余博 李如仁 陳振煒 張過

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“高分三號”衛(wèi)星圖像干涉測量試驗

余博1, 2李如仁1陳振煒2張過2

（1 沈陽建筑大學(xué)交通工程學(xué)院，沈陽 110168） （2武漢大學(xué)測繪遙感信息工程國家重點實驗室，武漢 430079）

由于自然或人工建造引起的形變可能引發(fā)災(zāi)難，對其進行形變量監(jiān)測非常必要，合成孔徑雷達（SAR）技術(shù)與傳統(tǒng)監(jiān)測技術(shù)相比，可以實現(xiàn)全天候?qū)Φ赜^測，并監(jiān)測地表的形變?！案叻秩枴保℅F-3）衛(wèi)星作為中國國首顆SAR衛(wèi)星，是否具有干涉測量的能力以及精度尚待驗證，為此文章利用GF-3衛(wèi)星SAR數(shù)據(jù)對河南省登封市周邊地區(qū)進行二軌差分干涉處理，獲取了該地區(qū)的地表形變圖。結(jié)果表明地表相對沉降量為±0.03m，驗證了GF-3衛(wèi)星作為SAR衛(wèi)星具有了干涉測量（InSAR）的能力。針對GF-3衛(wèi)星數(shù)據(jù)由于軌道誤差引起的平行條紋導(dǎo)致相位解纏效果不好的問題，提出利用SRTM（Shuttle Radar Topograpty Mision）DEM高程作為所選樣本點的高程，選取5個地面控制點，消除了由于軌道誤差引起的平行條紋，提高了反演的形變量精度；GF-3衛(wèi)星與技術(shù)成熟的“哨兵一號”衛(wèi)星同一測區(qū)數(shù)據(jù)對比，形變信息大致相同。GF-3衛(wèi)星作為一顆SAR新星具有干涉測量的能力，同時精度上也滿足監(jiān)測的需求。

變形監(jiān)測 基線估計 合成孔徑雷達 “高分三號”衛(wèi)星 遙感應(yīng)用

0 引言

我國是一個災(zāi)害頻發(fā)的國家，各種地質(zhì)原因和人類活動等因素都會誘發(fā)或造成區(qū)域形變?yōu)暮?，如坍塌、滑坡、泥石流等主要由自然地質(zhì)作用引起的。變形是普遍存在于自然界，變形體的形變量在一定范圍是容許的，如果超過閾值，則可能引發(fā)災(zāi)難。所以對于這些形變量的監(jiān)測是必要的。隨著我國對衛(wèi)星遙感事業(yè)的重視和投入加大，我國衛(wèi)星對地觀測領(lǐng)域的發(fā)展越來越迅速和壯大。衛(wèi)星對地觀測技術(shù)是獲取地球空間信息的一個重要途徑，在農(nóng)林、水利、土地、地礦、環(huán)保等領(lǐng)域具有重要作用。

星載SAR衛(wèi)星[1]有較好的軌道控制能力和固定周期的重軌飛行及其廣闊的測量范圍，在測量人為無法達到的地區(qū)時，星載衛(wèi)星發(fā)揮自身優(yōu)勢[2]，定期對潛在危險的地區(qū)進行周期監(jiān)控，避免災(zāi)害發(fā)生，對于重大災(zāi)害頻發(fā)地區(qū)，可以進行大范圍監(jiān)測，提前預(yù)防災(zāi)害發(fā)生，減少損失?！案叻秩枴保℅F-3)衛(wèi)星于2016年8月10日在太原衛(wèi)星發(fā)射中心成功發(fā)射，作為首顆分辨率達到1m的合成孔徑雷達（SAR）民用衛(wèi)星，提升了我國對地遙感觀測能力[3]。GF-3衛(wèi)星信號穿透力強，圖像分辨率高，具有12種成像模式，利用不同模式下的衛(wèi)星影像，對潛在危險地區(qū)進行快速、精確觀測，從而做到有效預(yù)防災(zāi)害[4]。采用GF-3衛(wèi)星數(shù)據(jù)對河南省登封市周邊地區(qū)進行InSAR技術(shù)處理，依據(jù)SRTM DEM高程作為所選樣本點的高程，根據(jù)地面控制點很好地消除了由于軌道誤差引起的基線誤差，為后續(xù)反演形變量減少了誤差量，經(jīng)過地理編碼、相位濾波、相位解纏等處理，最終反演出形變量，并與成熟的“哨兵一號”（Sentinel-1）衛(wèi)星進行對比，在同一地區(qū)探測出發(fā)生形變的區(qū)域基本一致?！吧诒惶枴毙l(wèi)星為一顆C波段合成孔徑雷達（SAR），衛(wèi)星重訪周期為6天，具有條帶成像模式，與GF-3衛(wèi)星具有相似的特性。

1 應(yīng)用分析

1.1 測量原理

以典型的正側(cè)視SAR成像模式為例[5]，可將InSAR測高幾何化簡為二維平面模型，如圖1所示。

圖1中為衛(wèi)星兩次觀測的同一目標(biāo)點；為到參考橢球面的高程；1、2分別代表衛(wèi)星兩次觀測點時的位置；1、2分別代表衛(wèi)星1、2到目標(biāo)點的距離（斜距）；為1、2之間的空間基線矢量，并且與水平方向的夾角（基線夾角）為。設(shè)1為主衛(wèi)星，則1到參考橢球面的垂直高度為；為1觀測目標(biāo)點時的視角。顯然，在不考慮地球曲率的情況下，表示為

微波傳播路徑為一個波長的距離時，相位的變化量為一個周期，即為2π。因此雷達波經(jīng)過斜距長度時，相位變化量為

將衛(wèi)星1、2對同一點目標(biāo)點所形成的相位差(12)記為干涉相位int，同時考慮到雷達波的波程從傳感器到目標(biāo)，再從目標(biāo)點返回傳感器[6]，共經(jīng)歷了2倍的斜距距離，在重復(fù)軌道觀測的模式下，則相位差與斜距差△的關(guān)系表示為

每個像素信息通過復(fù)數(shù)的形式來表達，經(jīng)過精配準(zhǔn)的兩張復(fù)數(shù)影像就可以形成一一對應(yīng)關(guān)系，然后將對應(yīng)的像素進行共軛相乘，就可以得到干涉條紋

式中1為主影像相位信息；2為輔影像相位信息；int為干涉圖相位信息。

1.2 處理方法研究

合成孔徑差分干涉測量的目的就是從干涉圖中分離地形和形變量[7]。為了確定沉降成分，必須去除地形相位。把差分干涉分為二軌差分干涉和三軌或四軌差分干涉。區(qū)分獲得差分干涉的方法不僅僅是否有可用的數(shù)字高程模型（DEM），還有是否需要相位解纏。如表1所示。

表1 不同差分干涉方法

Tab.1 Differential interference methods

二軌差分干涉依據(jù)一個像對和一個DEM，這個DEM要么是地圖投影，要么是斜距–方位向的SAR結(jié)構(gòu)。如果DEM是地圖投影，就必須把它從地圖轉(zhuǎn)換到雷達結(jié)構(gòu)。二軌差分干涉的基本觀點是：依據(jù)DEM模擬參考干涉圖（干涉圖的相位高程對應(yīng)著地表高程），為了達到目的，首先將DEM從原始的坐標(biāo)系統(tǒng)轉(zhuǎn)換到參考SAR圖像坐標(biāo)系。該過程分為兩步：第一步，根據(jù)已有的DEM和SAR圖像坐標(biāo)系信息進行幾何轉(zhuǎn)換，同時，在這一步中，基于本地像元分辨率和入射角模擬了SAR強度圖。第二步中，估計模擬SAR影像和真實的SAR影像之間的偏移量，然后，利用該偏移量將轉(zhuǎn)換后的DEM配準(zhǔn)到SAR圖形坐標(biāo)系中[8]。

三軌差分干涉相較于二軌差分干涉的優(yōu)點是不需要提供DEM。但是，另一方面，使用DEM獲得地形相位可以避免相位解纏的問題和由于對流層和電離層造成的地形相位的誤差。三軌差分干涉中兩幅干涉圖使用了同一個參考坐標(biāo)系，從而避免了多做一次額外的配準(zhǔn)和重采樣的工作，這是它相對于四軌差分干涉的優(yōu)點。另一方面，因為四軌差分干涉中使用的是兩對完全獨立的像對，所以在數(shù)據(jù)選擇上具有更大的自由。

綜合考慮，本文采用二軌差分干涉方法，使用二軌差分干涉生成復(fù)差分干涉圖是非常穩(wěn)定的。

1.3 基線分析

（1）基線長度

基線在InSAR成像測量原理中是一個重要的概念，它被定義為兩幅天線的空間或時間的矢量幾何關(guān) 系[9]。基線參數(shù)包括長度和傾角兩個因素，并同時影響高度誤差。

將基線沿視線方向分解，得平行于視線分量‖和垂直于視線分量⊥

⊥=cos(–) （7）

‖=sin(–) （8）

平行基線的大小影響平地效應(yīng)，而垂直基線的大小影響著兩幅復(fù)影像能否進行干涉處理，基線越大，對目標(biāo)的入射角差異越大，則兩次信號間的頻譜重疊度越小，相干性越差，當(dāng)基線達到一定長度時，兩個信號的頻譜完全沒有重疊部分，則徹底失相干，無法形成干涉。因此選取圖像需要重點考慮基線的大小[10]。

（2）基線估計

干涉基線的初步估計是從軌道數(shù)據(jù)或平均干涉條紋頻率得到的。初始基線估計對于平地相位去除，干涉條紋圖的濾波和相干系數(shù)的估計是足夠的。但是對于將解纏后的干涉相位轉(zhuǎn)換到地形高程上，初步基線估計還是不夠精確的，必須進行更精確的基線估計。干涉圖包含了衛(wèi)星軌道信息和形變信息，軌道估計中錯誤的軌道和半徑信息會在干涉圖中產(chǎn)生條紋，而這些條紋無法從形變區(qū)域分辨出來。可選出5個地面控制點，在TCN（軌道切向、垂直于軌道方向和法線方向）坐標(biāo)系下推到基線估計方法，由SRTM DEM高程作為選取控制點的高程值來減少上述誤差，但是引入DEM可能引起誤差。

高程關(guān)于干涉相位int的敏感度為

干涉相位int關(guān)于形變量的敏感度為

選取0.5m精度的DEM，根據(jù)式（9）算出對于相位的敏感度，其中cos(是兩景圖像的垂直基線，為586m。再將相位敏感度帶入式（10），求出DEM引起形變量為0.017m。所以0.5m精度的DEM對于形變量影響是較小的，采用0.5m精度的DEM是可行的。

2 應(yīng)用試驗

2.1 測區(qū)概況

試驗測區(qū)為河南省登封市周邊地區(qū)，北至滎陽市，南至新鄭市，西至登封市，東至鄭州市，GF-3衛(wèi)星數(shù)據(jù)來自資源衛(wèi)星網(wǎng)。

干涉必須是對同一目標(biāo)采用同一角度進行觀測，GF-3衛(wèi)星為重復(fù)軌道觀測的衛(wèi)星，29天的重訪周期，所以試驗采用GF-3衛(wèi)星2016年11月29日和12月28日兩景單視復(fù)數(shù)數(shù)據(jù)（SLC）進行InSAR技術(shù)試驗。主影像為11月29日的影像，中心點經(jīng)緯度為（113.077 082 4，34.513 692 0），距離向采樣間距為2.248 433m，方位向采樣間距為2.863 753m。圖像距離向為14 000行，方位向為6 400行，距離向和方位向分別進行10×10的多視，多視之后距離向為1 400行，方位向為640行，有益于后續(xù)的相位濾波和相位解纏。

2.2 InSAR技術(shù)試驗

根據(jù)InSAR原理可知，雷達飛行時間和軌道不同，得到兩幅主輔影像的寬幅不盡相同，而進行干涉測量要求兩幅圖像大小相同，并且有重疊區(qū)域，兩幅圖像對于同一點的偏差小于0.1個像素，所以需要對于輔影像進行重采樣，與原圖像進行配準(zhǔn)，達到兩幅圖像幾乎完全一致。通過粗配準(zhǔn)和精配準(zhǔn)，配準(zhǔn)結(jié)果為：距離向配準(zhǔn)精度為0.08個像素，方位向配準(zhǔn)精度為0.03個像素，整體的配準(zhǔn)精度為0.085個像素，小于0.1個像素，兩幅圖像幾乎完全配準(zhǔn)，滿足配準(zhǔn)要求。利用式（6），將重采樣后的輔影像與主圖像進行共軛相乘，形成干涉條紋圖[11]。

運用上述所選取的二軌差分干涉法，利用SRTM DEM引入外部高程，進行地理編碼，將大地坐標(biāo)系中的DEM轉(zhuǎn)換成SAR投影坐標(biāo)中的高程，進行差分干涉處理，得到差分干涉圖，如圖2所示。

圖2 差分干涉圖

因為兩張SAR影像的相位差要求在相同的地理坐標(biāo)系下，然而在兩次不同的回波信號中，干涉處理的結(jié)果表明條紋是在距離向SAR天線和地面點的變化軌跡。若除去地形信息，那么可以得到差分干涉相位值，這個值記錄著形變的信息[12]。實際上這些值仍然包括地形、軌道的不確定性以及大氣的值。所以，干涉圖對于將形變信息從軌道的不確定信息中分辨出來是比較有限的[13]。數(shù)據(jù)處理表明衛(wèi)星軌道誤差會產(chǎn)生平行條紋，這些條紋無法從形變區(qū)域分離出來。圖2中，由于軌道誤差產(chǎn)生的平行條紋十分明顯，可利用SAR坐標(biāo)系5個地面控制點進行基線糾正，控制點的高程值由SRTM DEM提供。

因為已經(jīng)將圖像轉(zhuǎn)換到SAR坐標(biāo)系中，并且兩景配準(zhǔn)精度達到0.1個像素的要求，所以選取了SAR坐標(biāo)系中5個坐標(biāo)點，如表2所示。進行控制點地糾正，得到基線糾正信息，如表3所示，可知，基線是一個矢量形式存在的，將基線信息分解到O-坐標(biāo)系上，為基線沿方位向分量，為基線沿垂直方向分量，為基線垂直于平面分量。初始基線值通過5個控制點地糾正降低了3.368m，但是基線變化率從初始0.901 112 8糾正后為0.126 881 3，有了明顯的變化，基線變化率變小，使得軌道中錯誤的軌跡產(chǎn)生的梯度變小，平行條紋被消除[14]。

表2 控制點信息

Tab.2 The information of control point

表3 基線糾正信息

Tab.3 Baseline correction information

為了驗證以上結(jié)論，利用糾正后的精確基線信息進行差分干涉處理，相位濾波[15-16]、相位解纏[17-18]，得到GF-3衛(wèi)星解纏圖，見圖3。

圖3 GF-3衛(wèi)星解纏圖

圖2與圖3對比可知，圖2中明顯的平行條紋通過精確基線干涉處理[19]，已經(jīng)被完全消除，并且形變信息也能明顯識別（圖3紅色圈出地區(qū)），由此驗證了上述結(jié)論的正確性。圖3（a）為將地形疊到形變圖下面，直觀地看出變形地區(qū)；圖3（b）為解纏后未疊底圖的形變結(jié)果，與未發(fā)生形變地區(qū)相比較，圓圈1、2、3中有明顯地變形。圖3（a）（b）中1、2、3位置相對應(yīng)。

將圖3中圓圈1的形變放大，并且與“哨兵一號”[20]衛(wèi)星在該地區(qū)試驗結(jié)果對比，見圖4、圖5。

圖4 GF-3衛(wèi)星形變圖

圖5 “哨兵一號”衛(wèi)星形變圖

由圖4可以看出，相同區(qū)域下，GF-3衛(wèi)星對于地形形變有更高的敏感度，在同樣的地區(qū)監(jiān)測出更多地方明顯的形變（綠色和黃色圓圈區(qū)域）。測量出形變量是一個相對值，相對于周圍地形，形變量為±0.03m代表一個周期。圖中紅色部分可以驗證GF-3衛(wèi)星與“哨兵一號”衛(wèi)星監(jiān)測的是同一個地方，而哨兵監(jiān)測出該地區(qū)的形變相較于GF-3衛(wèi)星較少，但仍然監(jiān)測出黃色區(qū)域位置的形變，說明在這個地區(qū)，“哨兵一號”衛(wèi)星監(jiān)測的地表形變與GF-3衛(wèi)星監(jiān)測的形變基本一致，同樣也說明了GF-3衛(wèi)星可以應(yīng)用到大區(qū)域的變形監(jiān)測中[21]。

3 結(jié)束語

為了大范圍地監(jiān)測形變區(qū)域，同時為了驗證新星GF-3 衛(wèi)星在變形監(jiān)測中的應(yīng)用[22]，本文選取河南省河南省登封市周邊地區(qū)為試驗對象，采用二軌差分干涉方法，經(jīng)粗配準(zhǔn)、精配準(zhǔn)、差分干涉處理、相位濾波、相位解纏得到以下結(jié)果：

1）由于數(shù)據(jù)處理表明衛(wèi)星軌道誤差會產(chǎn)生平行條紋，這些條紋無法從形變區(qū)域分離出來。本文通過選取5個地面控制點，對于基線進行精細(xì)化處理，降低了基線的變化速率，通過圖2與圖3對比，成功消除了由于軌道誤差引起的平行條紋，為后續(xù)反演形變量減少了誤差源，使得反演的形變量更為精確。

2）利用GF-3衛(wèi)星河南省登封市周邊地區(qū)的試驗數(shù)據(jù)，通過進行合成孔徑雷達干涉測量試驗，獲取了河南省登封市西側(cè)槐樹坪村±0.03m的地表相對沉降量，生成了該地區(qū)的形變圖（圖4），同時驗證了GF-3衛(wèi)星作為SAR衛(wèi)星具有了InSAR的能力。

3）將GF-3衛(wèi)星得到的試驗數(shù)據(jù)與“哨兵一號”衛(wèi)星得到的試驗數(shù)據(jù)對同一地區(qū)進行比較，GF-3衛(wèi)星能夠測量多處山區(qū)的沉降；“哨兵一號”衛(wèi)星作為一顆比較成熟的InSAR衛(wèi)星，在同一地區(qū)，其反演結(jié)果與GF-3衛(wèi)星反演結(jié)果大致相同：驗證GF-3衛(wèi)星在大范圍變形監(jiān)測中的能力[23]。

由于GF-3衛(wèi)星是重復(fù)軌道測量的一顆衛(wèi)星，重訪周期為29天，根據(jù)數(shù)據(jù)統(tǒng)計，1 000景數(shù)據(jù)中大約只有300景數(shù)據(jù)可能形成干涉，大部分?jǐn)?shù)據(jù)垂直基線過大，兩幅復(fù)圖像不能夠形成干涉，限制了GF-3衛(wèi)星的應(yīng)用范圍，所以如何解決垂直基線過長，圖像失相干問題，獲取更多的干涉對，將是未來研究的重要內(nèi)容[24-25]。

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Image Interferometry Experiment of GF-3 Satellite

YU Bo1, 2LI Ruren1CHEN Zhenwei2ZHANG Guo2

（1 School of Transportation Engineering ,Shenyang Jianzhu University, Shenyang 110168, China）（2 State Key Laboratory of Information Engineering in Surveying, Mapping and Remote Sensing Wuhan University, Wuhan 430079, China）

It is necessary to monitor deformation caused by natural or man-made structures which may even cause disasters. Compared with traditional monitoring technologies, synthetic aperture radar (SAR) technology is capable of monitoring surface deformation with all-weather observation.Considering the capability of GF-3 satellite, China's first SAR satellite, on interference measurement and its accuracy haven’t yet verified, the SAR data in Dengfeng district, Henan province, is used to construct the surface deformation map by 2 rail differential interference processing. The results of surface relative settlement is about ±0.03m, which shows the capability of SAR interferometry (InSAR) on GF-3 satellite. As the phase untangling effect of GF-3 satellite data may be caused by parallel stripes induced by orbit error, a method using SRTM DEM elevation as the selected sample points and selecting 5 ground control points is proposed to eliminate these stripes and improve the inversion precision of deformation variables. The deformation information is similar to that from the data of Sentry 1 with developed technology. Therefore, as a new member of SAR satellites, GF-3 satellitehas the capability of interferometry measurement with enough accuracy meeting the monitoring requirements.

interference measurement; baseline estimation; synthetic aperture radar; GF-3 satellite

P237

A

1009-8518(2019)01-0066-08

10.3969/j.issn.1009-8518.2019.01.008

余博，男，1992生，2016年獲沈陽建筑大學(xué)測繪工程專業(yè)學(xué)士學(xué)位，現(xiàn)在沈陽建筑大學(xué)建筑與土木工程專業(yè)攻讀碩士學(xué)位。主要研究方向為地基SAR和星載SAR數(shù)據(jù)處理。E-mail：810456403@qq.com。

2018-09-27

國家自然科學(xué)基金（51774204）

（編輯：王麗霞）