差分干涉技術(shù)在變形觀測中的應(yīng)用
2013-04-23 來源：中國鳴網(wǎng)
引言
地面沉降監(jiān)測是對(duì)地觀測的方法之一，經(jīng)典的方法是采用精密水準(zhǔn)測量，觀測一、二等水準(zhǔn)網(wǎng)，然后計(jì)算平差，得到微小地面沉降的變化值。近代GPS技術(shù)開始融入到地面沉降監(jiān)測工作中。然而，受到若干條件的限制，GPS測量的數(shù)據(jù)密度往往不夠，而且目前其空間域的分辨率也難以滿足高空間分辨率形變監(jiān)測的要求。
星載雷達(dá)差分干涉測量（D-InSAR）技術(shù)是20世紀(jì)90年代發(fā)展起來的1項(xiàng)對(duì)地觀測新技術(shù)，其是利用雷達(dá)圖像的相位差信息，精確測量出圖像上每個(gè)點(diǎn)的三維位置，用于提取地面目標(biāo)點(diǎn)微小地形變化的技術(shù)，精度能達(dá)到厘米級(jí)甚至毫米級(jí)，干涉圖質(zhì)量較好時(shí)，可以從干涉圖識(shí)別出毫米級(jí)的形變。
D-InSAR技術(shù)的特點(diǎn)是面積大、快速、準(zhǔn)確、成本低，其實(shí)用性大大優(yōu)于常規(guī)地面沉降監(jiān)測技術(shù)。目前，SAR數(shù)據(jù)已覆蓋了全球大部分區(qū)域，在無常規(guī)測量數(shù)據(jù)區(qū)域的地震監(jiān)測中發(fā)揮著顯著優(yōu)勢。筆者在深入研究D-InSAR技術(shù)的基礎(chǔ)上，對(duì)在地面沉降監(jiān)測應(yīng)用中的研究，解決了D-InSAR技術(shù)中影像處理面臨的一些關(guān)鍵問題，得到最終的地表形變結(jié)果。
1、D-InSAR的三軌法
通常，進(jìn)行地面沉降差分干涉，需要獲取被觀測地區(qū)沉降前后的2幅影像，通過比較得出形變量。
在2幅影像干涉圖中，同時(shí)包含有相位信息和地形信息。欲得到形變量，需除去其中的地形信息，因此，必須先太清楚地面的DEM值，被稱為“二軌法”。
在難以獲得地面DEM值時(shí)，可采用“三軌法”。三軌法需要用到同一區(qū)域的3幅影像，分別是形變前的2幅和形變后的1幅。然后，利用這3幅影像可生成2幅干涉紋圖，其中，1幅呈現(xiàn)形變前的地形信息，另1幅呈現(xiàn)形變后的地形信息。同樣的，對(duì)2幅干涉圖進(jìn)行匹配、重采樣、去除平地效應(yīng)和相位解纏，最后將2幅影像進(jìn)行差分，便可得到地表沿視線方向的地形變化。
這方法的優(yōu)點(diǎn)是無需地面信息，如DEM，對(duì)于一些無地形數(shù)據(jù)的變化監(jiān)測尤為重要;缺點(diǎn)是相位解纏較復(fù)雜，其質(zhì)量將影響到最終的形變結(jié)果。
2、D-InSAR技術(shù)在巴姆地區(qū)的應(yīng)用
2.1 被觀測數(shù)據(jù)的選取
針對(duì)不同的干涉應(yīng)用需選取合適的SAR干涉影像對(duì)。伊朗東南部城市巴姆地區(qū)曾于2003年發(fā)生了強(qiáng)度為6.6級(jí)的大地震，為了利用D-InSAR技術(shù)獲取巴姆地震引起的地面形變，歐空局（ESA）提供了7幅ENVISAT ASAR數(shù)據(jù)。其中，4幅為降軌數(shù)據(jù), 巴姆古城位于圖像中部，Track號(hào)為120;3幅為升軌數(shù)據(jù), 巴姆古城位于圖像的近距端，Track號(hào)為385。
進(jìn)行干涉處理，要求像對(duì)必須相干，因此，選取像對(duì)時(shí)必須考慮2個(gè)因素：a）臨界基線距的限制。過短的基線將無法監(jiān)測出形變變化量，過長的基線將導(dǎo)致2幅影像間的相關(guān)系數(shù)過低而無法形成干涉;b）存在時(shí)間間隔的影像。對(duì)于地形變監(jiān)測為目的的干涉測量，其時(shí)間基線的選取要盡可能地短，以減小時(shí)間的去相關(guān)影響。
利用Eoli-sa軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)選取時(shí)，根據(jù)被觀測區(qū)域的經(jīng)緯度和時(shí)間，查找合適的干涉數(shù)據(jù)。其中，Orbit確定軌道，景號(hào)（Frame）確定雷達(dá)照射區(qū)域位置，航跡號(hào)（track）確定成像時(shí)間。用于干涉測量的SAR數(shù)據(jù)必須具有相同的 track和 frame。
從中看出，形變前的影像9192和6687以及形變后的影像9693具有相同的Track號(hào)。6687的Frame為3020，即中心結(jié)點(diǎn)號(hào)為3020，該幅影像的結(jié)點(diǎn)跨度3011～3029。因?yàn)?，ENVISAT衛(wèi)星的軌道被分割成7200個(gè)結(jié)點(diǎn)，通過與影像中心相近的400個(gè)結(jié)點(diǎn)來標(biāo)識(shí)SAR的Frame號(hào)。因此，2個(gè)相鄰的Frame用18個(gè)結(jié)點(diǎn)來標(biāo)識(shí)。同理，9192影像的結(jié)點(diǎn)跨度3004～3021，即這2幅影像有共同的結(jié)點(diǎn)，即有共同區(qū)域，進(jìn)而得出9693與9192也有共同的區(qū)域。
2.2 實(shí)驗(yàn)過程
筆者采取三軌法進(jìn)行差分處理，分別利用9192和6687構(gòu)成的像對(duì)，9192和9693構(gòu)成的像對(duì)，得出地震形變前后的地形，然后，再對(duì)這2個(gè)像對(duì)影像進(jìn)行差分，獲得地面點(diǎn)高程的形變信息。差分的關(guān)鍵步驟包括干涉影像的配準(zhǔn)、干涉圖的濾波、去除平地效應(yīng)、相位解纏，最后把相位信息轉(zhuǎn)換到高程。
2.2.1 SAR復(fù)數(shù)影像配準(zhǔn)
在雷達(dá)干涉處理中，配準(zhǔn)的目的是將2幅影像上的對(duì)應(yīng)點(diǎn)處理成地面上同名地物點(diǎn)。先采用匹配方法找到2幅影像上的同名點(diǎn)，繼而確定2點(diǎn)的偏移量，再對(duì)其中1幅影像進(jìn)行重采樣，使2幅影像上的同名點(diǎn)一一對(duì)應(yīng)。
干涉雷達(dá)復(fù)圖像的匹配，分粗匹配和精匹配兩步進(jìn)行[2]。確定圖像搜索窗內(nèi)按行列不同的整像元偏移量為粗匹配，計(jì)算復(fù)圖像對(duì)之間的匹配質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo),得到精度在像元級(jí)的匹配;精匹配通過對(duì)復(fù)圖像作亞像元插值，再計(jì)算匹配指標(biāo)。理論上，匹配度需要達(dá)到子像素級(jí)（1/10像素）[3]。匹配策略如下：
a）粗匹配采用基于衛(wèi)星軌道參數(shù)的方法。由于衛(wèi)星飛行的軌道參數(shù)是可確定的，且較準(zhǔn)確和穩(wěn)定，因此是最基本的粗匹配方法。其優(yōu)點(diǎn)是能自動(dòng)完成偏移量的估算，缺點(diǎn)是匹配精度較低。
式中，Pm（x,y）和Ps（x,y）對(duì)應(yīng)主影像和輔影像的行列值。粗定位就是利用衛(wèi)星軌道參數(shù)計(jì)算同名點(diǎn)對(duì)的偏移量offset（x,y）;
b）像元級(jí)匹配。干涉雷達(dá)測量中復(fù)圖像的像元級(jí)配準(zhǔn)通常采用基于窗口的配準(zhǔn)技術(shù),利用主圖像和輔圖像在空間域或頻率域進(jìn)行配準(zhǔn)。筆者采用的匹配相似性評(píng)價(jià)參數(shù)是較基本相關(guān)系數(shù)法，它也是其他很多匹配算法的基礎(chǔ)，且計(jì)算起較簡單，不會(huì)出現(xiàn)太大誤差;
c）亞像元級(jí)匹配。亞像元級(jí)匹配是在像元級(jí)匹配的基礎(chǔ)上進(jìn)行的。影像對(duì)（9192和9693）配準(zhǔn)的統(tǒng)計(jì)分析見表1。
隨意選取10個(gè)精配準(zhǔn)點(diǎn)，檢查其偏移量及精匹配的結(jié)果。匹配完成后，2幅影像上的同名點(diǎn)僅存在較小差異，用這些點(diǎn)作為控制點(diǎn)對(duì)，用二次多項(xiàng)式擬合確定2幅影像中任何1個(gè)匹配位置的相對(duì)偏移量;
2.2.2 干涉圖的生成和處理
計(jì)算干涉系數(shù)由2幅影像上對(duì)應(yīng)點(diǎn)共軛相乘得到，是作為評(píng)價(jià)干涉圖質(zhì)量的依據(jù)。干涉系數(shù)產(chǎn)生的相干圖能直觀地顯示干涉圖的質(zhì)量，因此，相干圖也可作為解纏質(zhì)量的依據(jù)。通過處理得到，相干圖上相干系數(shù)較大的區(qū)域是干涉效果較好的區(qū)域，干涉條紋較為明顯，解纏也相對(duì)容易，反之，相干系數(shù)小或者干涉條紋不清楚的地方，一般不易解纏成功。
從中看出，震前震后的2幅干涉圖中垂直基線都很大，在干涉圖相位中的山區(qū)部分即右下角，基線去相關(guān)現(xiàn)象較嚴(yán)重，致使相干性很差，表現(xiàn)為黑色。
解纏前還要進(jìn)行濾波，濾波的目的不僅為提高信噪比，且能為解纏計(jì)算提供較好的數(shù)據(jù)，在去除干涉
圖噪聲的基礎(chǔ)上能保持邊緣信息，防止產(chǎn)生誤差。筆者采用Goldstein濾波算法，去除噪聲后條紋清晰，很好地保留了地形信息。圖4為主、輔影像干涉圖去除平地效應(yīng)的結(jié)果，為進(jìn)行dstein濾波的結(jié)果。
將震前后去除平地效應(yīng)的地形相減，得到形變的地形。這時(shí)，顯示的還是周期性的條紋，表示地形的相位還是纏繞的，沒有得到真實(shí)地形，需要通過解纏來得到地形的真實(shí)高程。
2.2.3 形變地形的相位解纏
相位解纏的結(jié)果直接影像地面沉降量的精度,是InSAR數(shù)據(jù)處理過程中的關(guān)鍵。相位解纏的基本思想從數(shù)學(xué)方面講，假設(shè)給定1個(gè)二維相位矩陣Ψi,j，為了獲得該矩陣的真實(shí)值，需要對(duì)每個(gè)點(diǎn)（i,j）加上或減去2π的整數(shù)倍，得到1個(gè)連續(xù)的函數(shù)Φi,j [6]，即
其中，ki,j為整數(shù)，-π≤Ψi,j<π，i ∈[0,M-1]， j ∈[0,N-1]。圖6給出的是形變干涉的結(jié)果。
進(jìn)行相位解纏計(jì)算時(shí)必須兼顧到一致性和精確性。一致性是指解纏后任意2點(diǎn)之間的相位差與2點(diǎn)之間路徑無關(guān)，精確性則是指解纏后的相位要能忠實(shí)地恢復(fù)原始相位函數(shù)。將解纏相位梯度和纏繞相梯度之間的差異最小化，即最小成本網(wǎng)絡(luò)流法，見圖7。
3、實(shí)驗(yàn)結(jié)果
從干涉圖可以看出,相隔175天和相隔35天的干涉圖其相關(guān)性依然保持很好,這是因?yàn)榘湍返貐^(qū)氣候干旱,植被稀少，保持了很好的相干性。
從中可以看到，條紋變化較大的為形變區(qū)。根據(jù)條紋的分布也可得出形變結(jié)果。ASAR雷達(dá)采用的是C波段微波成像，波長λ為5.666 cm，可利用式（3）計(jì)算出，
每個(gè)周期的條紋變化代表了2.8 cm的形變量。從圖6中還可以看到，干涉條紋的顏色周期是不同的。根據(jù)GMT畫出的圖8、圖9表示形變的三維狀況。其中，北邊區(qū)域?yàn)橄鲁羺^(qū)，其形變的最大值為-17.8 cm，南邊區(qū)域?yàn)樯仙齾^(qū)，其形變最大值達(dá)到+29.9 cm。
4、結(jié)語
使用多級(jí)配準(zhǔn)方法，利用三軌法差分干涉測量技術(shù)對(duì)ENVISAT ASAR雷達(dá)影像進(jìn)行處理，可以使配準(zhǔn)結(jié)果達(dá)到1/10像素;通過對(duì)干涉圖進(jìn)行去除平地效應(yīng)、濾波等處理，分析獲取影像期間地物的變化情況，針對(duì)被觀測地區(qū)的具體條件，選擇最優(yōu)算法，可獲取地震。
