雷達(dá)干涉測量(崔松整理)

1、雷達(dá)干涉測量（崔松整理）第一章 緒論第二章 雷達(dá)SAR：使用短天線一段時間內(nèi)不斷收集回波信號，通過信號聚焦處理方法合成一較大的等效天線孔徑的雷達(dá)。1.1雷達(dá)及雷達(dá)遙感發(fā)展概況ENVISAT與ERS的SAR傳感器相比，Envisat ASAR的優(yōu)點(diǎn)主要表現(xiàn)在：Ø掃描合成孔徑雷達(dá)(ScanSAR)可達(dá)到500km的幅照寬度；（ERS只有100km）Ø可獲得垂直和水平極化信息；（如果發(fā)射的是水平極化方式的電磁波，與地物表面發(fā)生作用后會使電磁波極化方向產(chǎn)生不同程度的旋轉(zhuǎn)，形成水平和垂直兩個分量，用不同極化方式的天線接收，形成和兩種極化方式的圖像。若雷達(dá)發(fā)射的是垂直極化方式的電磁波，

2、同理，會產(chǎn)生和兩種極化方式的圖像。）Ø交替極化模式可使目標(biāo)同時以垂直極化與水平極化方式成像；Ø有不同的空間分辨率和數(shù)據(jù)率；Ø可提供7個條帶，入射角在15°45°的雷達(dá)數(shù)據(jù)。RADARSAT多極化、多入射角ALOSALOS采用了先進(jìn)的陸地觀測技術(shù)，能夠獲取全球高分辨率陸地觀測數(shù)據(jù)。該衛(wèi)星載有三種傳感器：全色立體測圖傳感器，新型可見光和近紅外輻射計(jì)、相控陣型L波段合成孔徑雷達(dá)（PALSAR）。PALSAR不受云層，天氣和晝夜影響，可全天時全天候?qū)Φ赜^測，該衛(wèi)星具有多入射角，多極化，多工作模式及多種分辨率的特性，最高分辨率可達(dá)7m。（ERS、ENVI

3、SAT是多入射角嗎？）TerraSAR-XTerraSAR-XTerraSAR-X 是固態(tài)有源相控陣的X 波段合成孔徑雷達(dá)（SAR）衛(wèi)星，具有多極化、多入射角的特性，具備4 種工作方式和4 種不同分辨率的成像模式。Ø高分辨率聚束式(High Resolution SpotLight(HS)Ø聚束式(SpotLight Mode(SL)Ø寬掃成像模式(ScanSAR Mode(SC)Ø條帶成像模式(Stripmap Mode(SM)COSMO-SkyMedCOSMO-SkyMed星座共包括4顆SAR衛(wèi)星工作在X波段，具有多極化、多入射角的特性，具備3種工作

4、方式和5種分辨率的成像模式，作為全球第1個分辨率高達(dá)1 m的雷達(dá)成像衛(wèi)星星座，COSMO-SkyMed系統(tǒng)將以全天候、全天時對地觀測的能力、衛(wèi)星星座特有的高重訪周期和l m高分辨率成像1.2InSAR及發(fā)展概況SAR的不足：SAR傳感器獲取的原始資料主要包含兩種信息：一是地面目標(biāo)區(qū)域的二維圖像，二是地面目標(biāo)反射回來的相位SAR成像沒有利用回波相位信息。經(jīng)過SAR成像處理后，對于地表三維目標(biāo)，得到二維SAR圖像，即目標(biāo)到SAR衛(wèi)星的斜距和相對于航跡的位置(或多普勒頻率)被投影到二維的SAR圖像上，要得到目標(biāo)的三維坐標(biāo)，需要利用立體定位的方法的得到目標(biāo)的三維坐標(biāo)。INSAR（合成孔徑雷達(dá)干涉測量）

5、：一種以合成孔徑雷達(dá)復(fù)數(shù)據(jù)提取的干涉相位信息為信息源獲取地表三維信息和變化信息的技術(shù)。InSAR：利用短基線(一般為幾十1000 m)，由相鄰航線上觀測得到的同一地區(qū)兩幅SAR影像的相位進(jìn)行干涉處理來獲取高程資料，由得到的目標(biāo)點(diǎn)的三維坐標(biāo)建立高精度的數(shù)字高程模型(DEM)D-InSAR：以InSAR為基礎(chǔ)發(fā)展起來的差分雷達(dá)干涉測量(D-InSAR)對于高度的變化非常敏感PS-DInSAR：利用散射特性在時間上保持穩(wěn)定的高相干點(diǎn)來獲取可靠的干涉相位信息GPS技術(shù)與InSAR技術(shù)結(jié)合：一方面可以利用GPS技術(shù)消除InSAR的大氣及軌道誤差，提高其時間分辨率，解決時間去相關(guān)問題；另一方面，可以利用I

6、nSAR技術(shù)提高GPS的空間分辨率，從而進(jìn)行大尺度的地表形變監(jiān)測。1.3 InSAR的主要應(yīng)用高程生成、（地形圖測繪）地面沉降、地震、滑坡檢測、火山活動研究（可連續(xù)動態(tài)監(jiān)測地表變化，還可估計(jì)巖漿流厚度和寬度 活火山現(xiàn)場觀測原來對人員設(shè)備危險）、土地利用類型分類（可區(qū)分林地、開闊地，風(fēng)、雪融對相干圖的影響，基線越長對地表微小運(yùn)動和變化越敏感）、海洋應(yīng)用（利用相位差得到風(fēng)力、海潮、內(nèi)波、船尾浪引起的洋面變化）冰川運(yùn)動和極地陸地邊緣探測、山體運(yùn)動監(jiān)測、坡度估計(jì)、變化監(jiān)測1.4.InSAR的技術(shù)發(fā)展趨勢 雷達(dá)傳感器向著多波段，多極化，多工作模式，視角可變的方向發(fā)展。SAR 衛(wèi)星向著輕型化發(fā)展。是組成

7、SAR 衛(wèi)星星座、衛(wèi)星編隊(duì)、衛(wèi)星編隊(duì)星座等天基 SAR 系統(tǒng)的關(guān)鍵。SAR 向著高分辨率，寬測繪帶寬方向發(fā)展InSAR 數(shù)據(jù)獲取更為豐富、便捷。InSAR 與其他技術(shù)的融合。相位解纏，極化干涉和 PS 技術(shù)仍是 InSAR 理論研究的熱點(diǎn)InSAR 應(yīng)用更為廣泛第二章 InSAR 基本原理及數(shù)據(jù)處理1. SAR影像的特點(diǎn)1. SAR 影像是復(fù)數(shù)影像， 包括振幅圖和相位圖影像。復(fù)影像：復(fù)影像數(shù)據(jù)包括雷達(dá)波振幅和相位兩部分，被稱為復(fù)數(shù)的實(shí)部和虛部。SAR 影像的每一像素不僅包含反映地表微波反射強(qiáng)度即所謂的灰度值，而且還包含與雷達(dá)斜距有關(guān)的相位值，這兩個信息分量可用一個復(fù)數(shù)(a + b·i

8、)來表達(dá)。2. 斑點(diǎn)噪聲雷達(dá)記錄的信號是不同散射中心回波矢量的疊加，由于散射中心的回波是隨機(jī)變化的，這種隨機(jī)變化造成了相干斑噪聲。另一方面，相鄰像素點(diǎn)的灰度值會由于相干性而產(chǎn)生一些隨機(jī)變化，在圖像中也會產(chǎn)生斑點(diǎn)噪聲原因一：由于 SAR 系統(tǒng)的分辨率是有限的，目標(biāo)表面相對于系統(tǒng)波長比較粗糙，圖像中的每一個分辨率單元都是許多散射點(diǎn)的合成。雷達(dá)記錄的信號是不同散射中心回波矢量的疊加。由于散射中心的回波是隨機(jī)變化的，這種隨機(jī)變化造成了相干斑噪聲。 原因二：SAR 成像系統(tǒng)是基于相干原理的，在雷達(dá)回波信號中，相鄰像素點(diǎn)的灰度值會由于相干性而產(chǎn)生一些隨機(jī)變化，并且這種隨機(jī)變化是圍繞著某一均值而進(jìn)行的，在圖

9、像中也會產(chǎn)生斑點(diǎn)噪聲。 相干斑點(diǎn)噪聲是 SAR 圖像固有的特征3. 穿透性4. 幾何特征縱向：平行于衛(wèi)星的飛行航線，方位向 橫向：垂直于衛(wèi)星飛行的航線，距離向 SAR 影像幾何特點(diǎn)：距離收縮、透視收縮、疊掩和陰影等現(xiàn)象。5. 多視處理SAR 影像有兩種顯示方式：斜距顯示和地距顯示。2.SAR干涉測量工作模式InSAR工作方式前兩種主要用于機(jī)載SAR干涉測量；后一種用于星載SAR干涉測量，衛(wèi)星不受大氣影響，軌道和姿態(tài)穩(wěn)定，為重軌干涉測量提供了較好的條件。1. 交軌干涉測量（XTI）飛行平臺上同時裝載兩個天線，其中一個負(fù)責(zé)發(fā)射并接收雷達(dá)波束，另一個則只負(fù)責(zé)接收，這樣基線固定，只要能準(zhǔn)確確定平臺位置

10、，就有利于獲得高質(zhì)量的干涉測量數(shù)據(jù)和高程計(jì)算結(jié)果航空平臺多采用這種方式，航天飛機(jī)也實(shí)現(xiàn)了這一方式（SRTM）準(zhǔn)確確定平臺位置 GPS 、平臺姿態(tài)穩(wěn)定 INS 側(cè)滾的影響和坡度的影響很難區(qū)分 相位差由側(cè)滾引起變化2. 順軌干涉測量(ATI）雙天線，在飛機(jī)上一前一后目前只是在飛機(jī)上采用，主要用于海流速度制圖、運(yùn)動目標(biāo)探測、方向波浪譜測量3. 重復(fù)軌道干涉測量（RTI)只需要一根天線，在盡可能短的時間間隔內(nèi)，在大致相同的的軌道上，兩次獲取同一地區(qū)的數(shù)據(jù)。目前航天INSAR的主要工作方式。航天InSAR具有航高高，姿態(tài)穩(wěn)定的特點(diǎn)，但是需要精確確定平臺位置，等效基線必須符合一定的要求， 而目前提供的參數(shù)

11、均不精確，所以存在“參數(shù)估計(jì)問題”SAR重復(fù)軌道干涉條件 兩次觀測期間地物沒變化 穩(wěn)定的觀測幾何關(guān)系，姿態(tài)穩(wěn)定 作運(yùn)動補(bǔ)償后，能保留好內(nèi)在的相位信息相位構(gòu)成：雷達(dá)接收信號中的相位由四部分貢獻(xiàn)組成：1) 是往返路徑確定的相位；2) 是地表不同的散射特性造成的隨機(jī)相位；3) 大氣延遲的影響；4) 噪聲。3.InSAR成像幾何關(guān)系式中，左邊表示相鄰像元的干涉相位差，右邊第一項(xiàng)表示目標(biāo)高程變化引起的相位，第二項(xiàng)表示平地引起的相位，第二項(xiàng)引起的相位必須消除掉才能得到地形引起的相位，這就是所謂的“去平地”。去平地相位之后，可以得到相位與高程之間的關(guān)系： 也可表示為 對于雷達(dá)干涉測量系統(tǒng)而言，4是一個參數(shù)，

12、雷達(dá)波長已知，通過計(jì)算每個像元對應(yīng)的垂直基線分量B 、入射角以及傳感器到地物的距離，即可通過高程h 與相位 的函數(shù)關(guān)系求解地表高程，這就是雷達(dá)干涉測量的基本原理。5.InSAR影像相干性估計(jì)相干性：是指兩幅圖像的相干程度，相干性是衡量InSAR 像對處理效果的指標(biāo)，相干性的高低決定了干涉條紋的質(zhì)量，從而決定了干涉處理的結(jié)果SAR 影像干涉處理以影像之間的相干性為基礎(chǔ)。相干性是衡量InSAR 像對處理效果的指標(biāo)，相干性的高低決定了干涉條紋的質(zhì)量，從而決定了干涉處理的結(jié)果，相干性很低的像對很難進(jìn)行干涉處理，因此，常常利用相干性指標(biāo)進(jìn)行干涉像對的選取。最大似然法相干估計(jì)具有一些優(yōu)點(diǎn)：Ø 無

13、需計(jì)算干涉相位；Ø 干涉相位誤差對其沒有影響；Ø 可直接應(yīng)用于單視圖像；Ø 不受局部干涉條紋頻率或相位估計(jì)誤差影響去相干分析去相干源； 原因分析 補(bǔ)償策略幾何去相干； 雷達(dá)觀測視角； 短基線與濾波處理；多普勒去相干； 不同時相多普勒質(zhì)心頻率； 通過系統(tǒng)參數(shù)控制與濾波處理；系統(tǒng)熱噪聲； 基線設(shè)置參數(shù)與地表反射特征； 依靠硬件設(shè)置來減少；體散射特征去相干； 雷達(dá)回?fù)艿拇┩改芰?與波長存在較大系；選擇同季節(jié)的數(shù)據(jù)；地面目標(biāo)地物變化； 地面目標(biāo)的物理特性變化； 縮短時間基線；數(shù)據(jù)處理； 數(shù)據(jù)處理過程引入的誤差； 選擇比較精確的算法；6. INSAR數(shù)據(jù)處理基本流程n復(fù)圖像

14、配準(zhǔn)基于精密衛(wèi)星星歷和相干系數(shù)的配準(zhǔn) 最大頻譜干涉法 相位差平均梯度函數(shù)法n基線估計(jì)去平地效應(yīng) 高程估算 地理編碼n干涉圖的生成兩復(fù)數(shù)共軛相乘得到像元干涉后的復(fù)數(shù)表示形式。對所有像元進(jìn)行共軛相乘即可生成干涉圖。n平地效應(yīng)消除和干涉圖的濾波相位圖中高度相同而干涉相位差不同的現(xiàn)象稱為平地效應(yīng)。n相位解纏和相位值向高程值轉(zhuǎn)換從干涉圖上直接獲得的相位是值在(-, 之間，相位存在2 的模糊。為了能夠?qū)⒏缮嫦辔缓透缮鎴D的成像幾何關(guān)系聯(lián)系起來，獲得地形高程和實(shí)際的地面距離，需要加上正確的2k ，這一過程稱為相位解纏。nDEM 生成及地理編碼影響InSAR 數(shù)據(jù)質(zhì)量的因素衛(wèi)星系統(tǒng)：入射角、空間分辨率、系統(tǒng)噪聲

15、、影像失配、內(nèi)部時鐘偏差、近似聚焦軌道：定位精度、基線、重復(fù)軌道時間差、不平行軌道信號：頻率、極化、帶寬、噪聲/斑點(diǎn)地形地物：體散射、坡向（相位梯度角）、地表物體特征（如凍土）氣候條件：風(fēng)（造成散射體運(yùn)動）、雪（造成去相干）大氣層：大氣折射7.InSAR軟件簡介GAMMA：該軟件分為組件式SAR處理器(MSP)，干涉SAR處理器(ISP)，差分干涉處理和地理編碼(DIFF&GEO)，土地利用工具(LAT)和干涉點(diǎn)目標(biāo)分析(IPTA)五個模塊SARscape：由核心模塊、聚焦擴(kuò)展模塊、濾波擴(kuò)展模塊、掃描式干涉雷達(dá)處理擴(kuò)展模塊、極化雷達(dá)處理擴(kuò)展模塊、干涉疊加擴(kuò)展模塊組成。8. INSAR技

16、術(shù)存在的問題INSAR技術(shù)存在的問題單視復(fù)數(shù)據(jù)的高精度配準(zhǔn)時間基線的去相關(guān)現(xiàn)象散射目標(biāo)在重復(fù)軌道兩次觀測期間散射特性的變化所導(dǎo)致的時間去相干。主要是指散射體在分辨單元內(nèi)位置或者自身散射特性隨時間的變化，其保持相干時間長短與本身的性質(zhì)有關(guān)。空間基線的去相關(guān)和參數(shù)精確估計(jì)由于入射角的不同，在距離向地物頻譜投影到數(shù)據(jù)頻譜時出現(xiàn)偏移相位解纏第三章 InSAR配準(zhǔn)算法原理1.SAR影像配準(zhǔn)的要求圖像配準(zhǔn)的目標(biāo)是在兩幅圖像之間找到對應(yīng)同一位置的匹配點(diǎn)。InSAR影像的相位信息遠(yuǎn)比能量信息對地形的變化敏感。對于雙天線而言，數(shù)據(jù)配準(zhǔn)相對比較容易 對于重軌INSAR數(shù)據(jù)配準(zhǔn)，配準(zhǔn)的難度較大 軌道很難準(zhǔn)確控制 導(dǎo)

17、航數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確 其它干擾因素使影像有差異如果配準(zhǔn)誤差大于或等于一個像元，則兩幅圖像完全不相干，干涉圖為純噪聲，因此，配準(zhǔn)精度必須達(dá)到子（亞）像元級。1. SLC數(shù)據(jù)處理與顯示SLC：單視復(fù)型數(shù)據(jù)，一般以實(shí)部數(shù)據(jù)文件和虛部數(shù)據(jù)文件的形式存在，即單天線某一時段所獲取數(shù)據(jù)的集合。影像不清楚的原因：由于振幅信號離散程度比較大，加上噪聲和因干涉效應(yīng)產(chǎn)生的或甚強(qiáng)或甚弱的信號，使數(shù)據(jù)的分布出現(xiàn)極不正常的情況，絕大多數(shù)數(shù)據(jù)都是振幅強(qiáng)度很小的數(shù)值，振幅強(qiáng)度大的點(diǎn)極少。解決方法：1. 對圖像進(jìn)行預(yù)處理，進(jìn)行振幅影像的增強(qiáng)2. 采取直方圖分析的方法，即將頻數(shù)很少的而振幅強(qiáng)度很大的點(diǎn)都組合到一起，將數(shù)值范圍壓縮，減小零

18、星點(diǎn)的影響。3. 去噪增強(qiáng)，對影像進(jìn)行對數(shù)變換，抑制亮區(qū)，采用3X3窗口去除噪聲。2. 對數(shù)變換和去噪聲1）對數(shù)變換：對于數(shù)值很大的振幅強(qiáng)度值經(jīng)過對數(shù)變換，可以將其數(shù)值范圍壓縮，這樣就可以起到抑制作用。2）噪聲判斷與去除：采用領(lǐng)域分析法進(jìn)行處理。3）再作對數(shù)變換 4）顯示灰度變換后的數(shù)據(jù)5）鏡像處理：以便和地形圖和專題圖對照時，方向基本一致。5）多視處理（行方向壓縮）：由于原始數(shù)據(jù)在方向上象元分辨率高于斜距方向上的分辨率，往往要進(jìn)行壓縮。6）確定重疊區(qū)（以找明顯同名點(diǎn)）切出重疊區(qū)2. 配準(zhǔn)原理基于相位的配準(zhǔn)，配準(zhǔn)的標(biāo)準(zhǔn)配準(zhǔn)指標(biāo)：評價 InSAR 復(fù)影像配準(zhǔn)的常用指標(biāo)：相干系數(shù)，平均波動函數(shù)，干

19、涉條紋頻譜。1 相干系數(shù)法在參考影像以待匹配點(diǎn)為中心取一定大小的窗在對應(yīng)輸入影像的一定搜索范圍內(nèi)，逐行、逐個像素地移動，并計(jì)算窗口內(nèi)的相干系數(shù)，相干系數(shù)最大處即為最佳匹配點(diǎn)。優(yōu)點(diǎn)：1. 在信噪比比較高的區(qū)域能夠取得比較好的效果2. 運(yùn)算量少以整像素間隔為移動距離，然后對定位結(jié)果進(jìn)行多項(xiàng)式擬合，求出最佳點(diǎn)。這種后處理方法要達(dá)到子像元級的精度較為困難。信噪比較低時，并不能保證精度的明顯提高，擬合出來的極值位置甚至還可能落在所取窗口之外。 為了達(dá)到子像元級配準(zhǔn)精度，可以將窗口中影像進(jìn)行過采樣處理，或?qū)⒁苿娱g隔小于一個像元。這種方法不僅增加了計(jì)算量還需要有較好的初始匹配候選點(diǎn)。過采樣也沒有提高信噪比，

20、本質(zhì)上與多項(xiàng)式擬合的方法沒有區(qū)別 。2 最大頻譜法在目標(biāo)窗的范圍內(nèi)，計(jì)算各點(diǎn)上復(fù)型數(shù)據(jù)的積，在此基礎(chǔ)上，做快速傅里葉變換，并計(jì)算二維頻譜值，取最大值所對應(yīng)的點(diǎn)為配準(zhǔn)點(diǎn)。找到同名點(diǎn)后，計(jì)算配準(zhǔn)系數(shù)，然后進(jìn)行配準(zhǔn)。該算法的出發(fā)點(diǎn)是：當(dāng)影像達(dá)到精確配準(zhǔn)時，所形成的干涉圖質(zhì)量應(yīng)達(dá)到最佳。最大頻譜法實(shí)際上是利用了InSAR影像的相位信息進(jìn)行配準(zhǔn)，即當(dāng)兩幅影像相位越相近時，對應(yīng)的頻譜值越大。優(yōu)點(diǎn)：1. 能克服與頻率相關(guān)的各種噪聲，并且有明顯的峰值2. 匹配精度很高3. 適用于軌道平行性較差的條件下所獲得的復(fù)圖像的配準(zhǔn)缺點(diǎn)：算法比較復(fù)雜，計(jì)算量很大3 相位差平均波動函數(shù)法以同名點(diǎn)領(lǐng)域內(nèi)相位差變化的一致性為判

21、斷依據(jù)，計(jì)算目標(biāo)窗內(nèi)的相位差變化梯度的平均值，最小值對應(yīng)的位置為配準(zhǔn)點(diǎn)位置。當(dāng)正確配準(zhǔn)兩幅InSAR影像時，相位差圖像上的平均起伏會達(dá)到最小化。以上三種方法的局限性：1. 采用局部窗口進(jìn)行無偏估計(jì)是有局限性的，為此所得到的相似性測度與理論值存在偏差，而這種偏差往往具有不確定性，表現(xiàn)為相似性測度的計(jì)算結(jié)果上可能會出現(xiàn)多個極大(小)值(峰值或谷點(diǎn))的情況。而且計(jì)算結(jié)果受噪聲或隨機(jī)干擾影響比較大，其中的最大(小)值可能并不是實(shí)際的同名匹配點(diǎn)。2. 以整像素間隔為移動距離，然后對定位結(jié)果進(jìn)行多項(xiàng)式擬合，求出最佳點(diǎn)。這種后處理方法要達(dá)到子像元級的精度較為困難。在信噪比較高時，理論精度可達(dá)0.150.2像

22、素；信噪比較低時，并不能保證精度的明顯提高，擬合出來的極值位置甚至還可能落在所取窗口之外。3. 基于最大頻譜法的干涉影像配準(zhǔn)從干涉條紋圖的質(zhì)量出發(fā)，以干涉圖的效果為判據(jù)，理論上最適合干涉影像配準(zhǔn)。但這種算法需要反復(fù)生成局部的干涉圖，計(jì)算量巨大，而且根據(jù)信噪比引導(dǎo)配準(zhǔn)也需要較高的信噪比條件。4. 配準(zhǔn)方法多級配準(zhǔn)流程，配準(zhǔn)指標(biāo)，粗匹配到精匹配的過程1.多級配準(zhǔn)流程在 SAR 影像上選取一些滿足特定條件的控制點(diǎn)，然后再根據(jù)控制點(diǎn)的信息擬合出整幅圖像的配準(zhǔn)信息，最后對圖像進(jìn)行重采樣得到配準(zhǔn)圖像。為了達(dá)到 InSAR 配準(zhǔn)的精度要求，通常采用從粗到精的多級配準(zhǔn)策略2.粗配準(zhǔn)粗配準(zhǔn)階段主要是為了得到主圖

23、像與輔圖像間的偏移。該偏移量的精度要求在30像素以內(nèi)?？梢圆捎糜脩粼趦煞跋裆线x擇一個同名點(diǎn)，然后分別得到該點(diǎn)在各自影像上的坐標(biāo)，將坐標(biāo)相減就可以得到兩幅影像的偏移值。3.像元級配準(zhǔn)像元的配準(zhǔn)可以在影像的空間域或者頻率域進(jìn)行。通常在主圖像上選取匹配窗口，根據(jù)粗匹配結(jié)果在輔圖像上選取搜索窗口，然后根據(jù)配準(zhǔn)評價指標(biāo)計(jì)算兩個窗口的相似程度，通過移動搜索窗得到最佳配準(zhǔn)點(diǎn)。對于所有的配準(zhǔn)點(diǎn)，經(jīng)過一致性檢驗(yàn)剔除粗差，最終達(dá)到像元級的配準(zhǔn)精度。4.方位向?yàn)V波（可選）由于多普勒效應(yīng)的影響，主輔圖像間會存在由于多普勒頻移導(dǎo)致的去相干，為此在進(jìn)行精配準(zhǔn)前可以對兩幅影像進(jìn)行方位向?yàn)V波，以減少這種去相干影響。5.子像

24、元級精配準(zhǔn)子像元級配準(zhǔn)主要方法有兩類，一類基于原始圖像過采樣數(shù)據(jù)進(jìn)一步尋找更加精確的配準(zhǔn)位置，稱之像元過采樣匹配法；另一類算法基于粗配準(zhǔn)點(diǎn)周圍若干像元的相關(guān)系數(shù)插值求取最大相關(guān)系數(shù)，以之確定更加精確的配準(zhǔn)位置，稱之相干系數(shù)插值法。前者有精度上的優(yōu)勢，后者有速度上的優(yōu)勢。1）像元過采樣匹配法步驟1：對已獲得的每一個控制點(diǎn)采用雙線性插值等方法對相應(yīng)主圖像、輔圖像塊作過采樣處理。插值的間隔決定過采樣程度步驟2：進(jìn)行最大相干估算。與像元級的配準(zhǔn)相似，采用基于窗口的搜索方法，尋找可靠的相對偏移量估算值。步驟3：選取最大相干系數(shù)的匹配位置即該控制點(diǎn)亞像元配準(zhǔn)位置。2）相關(guān)系數(shù)擬合法插值相關(guān)系數(shù)法并不是對像

25、素本身進(jìn)行過采樣，而是對周圍像元的相關(guān)系數(shù)值進(jìn)行 高精度的插值來獲得子像元級配準(zhǔn)精度。實(shí)相關(guān)系數(shù)過采樣運(yùn)算量比較大，利用FFT算法，在頻率域進(jìn)行插值，可以大大提高運(yùn)算效率。與像元級配準(zhǔn)方法相比，該方法主要做了三點(diǎn)修改：1 需要對配準(zhǔn)圖像進(jìn)行插值，因而配準(zhǔn)中的點(diǎn)變?yōu)閬喯袼攸c(diǎn)，搜索圖不再是直接從配準(zhǔn)圖中截取連續(xù)的一小塊，而是從插值后的配準(zhǔn)圖中抽取相應(yīng)點(diǎn)而得到。2 不再使用整體的位移矢量，而是使用局部位移矢量。先計(jì)算一些像素點(diǎn)的位移矢量，再由這些位移矢量插值得到每一個像素的位移矢量。起初選擇的那些像素點(diǎn)被稱為控制點(diǎn)。 3 配準(zhǔn)的結(jié)果不是由配準(zhǔn)圖整體位移得到，而是根據(jù)每一個像素點(diǎn)的位移矢量，從插值后的

26、配準(zhǔn)圖中抽取對應(yīng)點(diǎn)，得到配準(zhǔn)結(jié)果。6. 多項(xiàng)式擬合，配準(zhǔn)函數(shù)的確定在完成子像素級別配準(zhǔn)后，就會得到一系列同名點(diǎn)對，這個時候就可以用多項(xiàng)式來描述主輔影像之間的變換關(guān)系，通常采用二次多項(xiàng)式。7. 輔圖像重采樣8. 配準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)及分析4. InSAR影像數(shù)字?jǐn)z影測量配準(zhǔn)方法以振幅影像為對象，多種配準(zhǔn)方法的結(jié)合，逐步精細(xì)。多級配準(zhǔn)的三個重要步驟（1）基于特征點(diǎn)的配準(zhǔn)在參考影像或基準(zhǔn)影像上首先確定一個格網(wǎng)，以格網(wǎng)點(diǎn)為中心，在其鄰域搜索特征點(diǎn)，對于每一個特征點(diǎn)，在待配準(zhǔn)影像上搜索待選同名點(diǎn)，搜索中以相關(guān)系數(shù)作為確定待選點(diǎn)的測度。在確定特征點(diǎn)的過程中可以采取各種各樣的方法 比如采用Föstner算子法

27、 該方法首先計(jì)算一點(diǎn)與其四鄰點(diǎn)灰度差分絕對值 只要有任意兩方向上差分絕對值大于給定的閾值T 就可將該點(diǎn)作為待選點(diǎn) 然后在以待選點(diǎn)（i,j）為中心的3×3窗口內(nèi) 按Föstner算子法計(jì)算協(xié)方差矩陣N和誤差橢圓的園度q：根據(jù)誤差橢圓度閾值Tq計(jì)算待選點(diǎn)(i,j)的權(quán)：最后在一個適當(dāng)選取的窗口內(nèi)，取權(quán)值最大的待選點(diǎn)為特征點(diǎn)（2）基于松弛迭代方法的整體影像匹配在第一級配準(zhǔn)結(jié)果基礎(chǔ)上 對待選點(diǎn)作進(jìn)一步的分析 特別是對多峰點(diǎn)作深入的分析（3）最小二乘匹配在第二步配準(zhǔn)結(jié)果的基礎(chǔ)上，考慮待配準(zhǔn)影像相對于參考影像的幾何畸變和輻射畸變 通過最小二乘方法逐步迭代以精確確定配準(zhǔn)點(diǎn)位多級配準(zhǔn)方法的

28、完善（1）相干系數(shù)的估計(jì)用于精確配準(zhǔn)在最小二乘匹配中迭代終止條件用相干系數(shù)的估計(jì)值替代相干系數(shù)（2）基于相位差分的最小二乘匹配第三步采取最小二乘匹配方法。在誤差方程式中以相位差分代替影像灰度差分5. 基于結(jié)構(gòu)信息的配準(zhǔn)方法（上課講得很少）根據(jù)SAR影像特點(diǎn)，以影像中結(jié)構(gòu)信息為基礎(chǔ)，采取逐級匹配和多種信息相結(jié)合的方式 第一步進(jìn)行影像分割，提取多邊形結(jié)構(gòu)信息，在多邊形匹配的基礎(chǔ)上，取得配準(zhǔn)的初步控制信息第二步作影像邊緣信息結(jié)構(gòu)的檢測，在初步控制匹配信息的支持下，作邊緣影像匹配 得到初步的同名點(diǎn)集合第三步利用影像紋理匹配以剔除誤配的數(shù)據(jù)，最后以高斯濾波和最小二乘匹配相結(jié)合，得到具有子像元匹配精度的結(jié)

29、果1） 影像分割和多邊形匹配2） 邊緣提取和邊緣匹配3） 紋理特征提取和紋理匹配第四章 干涉圖的生成和處理§4.1 干涉圖的生成及其信息特點(diǎn)1. 干涉條紋的計(jì)算和干涉圖的生成n干涉圖的生成兩復(fù)數(shù)共軛相乘得到像元干涉后的復(fù)數(shù)表示形式。對所有像元進(jìn)行共軛相乘即可生成干涉圖。每一個點(diǎn)的（fai）計(jì)算出來之后，將相位差數(shù)據(jù)灰度化顯示出來就是干涉圖干涉圖以干涉條紋表現(xiàn)出來。干涉圖具有條紋狀，是由相位差的周期性變化而產(chǎn)生的相位差由最近點(diǎn)至最遠(yuǎn)點(diǎn)逐漸增大 主值周期變化2. 干涉條紋周期的高差估計(jì)干涉圖中的條紋是相位差數(shù)據(jù)周期性的表現(xiàn)，這種周期性與高差相關(guān)由天線S1引出的水平線與基線B的夾角為，S1

30、的入射角為，S1和 S1相對地面點(diǎn)P的斜距差為r，有 其中T在雙天線工作方式下為1；在重復(fù)軌道工作方式下為2基線垂直分量越長，單位周期的干涉條紋所表示的高差越小干涉圖特點(diǎn)：干涉圖以干涉條紋表現(xiàn)出來。干涉圖具有條紋狀，是由相位差的周期性變化而產(chǎn)生的；亮的地方表示相干系數(shù)大，干涉圖在這些點(diǎn)位的質(zhì)量好；暗的地方表示相干系數(shù)小，干涉圖在這些點(diǎn)位的質(zhì)量差（干涉條紋的特點(diǎn)1. 相位值的周期性: 由于復(fù)數(shù)對其相位的周期性，干涉條紋的相位值，只能在(-,之間出現(xiàn)。2. 各象素點(diǎn)上相位值的可信度不同: 影響相干性的因素很多，機(jī)理各不相同，對不同象素的作用也不相同。3. 噪聲的統(tǒng)計(jì)特性污染嚴(yán)重: 這在干涉過程中帶

31、入干涉圖中的相干斑，將成為野值。野值的存在，污染了相位噪聲的統(tǒng)計(jì)特性，使其分布產(chǎn)生拖尾）3. 干涉圖的質(zhì)量估計(jì)和影響質(zhì)量的因素一般以相干系數(shù)作為干涉圖質(zhì)量評價的依據(jù)其中M，N 為估計(jì)時所采用的窗口大小參量對每一點(diǎn)均按該式估計(jì)1. Ø電子設(shè)備噪聲一般在實(shí)驗(yàn)室中預(yù)先進(jìn)行檢校在運(yùn)行過程中也需要通過檢校加以去除一般每過一段時間都需要作檢校工作2. Ø大氣的影響主要表現(xiàn)在大氣層的非均勻性對信號傳播的影響將大氣層劃分為若干大體均勻的層面以簡化數(shù)學(xué)模型，通過數(shù)據(jù)處理克服大氣影響3. Ø重復(fù)觀測期間散射體物理特征性的變化比如植被含水量的變化會降低數(shù)據(jù)相關(guān)性4. Ø地形的

32、變化是影響相關(guān)性的重要原因如滑坡、地震，常常造成數(shù)據(jù)配準(zhǔn)不準(zhǔn)確但是反過來為地形變化監(jiān)測分析提供了信息5. Ø配準(zhǔn)過程中的問題包括配準(zhǔn)點(diǎn)、塊的質(zhì)量很差甚至由于所用算法如幾何變換方法和重采樣方法的不妥當(dāng)，也會影響干涉圖生成質(zhì)量6. Ø體散射效應(yīng)如稠密樹冠因穿透所造成的多路徑散射和體散射，影響信號傳播路徑的一致性4. 干涉圖生成的數(shù)據(jù)處理方法1） 過采樣在計(jì)算干涉條紋前，先作過采樣，至少采樣因子為2 ，采樣在頻域進(jìn)行，即先作付里葉變換，過采樣后再作逆變換2）多視處理先進(jìn)行過采樣，其因子為4；然后作多視處理，方位向20，距離向4§4.2 平地效應(yīng)及去除干涉相位中包含了地形

33、信息和由于距離變化引起的相位變化信息。去平地效應(yīng)就是消除無高程變化的平地所產(chǎn)生的線性變化干涉相位。高程相等的兩個點(diǎn)間也存在著相位差；而且，相位差的數(shù)值隨著與天線距離的變大逐漸遞增。從平地上各點(diǎn)相位差分析可以知道，平地各點(diǎn)上的相位差是不同的，且具有一定的變化規(guī)律在分析相鄰兩點(diǎn)相位差時，若兩點(diǎn)高程不同，其相位差的差異就可能包含兩個成分：其一是兩點(diǎn)為平地上兩點(diǎn)時的相位差；其二是因兩點(diǎn)間存在高差造成的相位差平地效應(yīng)公式推導(dǎo)兩天線對于P1和P2的斜距差的差為兩天線對兩鄰點(diǎn)（同一水平）P1 P2的相位差的差由于（其中q是P1和P2的高差）兩天線對兩鄰點(diǎn)（不同水平）P1 P2的相位差的差右邊第一項(xiàng)為兩點(diǎn)處于

34、同一水平面時的相位差的差；第二項(xiàng)為由高差所致相位差的差將相位差的差稱為干涉相位的梯度；它應(yīng)當(dāng)包括平地分量和高差分量去除平地效應(yīng)的方法： 距離向補(bǔ)償相位差：需要幾何參數(shù) 頻譜分析法：FFT 然后作頻域的圓周位移其中獲得幾何參數(shù)的方法：1.基于精密軌道參數(shù)平地效應(yīng)的去除選擇基準(zhǔn)面，在同一參照坐標(biāo)系下，確定基準(zhǔn)面中任一點(diǎn)的坐標(biāo)和該點(diǎn)所對應(yīng)的兩次成像衛(wèi)星的位置，就可以直接計(jì)算場景內(nèi)基準(zhǔn)面上的點(diǎn)到兩衛(wèi)星的距離差，進(jìn)而得到基準(zhǔn)面的平地相位。缺點(diǎn)：計(jì)算量大改進(jìn)：衛(wèi)星在成像時間段內(nèi)運(yùn)行相對平穩(wěn)，基線變化很小。故對一景影像的平地效應(yīng)可以通過計(jì)算影像中幾個離散的點(diǎn)的平地相位后，通過多項(xiàng)式來擬合來求取整幅影像中各點(diǎn)

35、的平地相位。2.基于粗精度的DEM數(shù)據(jù)的平地效應(yīng)的去除（1）讀取并計(jì)算DEM的點(diǎn)間隔，同時計(jì)算干涉圖象元點(diǎn)的間隔,計(jì)算兩者的比值；（2）根據(jù)干涉紋圖與DEM之間的比值，對DEM點(diǎn)進(jìn)行采樣，利用最近鄰插值法得到其象元值；（3）基于多普勒方程、斜距方程和地球模型方程，利用軌道參數(shù)將DEM轉(zhuǎn)換到地心坐標(biāo)系；（4）利用最鄰近插值法，對轉(zhuǎn)換后的DEM數(shù)據(jù)進(jìn)行賦值；（5）將DEM數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為相位值；（6）從干涉條紋中減去參考DEM數(shù)據(jù)計(jì)算的相位值。§4.3 干涉條紋的特點(diǎn)4. 相位值的周期性: 由于復(fù)數(shù)對其相位的周期性，干涉條紋的相位值，只能在(-,之間出現(xiàn)。5. 各象素點(diǎn)上相位值的可信度不同:

36、影響相干性的因素很多，機(jī)理各不相同，對不同象素的作用也不相同。6. 噪聲的統(tǒng)計(jì)特性污染嚴(yán)重: 這在干涉過程中帶入干涉圖中的相干斑，將成為野值。野值的存在，污染了相位噪聲的統(tǒng)計(jì)特性，使其分布產(chǎn)生拖尾§4.4 干涉圖濾波方法1.簡單的濾波方法：1）直接對相位差數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波處理，或中值濾波，或方向?yàn)V波2）在生成干涉圖之前進(jìn)行處理，實(shí)部、虛部分別進(jìn)行 直接對干涉圖濾波效果不如對實(shí)部和虛部分別先濾波2.基于坡度估計(jì)的自適應(yīng)濾波方法1）在局部窗口作相位解纏估計(jì)局部坡度：坡度大干涉條紋密集取小窗濾波；坡度小條紋稀疏取較大窗2）條紋邊緣處，沿邊緣方向?yàn)V波3）兩種實(shí)施方案：對解纏后的相位; 對實(shí)部，虛

37、部分別進(jìn)行實(shí)際操作十分復(fù)雜：須解纏，須檢測條紋邊緣，及邊緣方向3.基于梯度的自適應(yīng)平滑濾波邊緣處梯度變大，權(quán)系數(shù)減小，可以將權(quán)系數(shù)置零非邊緣處，權(quán)系數(shù)增大，需要作平滑處理對突變點(diǎn)：歸入其鄰近區(qū)域，即與它相位值相差很小的區(qū)域4.中值濾波自適應(yīng)濾波二級去噪方案噪聲處，梯度會因大于k而保留。故采取二級處理方案，先去噪，再作保留邊緣的平滑效果：僅自適應(yīng)濾波 有噪聲存在；二級濾波 去掉了噪聲 解纏結(jié)果好第五章 基線估計(jì)5.1基線時間基線：重復(fù)軌道獲取影像對時兩幅圖像成像的時間間隔。時間基線的存在會使兩幅圖像的相干性減小，這一現(xiàn)象被稱為時間失相干?？臻g基線：兩天線之間的距離?；€距的存在使得兩次飛行時照射

38、同一區(qū)域的視角存在差異，減弱了兩次飛行得到的兩幅圖像之間的相干性從而造成了空間失相干。5.1.2 基線要素對測高的精度分析垂直基線分量與高程模糊度的關(guān)系假設(shè)地物點(diǎn)在兩次觀測期間散射特性沒有發(fā)生變化，則相位量測只反映其幾何成像關(guān)系。雷達(dá)干涉相位與 DEM 誤差、衛(wèi)地距R1、雷達(dá)波長、垂直基線距B、波束視向角是緊密相關(guān)的。高程模糊數(shù)：表示引起一個2相位變化所對應(yīng)的高度變化，以此來表征干涉測量對高度變化的敏感程度。平行基線對形變監(jiān)測精度的影響雷達(dá)干涉相位與平行基線的微分關(guān)系只跟雷達(dá)波長相關(guān)衛(wèi)星軌道誤差和雷達(dá)視線方向的地表形變對相位貢獻(xiàn)的敏感程度在同一個數(shù)量級。水平基線和垂直基線的不確定性對測高精度的

39、影響基線長度的微小誤差可能導(dǎo)致大幅度地區(qū)的高度誤差，這些誤差隨著地面距離的變化而變化，尤其對于地形坡度變化較大的地區(qū)，高程誤差將更大1) 垂直基線越大，地形高度變化靈敏度越大。因此一般要求較大的垂直基線，但當(dāng)垂直基線超過某一個限值時，兩幅天線輸出的信號完全獨(dú)立，其形成的 SAR 圖像會影響測高精度。垂直基線可以用高程模糊度來描述，高程模糊度越小，垂直基線值越大；2) 在給定掃描帶內(nèi)所要求的高度誤差情況下，可以通過高度估計(jì)誤差來對基線長度誤差的靈敏度算出基線長度精度的限制。5.2基線估計(jì)的方法基于軌道參數(shù)的的基線估計(jì)方法（再看一下書）基于干涉條紋頻率的估計(jì)方法條紋變化率：圖像在斜距向的偏移隨斜距

40、的變化率。如何從 FFT 的功率譜得到K？K=·f/2（其中f為條紋頻率對于地面上的平坦區(qū)域， 基線幾何引起的平地相位的最大功率譜的峰值頻率即為條紋頻率）其中R0為傳感器到選取圖像區(qū)域中心像素的斜距，0為傳感器與選取圖像中心像素的視角。要估計(jì)初始的垂直基線分量B，需要求參數(shù)K基于配準(zhǔn)偏移量的估計(jì)方法 通常情況下獲取各像素點(diǎn)的精確高程值比較困難，一般以研究區(qū)域的平均高程值代替。利用配準(zhǔn)偏移量文件中像素點(diǎn)的斜距向偏移量得到斜距差dR及其由主影像衛(wèi)星參數(shù)估算的衛(wèi)星平臺高度H和斜距R，結(jié)合算式即可估算出基線的水平分量By和豎直分量Bz?；€B是隨方位向時間的變化而變化，即沿方位向上像素的基線

41、值是不同的,因此在用該模型進(jìn)行基線估計(jì)時，利用不同方位向上的像素點(diǎn)就可以得到干涉對的時變基線。基于控制點(diǎn)的精確基線估計(jì)方法選擇控制點(diǎn)：影像坐標(biāo) 圖上坐標(biāo)；用最小二乘法求解 B和為了解決控制點(diǎn)精度不高的缺陷，可以采用天線位置參量和控制點(diǎn)影像坐標(biāo)的整體平差的方法。幾種不同基線估計(jì)方法比較不是垂直分量越大，高程模糊度越小，地物敏感度越大么？（動態(tài)檢測是方位向的，不是距離向的）第六章 相位解纏躍變?yōu)槭裁床荒艹^2答：如果真實(shí)相位梯度超過2,干涉相位梯度不能反映真實(shí)相位遞推規(guī)律，也就無法遞推出相位真值，即無法進(jìn)行相位解纏。6.1基本原理1.相位解纏的概念從干涉相位的變化規(guī)律（梯度）中獲取真實(shí)相位的變化規(guī)

42、律（梯度），進(jìn)而從某個真實(shí)相位已知的點(diǎn)（控制點(diǎn)）出發(fā)，遞推出每個點(diǎn)的相位真值相位關(guān)系式：干涉相位主值（干涉圖）=解饞相位值±2K相位真值的整周數(shù)被截?cái)嗪笏５牟糠旨礊楦缮嫦辔唬ǜ缮嫦辔辉?到之間）計(jì)算法則：1. 按某一方向（如距離向）進(jìn)行解纏時，第一點(diǎn)的數(shù)值不變，且在出現(xiàn)周期突變前個點(diǎn)的數(shù)值不變，即個點(diǎn)的數(shù)值作為累計(jì)值2. 在數(shù)值躍變方向?yàn)榈?時，該點(diǎn)和以后各點(diǎn)依次在累計(jì)值上加2作為各點(diǎn)計(jì)算值結(jié)果，直到出現(xiàn)下一個躍變點(diǎn)3. 在數(shù)值躍變方向?yàn)?到時，該點(diǎn)和以后各點(diǎn)依次在累計(jì)值上減2作為各點(diǎn)計(jì)算值結(jié)果，直到出現(xiàn)下一個躍變點(diǎn)4. 在每一個點(diǎn)上的計(jì)算完成之后，根據(jù)起始點(diǎn)的真實(shí)相位值與該點(diǎn)累計(jì)

43、值的差值d，在每個點(diǎn)上再加上d，完成解纏全部計(jì)算該方法（確定性法）有效的前提條件：相位值是連續(xù)的；突變處相位梯度不能超過2解纏路徑：干涉相位數(shù)據(jù)時連續(xù)性數(shù)據(jù)，無論從哪個方向，區(qū)哪條路徑來進(jìn)行解纏都應(yīng)當(dāng)?shù)玫较嗤慕Y(jié)果，所以是方向、路徑無關(guān)的基于路徑的前提：干涉相位在一個周期內(nèi)相位值的梯度很小,一個周期那至少有兩個點(diǎn),兩點(diǎn)之間的相位差不應(yīng)大于1/2 周期.再纏繞假設(shè)W是纏繞函數(shù)，真實(shí)相位經(jīng)該函數(shù)纏繞后的值在之間。因此， k(n)是一組整數(shù)，它的選取是為了保證。對纏繞相位作差分運(yùn)算得到下式， 對獲得的結(jié)果再次運(yùn)用纏繞函數(shù)得， 這里的k1和k2用來區(qū)分兩次作纏繞運(yùn)算的整數(shù)序列。是纏繞相位差的重新纏繞。

44、由于相位經(jīng)纏繞函數(shù)W運(yùn)算后，其纏繞相位值在之間，如果 則這就要求等式右邊的第二項(xiàng)必須等于零。 對上式兩邊求和則可以得到， 對纏繞相位的差分結(jié)果再次進(jìn)行纏繞運(yùn)算后進(jìn)行求和運(yùn)算就可以把纏繞相位解開，得到干涉圖所包含的真實(shí)相位。但是如果相鄰相位的差分不滿足式 時，就不能夠完全正確恢復(fù)真實(shí)相位。6.2解纏方法分類1. 基于路徑跟蹤的解纏方法：該方法通過計(jì)算殘差點(diǎn)，選擇適當(dāng)幾份路徑避開殘差點(diǎn)和低質(zhì)量數(shù)據(jù)點(diǎn)，來達(dá)到解纏相位的目的，將殘差點(diǎn)連起來后形成枝切線，在由枝切線分成的每個小區(qū)域都是滿足一致性的，解纏時只需通過積分可達(dá)到目的，這類解纏能在局部區(qū)域解纏正確，并限制誤差不向全局傳播。優(yōu)缺點(diǎn)：對于全局而言，因?yàn)橹η芯€額存在可能產(chǎn)生隔絕區(qū)域，由初始點(diǎn)解纏無法到達(dá)那里，對于殘差點(diǎn)無法解纏，對于質(zhì)量好的數(shù)據(jù)，該類方法較好。對于信噪比小，局部殘差點(diǎn)過密集的區(qū)域