基于高分三號(hào)數(shù)據(jù)的干涉測(cè)量研究

余 博，李如仁，陳振煒，張 過

(1.沈陽(yáng)建筑大學(xué) 交通工程學(xué)院 遼寧 沈陽(yáng) 110168；2.武漢大學(xué) 測(cè)繪遙感信息工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 湖北 武漢 430079)

1 概 述

合成孔徑雷達(dá)(Synthetic Aperture Radar,SAR)是工作于微波波段的主動(dòng)式傳感器，由于其全天候，全天時(shí)獲取數(shù)據(jù)，并能穿透云霧，煙塵和大面積獲取地表信息的特點(diǎn)而成為對(duì)地觀測(cè)領(lǐng)域不可或缺的傳感器[1]。合成孔徑雷達(dá)對(duì)地觀測(cè)技術(shù)有多種手段，其中合成孔徑雷達(dá)干涉(Interferometric Synthetic Aperture Radar,InSAR)技術(shù)是一種重要的觀測(cè)手段。雖然InSAR在技術(shù)上有著巨大的優(yōu)勢(shì)，但在2016年前，僅德國(guó)擁有TerraSAR-X高分辨率雷達(dá)衛(wèi)星；加拿大擁有RADARSAT-1和RADASAT-2合成孔徑雷達(dá)衛(wèi)星；意大利航天局擁有高分辨率衛(wèi)星COSMO-SkyMed[2]；而國(guó)內(nèi)能夠研究的SAR衛(wèi)星很少，高分三號(hào)的發(fā)射解決缺少SAR衛(wèi)星的燃眉之急。

高分三號(hào)衛(wèi)星于2016-8-10在太原衛(wèi)星發(fā)射中心成功發(fā)射，作為首顆分辨率達(dá)到1 m的合成孔徑雷達(dá)(SAR)衛(wèi)星，提升我國(guó)對(duì)地遙感觀測(cè)能力[3]。但高分三號(hào)作為一顆新星，在衛(wèi)星對(duì)地觀測(cè)應(yīng)用方面國(guó)內(nèi)研究少之又少。雖然高分三號(hào)衛(wèi)星產(chǎn)生衛(wèi)星影像數(shù)量多，但是能滿足合成孔徑干涉處理的數(shù)據(jù)卻很少，所以如何集中挑選出滿足干涉條件的數(shù)據(jù)是一個(gè)問題；我國(guó)科學(xué)家利用高分三號(hào)衛(wèi)星數(shù)據(jù)生成我國(guó)第一幅衛(wèi)星干涉SAR影像[4]，并從影像中提取亞厘米級(jí)的地面沉降信息，但是并未就基于高分三號(hào)的地面形變信息提取展開研究。因此本文就以上兩個(gè)問題進(jìn)行研究，利用河南省登封市周邊市區(qū)2016-11-29到2016-12-28高分三號(hào)數(shù)據(jù)進(jìn)行合成孔徑雷達(dá)干涉測(cè)量研究，并與哨兵一號(hào)數(shù)據(jù)在同一地區(qū)同一天的實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析。

2 理論分析

2.1 合成孔徑干涉測(cè)量原理

以典型的正側(cè)視SAR成像模式為例，可將InSAR測(cè)高幾何化簡(jiǎn)為二維平面模型，如圖1所示。

圖1 InSAR測(cè)高幾何模型

圖1中P為衛(wèi)星兩次觀測(cè)的同一目標(biāo)點(diǎn)，h為P到參考橢球面的高程，S1，S2分別代表衛(wèi)星兩次觀測(cè)P點(diǎn)時(shí)的位置，R1，R2分別代表衛(wèi)星S1，S2到目標(biāo)點(diǎn)P的距離(斜距)，B為S1，S2之間的空間基線矢量，并且B與水平方向的夾角(基線夾角)為α[5]。設(shè)S1為主衛(wèi)星，則S1到參考橢球面的垂直高度為H，θ為S1觀測(cè)目標(biāo)點(diǎn)P時(shí)的視角，顯然，在不考慮地球曲率的情況下：

h=H-R1cosθ.

微波傳播路徑為一個(gè)波長(zhǎng)的距離，相位的變化量為一個(gè)周期，即為2π。因此雷達(dá)波經(jīng)過斜距長(zhǎng)度R時(shí)，相位變化量：

將衛(wèi)星S1，S2對(duì)同一點(diǎn)目標(biāo)點(diǎn)P所形成的相位差(φ1-φ2)記為干涉相位(φint)，同時(shí)考慮到雷達(dá)波的波程從傳感器到目標(biāo)，再?gòu)哪繕?biāo)點(diǎn)返回傳感器，共經(jīng)歷2倍的斜距距離，在重復(fù)軌道觀測(cè)的模式下，則相位差與斜距差的關(guān)系：

2.2 圖像互配準(zhǔn)

圖像配準(zhǔn)是干涉處理最基礎(chǔ)的一步，復(fù)數(shù)SAR數(shù)據(jù)的干涉處理是聯(lián)合兩幅單視復(fù)數(shù)影像(SLC)S1和S2生成干涉圖[7]，需要把兩幅影像配準(zhǔn)到亞像元的精度。為提高干涉相關(guān)性超過5%，要求配準(zhǔn)精度優(yōu)于0.1個(gè)像素?；ヅ錅?zhǔn)包括組成干涉對(duì)的兩幅影像之間距離向和方位向偏移值的計(jì)算和副影像的重采樣，使副影像和主影像完美地配準(zhǔn)[8]。計(jì)算兩個(gè)單視復(fù)數(shù)影像(SLC)之間的偏移值包括兩步：搜索影像，整幅影像估計(jì)一些小區(qū)域局部偏移值和產(chǎn)生偏移多項(xiàng)式，多項(xiàng)式實(shí)現(xiàn)副影像匹配參考影像的重采樣。

為得到配準(zhǔn)關(guān)系的各項(xiàng)系數(shù)，通過在影像之間的分布的一系列窗口，為主輔影像上每個(gè)相對(duì)應(yīng)的窗口估計(jì)一個(gè)平移量，通過對(duì)這一系列的平移量進(jìn)行最小二乘平差處理以確定這些系數(shù)[9-10]。

2.3 干涉相位圖與差分干涉相位

形變前后獲取的兩幅SAR圖像經(jīng)過高精度的配準(zhǔn)之后，進(jìn)行相乘并取相角，生成相位干涉圖。此時(shí)的干涉相位反映地表的形變信息。

U1=u1ejφ1=u1(cosφ1+jsinφ1)，

U2=u2ejφ2=u2(cosφ2+jsinφ2)，

|u1||u2|×ej(φ1-φ2).

解纏后的形變相位是相對(duì)值，此時(shí)的形變相位圖反映整個(gè)觀測(cè)區(qū)的相對(duì)形變關(guān)系，理論上需已知形變量作為控制點(diǎn)進(jìn)行絕對(duì)形變值解算，通過人工經(jīng)驗(yàn)指定無地表形變的點(diǎn)作為形變相位零值參考點(diǎn)，來反映整個(gè)區(qū)域的形變量。

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

3.1 測(cè)區(qū)概況

本文以河南省登封市周邊地區(qū)為例，登封地區(qū)地殼活動(dòng)頻繁，巖漿巖活動(dòng)較為強(qiáng)烈，有利形成多樣性礦產(chǎn)地質(zhì)狀況。

文中測(cè)區(qū)由北至滎陽(yáng)市，南至新鄭市，西至登封市，東至鄭州市圍成區(qū)域。 如圖2所示。 該區(qū)域有大量的銅礦，地表表面有明顯的沉降區(qū)域，適合作為實(shí)驗(yàn)對(duì)象。

圖2 實(shí)驗(yàn)測(cè)量區(qū)域圖

干涉必須是對(duì)同一目標(biāo)采用同一角度進(jìn)行觀測(cè)，高分三號(hào)需要29 d才可能回到同一目標(biāo)上進(jìn)行相同角度觀測(cè)，所以在篩選數(shù)據(jù)時(shí)，首先要確定在同一地區(qū)的兩幅重軌影像數(shù)據(jù)，其次只有在雷達(dá)入射角相同的情況下，雷達(dá)接收的電磁波波譜相同，通過距離向和方位向壓縮成像才有可能形成干涉對(duì)，經(jīng)過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，高分三號(hào)干涉實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)必須滿足兩點(diǎn)：數(shù)據(jù)采集時(shí)間為29 d或者29 d的倍數(shù)；雷達(dá)入射角必須相同。

3.2 InSAR技術(shù)實(shí)驗(yàn)

由于雷達(dá)飛行時(shí)間和軌道不同，得到兩幅主輔影像的寬幅不盡相同，而進(jìn)行干涉測(cè)量要求兩幅圖像大小相同，并且有重疊區(qū)域，兩幅圖像對(duì)于同一點(diǎn)的偏差小于0.1個(gè)像素，所以需要對(duì)于輔影像進(jìn)行重采樣，與原圖像進(jìn)行配準(zhǔn)，達(dá)到兩幅圖像幾乎完全一致。圖3為主影像，圖4為輔影像，輔影像的寬幅遠(yuǎn)大于主影像，而實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)為與主圖像的重疊區(qū)域?yàn)橄掳爰t色部分，也就是進(jìn)行干涉測(cè)量實(shí)驗(yàn)的區(qū)域，如圖5所示。

圖3 主影像

圖4 輔影像

圖5 重采樣后的輔影像

圖6 配準(zhǔn)后的圖像

配準(zhǔn)前進(jìn)行重采樣，首先計(jì)算局部偏移量，利用局部估計(jì)值生成配準(zhǔn)多項(xiàng)式。在影像之間的開設(shè)256像素×256像素的窗口，然后為主輔影像上每個(gè)相應(yīng)的窗口估計(jì)一個(gè)平移量，最后通過一系列的平移量進(jìn)行最小二乘平差處理以確定這些參數(shù)。圖6為配準(zhǔn)后兩幅影像對(duì)于同一點(diǎn)(圖中紅色圈區(qū)域)進(jìn)行比較得到的結(jié)果，距離向配準(zhǔn)精度為0.08個(gè)像素，方位向配準(zhǔn)精度為0.03個(gè)像素，整體的配準(zhǔn)精度為0.085個(gè)像素，小于0.1個(gè)像素，兩幅圖像幾乎完全配準(zhǔn)，滿足配準(zhǔn)要求。將重采樣后的輔影像與主圖像進(jìn)行共軛相乘，形成干涉條紋圖。

3.3 高分三號(hào)衛(wèi)星與哨兵一號(hào)衛(wèi)星實(shí)驗(yàn)分析

根據(jù)InSAR原理，得到未解纏的干涉相位圖，將DEM模擬的地形相位從干涉圖中去除，將形變相位進(jìn)行相位濾波和最小費(fèi)用流法(MCF)進(jìn)行相位解纏，還原原始相位，分別得到相位解纏圖，如圖7所示。

圖7 高分三號(hào)解纏相位圖

圖8 哨兵一號(hào)解纏相位圖

圖7為高分三號(hào)相位解纏圖，圖8為哨兵一號(hào)相位解纏圖，由于高分三號(hào)圖像存在顛倒倒置的，所以哨兵一號(hào)與高分三號(hào)的圖像存在位置上的差異，從圖中明顯可以看出粉色區(qū)域?yàn)榻饫p之后的形變相位，高分三號(hào)和哨兵一號(hào)都檢測(cè)出該實(shí)驗(yàn)區(qū)域的形變量，如圖中紅色圈中所選的地區(qū)，都發(fā)生了明顯的形變。本文選擇了一個(gè)形變區(qū)域進(jìn)行研究，對(duì)比高分三號(hào)與哨兵一號(hào)對(duì)于山區(qū)的形變監(jiān)測(cè)，如圖9和圖10所示。

圖9和圖10中可以看出，相同區(qū)域下，高分三號(hào)對(duì)于地形形變有著非常的敏感度，在同樣的地區(qū)監(jiān)測(cè)出更多地方明顯的形變，如圖9所示綠色和黃色圓圈區(qū)域。哨兵一號(hào)監(jiān)測(cè)山區(qū)的地表(圖10黃色區(qū)域)沉降量為±0.05 m，而高分三號(hào)監(jiān)測(cè)山區(qū)的地表(圖10黃色區(qū)域)沉降量只有±0.03 m，說明在這個(gè)地區(qū)，哨兵一號(hào)監(jiān)測(cè)的地表形變與高分三號(hào)監(jiān)測(cè)的形變基本一致。圖11為探測(cè)區(qū)域衛(wèi)星圖，該研究區(qū)域(紅色方框區(qū)域)為河南省槐樹坪村，2015年，國(guó)土資源部發(fā)現(xiàn)該區(qū)域有金礦資源量接近40 t，由于大型礦場(chǎng)不斷開采，造成不同地區(qū)地表的沉降，這些沉降符合研究結(jié)果。

圖9 高分三號(hào)形變圖

圖10 哨兵一號(hào)形變圖

圖11 實(shí)驗(yàn)區(qū)域衛(wèi)星圖

4 結(jié) 論

1)本文利用高分三號(hào)河南省登封市周圍的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，通過進(jìn)行合成孔徑雷達(dá)干涉測(cè)量實(shí)驗(yàn)，獲取河南省槐樹坪村±0.03 m的地表沉降量，生成該地區(qū)的形變圖，驗(yàn)證該地區(qū)由于金礦開采導(dǎo)致的地表沉降，同時(shí)驗(yàn)證高分三號(hào)作為SAR衛(wèi)星具有InSAR的能力。

2)將高分三號(hào)得到的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與哨兵一號(hào)得到的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)同一地區(qū)進(jìn)行比較，高分三號(hào)能夠測(cè)量多處山區(qū)的沉降；哨兵一號(hào)作為一顆比較成熟的InSAR衛(wèi)星，它能夠輔助驗(yàn)證通過高分三號(hào)數(shù)據(jù)分析得到的形變。因此高分三號(hào)可以與哨兵一號(hào)在一定程度上配合使用，也要加大高分三號(hào)與其他InSAR衛(wèi)星的聯(lián)系，例如COSMO-SkyMed星、TerraSAR-X，這樣高分三號(hào)可以得到更加廣泛的應(yīng)用。

3)盡管驗(yàn)證高分三號(hào)進(jìn)行一定程度地干涉測(cè)量，但是只有觀測(cè)周期為29 d或者29 d的倍數(shù)，并且雷達(dá)的入射角相同的數(shù)據(jù)才有可能進(jìn)行干涉測(cè)量，大部分的高分?jǐn)?shù)據(jù)不滿足干涉測(cè)量條件，1 000多景衛(wèi)星影像中只能挑出數(shù)10對(duì)干涉對(duì)，這將大大影響高分三號(hào)的應(yīng)用，如何調(diào)整高分三號(hào)衛(wèi)星數(shù)據(jù)質(zhì)量，得到更多的干涉對(duì)，將是未來研究的重要內(nèi)容。