物理形式存在。為討論方便，假設主從像對獲取期間無地表形變，且無大氣影響。圖1 insar測量的幾何原理為清晰起見，將基線放大，對于地面點，若沿和傳播的兩個雷達波的絕對相位差已知，則斜距差可以被求出，其關系如下： （1）其中，是雷達波長。對于機載系統(tǒng)，對于星載系統(tǒng)，。而 （2）為雷達側視角，可聯合式（1）和（2）求得。當被確定后地表高程可由如下公式計算得出： （3）其中，為雷達平臺高度，即雷達中心到參考面的垂直距離。、和可從軌道姿態(tài)數據推求得到，而可根據

8、sar圖像頭文件中有關雷達參數推算出來。然而，干涉相位圖中每一像元的整周相位是未知的， 因此必須采用一定的方法即所謂的相位解纏（phase unwrapping）算法來確定整周相位，以得到。圖1說明了insar 絕對相位差，解纏相位差和觀測相位差的關系： （4）這里為整體相位偏差，可通過一個高程已知的地面控制點來確定。2 相位解纏一切將相位由主值或相位差值恢復為真實值的過程統(tǒng)稱為相位解纏（phase unwrapping）1。進行相位解纏必須兼顧兩個方面：一致性和精確性。一致性是指在解纏后的矩陣中任意兩點之間的相位差是與這兩點之間的路徑無關的，精確性則是指解纏后的相位要能忠實地恢復原始相位函數

9、。目前所有的相位解纏可分為兩個步驟：基于纏繞相位計算解纏相位的相位梯度估算值；積分。根據所采用的積分方法，相位解纏方法主要分為兩大類：路徑積分法和最小范數法?，F有的相位解纏算法都是基于這樣的一個假設：有可能推導出纏繞相位的離散偏導數，即鄰近像元的相位差，并且這些相位差的絕對值都小于。通過這些離散的偏導數，可以重建解纏相位。在理想狀態(tài)下，干涉相位呈現周期變化，由0變化到2的過程是一個漸變的過程，再由2迅速下降到0，然后又是漸變到2，反復變化，呈現周期性；變化輪廓分明，層次均勻，突變點為相位周期分界點，如圖2所示。圖2 理想狀態(tài)下的干涉相位因此，在理想情況下能夠提取出垂直向和水平向的相位偏導數，然

10、后沿垂直方向和水平方向積分，就達到相位解纏的目的。目前提出的相位解纏方法有goldstein路徑積分算法（枝切法）、基于品質圖像的路徑積分算法（質量圖法）、掩模分割算法、flynn最小非連續(xù)算法、最小二乘算法等。篇幅有限，本文不再展開敘述各種算法算法的原理。然而，實際上星載或機載干涉sar數據普遍存在著由于地形起伏較大引起的密集的去相干現象，還有在原始雷達信號處理過程中引入的相干噪聲、噪聲和偽信號等都會造成相位數據的不連續(xù)，導致纏繞相位的離散相位梯度估算值不能保持一致，也就是說，它們不能形成一個“無旋”的向量場。此時雖然干涉相位呈一定的趨勢和周期性，但并不明顯。特別是干涉相位從2變化到0的界限

11、模糊，為各周期的分離帶來了極大的困難，所以很難采用簡單的積分方法達到恢復真實相位的效果。3 影像數據預處理在使用gamma軟件進行相位解纏之前，需要首先相位解纏實驗數據的選取。本文是采用歐空局的envisat-1 衛(wèi)星的asar（advanced synthetic aperture radar）合成孔徑雷達傳感器獲取的伊朗bam地區(qū)的三景影像數據進行相位解纏。所用數據為asar數據產品中成像模式的1級單視復圖像，產品代碼為asa_ims_1p。其數據產品文件除了包括文件頭、測量數據集之外，還包括數據參數注釋集。數據名稱如下：asa_ims_1pnupa20030611_061252_0000

12、00162017_00120_06687_0098.n1asa_ims_1pnupa20031203_061259_000000162022_00120_09192_0099.n1asa_ims_1pnpde20040107_061300_000000162023_00120_09693_0012.n1可以使用歐空局的enviview軟件來預先查看這些數據。enviview是歐空局開發(fā)的工具軟件，它可以用于打開envisat asar產品文件，顯示產品信息和圖像，也可以對產品進行簡單的處理和分析。在進行相位解纏之前要確定所獲取的數據能否進行干涉成像，即：選取的數據必須具有相同的track（軌跡

13、）號和frame（幀號）號而且基線要滿足要求（一般不超過1000m），track（軌跡）決定成像的時間，而frame（幀號）決定成像的區(qū)域。以本文的數據為例，可以看出這三景數據都是n1格式文件，分別是2003年6月11號、2003年12月3號和2004年1月7號獲得的，track（軌跡）號都是120，第一個軌道號是06687，第二個軌道號是09192，第三個軌道號為09693。而frame號（幀號）只能通過特定的軟件來查看，直接從文件名稱上是看不出來的。本文使用的descw軟件來查看frame（幀號）。并查詢初步的基線計算結果，從而可以初步判斷影像對能否進行干涉成像。4 gamma相位解纏實驗

14、gamma軟件是由瑞士gamma公司4（gamma remote sensing research and consulting ag）開發(fā)的專門用于干涉雷達數據處理的全功能平臺，采用快速傅立葉變換進行數據處理并提供大量的腳本文件及實例，因此具有處理效率高及使用方便靈活的特點，是用于干涉雷達數據處理的全功能專業(yè)平臺。gamma包括disp（display tools）獨立顯示系統(tǒng)、msp（modular sar processor）原始雷達信號處理、isp （interferometric sar processor）干涉雷達處理、diff& geo （differential interfe

15、rometry and geocoding） 差分干涉與地理編碼處理、ipta （interferometric point target analysis） 干涉點目標分析以及基于sar和sar干涉的lat（land application tools）土地利用分析模塊。各個模塊可以分離使用，中間結果為通用二進制格式，用戶可以根據需要靈活使用。gamma中有兩種解纏方法：枝切區(qū)域增長算法；最小成本流程（mfc）和不規(guī)則三角網（tin）算法。本文采用最小成本流程（mfc）和不規(guī)則三角網（tin）算法處理。數據處理流程及所用命令如圖3所示：圖3 基于gamma軟件的insar數據處理流程最終，我

16、們可以得到如圖4和圖5所示的這兩組影像對的最終的bmp格式的相位解纏圖，從圖片上來看，針對不同像對進行相位解纏效果還是有明顯差異的。 在使用gamma軟件進行insar相位解纏的過程中，不論是單獨的相位干涉圖還是強度和相位合成圖，甚至包括相干圖，獲得的這些圖像的紋理都很清晰，干涉條紋光滑，尤其是經過去平、濾波后的干涉圖更顯清晰，這說明數據處理效果較好。更為重要的是gamma中可以使用解纏后的相位模型進行二次相位解纏，不但獲得了更好的解纏效果，而且解纏效率很高，耗費的計算機機時很短，本次實驗所用的9192_6687影像對總耗時822.199秒，9693_9192影像對總耗時1229.215秒（機

17、器配置：cpu酷睿雙核2.0g，內存2g）。 圖4 9192_6687最終的相位解纏圖 圖5 9693_9192最終的相位解纏圖5 結論當前國內研究相位解纏的文獻雖多，但大多只能用模擬的數據，缺乏真實數據的驗證，而許多方法處理理想的模擬數據效果尚可，但處理真實數據。本文介紹了用gamma軟件對歐空局的envisat-1 衛(wèi)星的asar合成孔徑雷達傳感器所獲取的伊朗bam地區(qū)的三景影像數據進行處理，獲得了其中兩組影像對的相位解纏結果。通過兩個像對的相位解纏圖，可以看出gamma軟件在實際影像數據處理中具有較好的效果，且解纏效率很高，是目前進行insar數據處理較為理想的商業(yè)軟件。完成相位解纏后，即可計算高程，建立數字高程模型。隨著我國的星載sar計劃的實施，將徹底解決insar數據獲取難的問題，使得國內學者提出的相位解纏新算法得到實際數據的驗證，極大的加快我國自行研發(fā)有自主產權的insar數據處理軟件的進程，屆時insar技術在我國將會得到更廣泛、更成熟的應用。參考文獻：1 高勇. 干涉sar的二維相位解纏算法研究j. 地理學與國土研究，2000，16（4）：9096.2 郭春生. 優(yōu)化的區(qū)域增長insar相位解纏算法j. 中國圖形圖像學報，2006，11（10）：13801386.3 程璞，許才軍，王華. insar相