《第六章差分干涉DInSAR和相干目标干涉测量》.ppt

合成孔径雷达干涉测量 InSAR 内容简介 InSAR的原理简介DInSAR基本原理InSAR的处理流程讨论 InSAR的作用 为什么需要InSAR无法提供垂直方向上的分辨率 传统SAR图像的应用 仅仅利用幅度信息 而没有利用相位信息 InSAR的基本原理 InSAR的基本原理 什么是InSAR 是通过比较两幅或多幅SAR图像的相位信息来提取信息的技术 InSAR的基本原理 InSAR处理的基本条件 相干性 地物本身的变化 时间去相干性观测角度 空间去相干 天线基线 InSAR几何关系 远场情况下 InSAR基本原理 上式左边表示邻近像素的干涉相位差 右边第一项表示目标高程变化引起的相位 右边第二项表示无高程变化的平地引起的相位 称之为平地相位 flatphase 这说明干涉相位本身也包括高程相位和平地相位两个成分 为了反演高程 需要去除平地相位 直接建立干涉相位与高程之间的关系 InSAR基本原理 模糊高度 相位变化2 对应的高程变化 模糊高度越小 反演DEM的高程精度越高 模糊高度越大 反演DEM的高程精度越低 模糊高度与垂直基线距成反比 垂直基线距越大 模糊高度越小 垂直基线距越小 模糊高度越大 但实际上垂直基线距不可能无限大 因为存在极限基线距的限制模糊高度与雷达波长成正比 波长越小 模糊高度越小 波长越大 模糊高度越大 InSAR基本原理 InSAR基本原理 临界基线距 InSAR的基本原理 InSAR系统的类型 a XTI b ATI c RTI 机载系统或星载SAR系统 水流制图 动目标检测以及定向波谱测量 目前星载InSAR主要模式 InSAR相干性分析 0完全去相干 1完全相干 0 1 Whatisinterferometriccoherence 相干系数 相干性的重要评价指标 两个电磁波如果他们的相位之间存在一定的关系 那么它们就是相干的 分辨单元内散射体回波信号矢量叠加 理论计算公式 窗口估计法计算公式 实际上 利用窗口估计相干系数是有偏差的 Touzi 1999 表明窗口估计相干系数的幅度并不等同于相干系数的幅度 相干系数幅度越小 窗口估计相干系数的偏离越大 窗口越大 偏离越小 最大似然估计是无偏的 相干系数估计的幅度随窗口内样本个数变化示意图 相干系数与干涉相位的精度有关 在散射体高斯分布的假设下 有干涉相位的概率密度函数为 左图是干涉相位的概率密度曲线 右图是相位标准差随相干系数和估计窗内像素个数的关系图 当相干系数增加时 相位分布更加集中于期望值 也就是说相位噪声减少 相位更准确 Whatisinterferometriccoherence SourcesofdecorrelationTemporaldecorrelation causedbyphysicalchangesintheterrainandatmosphereBaselineorgeometricdecorrelation causedbythedifferenceintheincidenceanglesbetweenthetwoacquisitionsDopplercentroiddecorrelation 斜视角不同导致多普勒频率偏移 主要针对ERS 1 2Volumedecorrelation 森林 建筑群Thermalorsystemnoise 成像系统Processinginduceddecorrelation 配准 重采样Amongthem temporaldecorrelationandgeometricdecorrelationarethemainsourceswhichaffectInSARretrievingDEM Temporaldecorrelation 在两幅SAR获取期间 地面目标散射相位的变化和大气变化都将会引起相位误差 导致相干性的降低季节变化导致的植被 水域变化人工翻耕人工建筑大气状态变化 ASAR相干系数图及其直方图 主图像 20050306 辅图像 20050130 时间基线 35天 峰值对应的相干系数为0 20 ASAR相干系数图及其直方图 主图像 20060219 辅图像 20040215 时间基线 735天 直方图峰值对应的相干系数为0 12 大气影响是干涉处理过程中非常重要而往往被忽略的去相干性因素 地球大气层并不是真空 随高度变化表现为一种分层介质 各层都具有一定的折射率 电磁波在其中穿透时 速度不等于光速 路径发生弯曲 因此大气对电磁波传播是有延迟的 在干涉处理时 一般假设大气为真空 忽略了大气延迟 从而在干涉相位中引入了附加路径造成的大气相位 大气影响 气压 温度和湿度的变化是干涉相位中大气影响相位的主要原因 研究表明 一般 两次成像时大气延迟变化量在几个厘米范围内变化 当大气相位差超过地形相位或形变相位时 就可能掩埋掉地形相位或形变相位 导致两幅图像的去相干 关于大气对干涉图的影响 研究人员进行了大量研究 零基线距估计采用GPS观测数据估计 据Hanssen 2001 对于单幅SAR图像中的像元k 在SAR成像的ti时刻 斜距方向的大气延迟 单位为m 可表示为 大气层流体静力学延迟2 3m左右稳定 对流层折射率的湿空气延迟0 3m左右不稳定 电离层延迟几十米量级稳定 液态水延迟4mm左右不稳定 干涉处理的两幅SAR图像 由于对地成像时入射角不同 在距离向地物频谱投影到数据频谱时出现偏移 主辅图像数据谱对应地物谱的公共部分具有相干性 而非公共部分是去相干性成分 几何去相干 空间基线 主辅图像雷达回波信号的频率差 由于双程 SAR图像一个周期相位对应的斜距为 2 对应的地面波长为 对于同一地面波长 在主辅图像不同的入射角下 回波信号的波长分别为 其中 在处泰勒级数展开后 有 偏移频率 与垂直基线距正比例关系 当偏移频率等于数据带宽时 垂直基线达到临界值 InSAR处理流程 InSAR处理流程 配准粗配准精配准 配准的目的 找到同名点 使得 配准的主要方法 窗口匹配搜索 InSAR处理流程 平地相位消除 P 为什么要消除平地相位 即使是平地也会产生距离差 从而产生相位差 平地相位消除方法直接计算 主辅SAR图像上同一点成像时 对应的主辅卫星位置 计算斜距差 从而得到平地相位 平地相位的计算 卫星轨道的模拟三次多项式拟合 自然样条函数拟合 平地模型的选择平地 球体 参考椭球体 Step1 利用主卫星轨迹 及斜距 求轨道上一点 已知一轨迹上的一点 求另一轨迹上的点使其距离为RStep2 过已知轨迹外一点做轨迹的垂线 求其垂足的坐标 1995 12 30与1995 12 31干涉条纹及其去平地效应结果 InSAR处理流程 相位解缠 为什么要进行相位解缠 Re Im InSAR处理流程 相位解缠 InSAR处理流程 相位解缠 InSAR处理流程 相位解缠 InSAR的作用 获取地形高程信息 DEM 测量地表微小形变 火山 地震 滑坡 冰川监测 差分干涉SAR测量 DInSAR SAR差分干涉测量 平地地形地表形变 在InSAR处理基础之上 消除地形相位 获得地表形变相位信息 两轨法 外来DEM模拟干涉相位 获得地形相位信息三轨 四轨法 由未有形变的干涉SAR图像对获得地形相位信息 40 Howtoremovetopographicphase 2 passDInSARgeometry 可以看到差分相位对地形变化非常敏感 测量精度达到波长量级 比如 对ERS 1 2来说 当地表在视线向位移2 8cm时 就可以产生的相位变化 Differentialinterferogram interferogram simulatedphasefromaDEM 2 passDInSAR 优点 不用对干涉图进行相位解缠 避免了解缠的困难缺点 需要DEM与SAR图像的精确配准 41 Simulationoftopographicphase 在DEM和主辅图象轨道参数的支持下 进行干涉相位的模拟 A3 2 B B 1 Z R3 R2 R1 B A2 A1 P 三轨法 用 去平地 相位重新表示得 如果在 去平地 处理的过程中 如果所用的基线距的值并不是真实的基线距值 将会引入误差 造成位移图的变形 差分相位对地表形变的敏感度 Majorearthquakesstudiedusingradarinterferometry Kobe JapanLandersearthquake CaliforniaHectorearthquake CaliforniaManyiearthquakeIzimitearthquake TurkeyEurekavalley CaliforniaNorthridgeearthquake CaliforniaKagoshima kenhokuseibuearthquake JapanNuweibaearthquake GulfofElat Aqaba Grevrenaearthquake GreeceColfiorito Umbria Marche ItalyCreepSanAndresfault ParkfieldZhangbeiearthquake ChinaGigiearthquake CHina About80 housesinVIIIintensityregionweredestroyedduetotheirpoorqualityofconstructions whichweremostlymadeofrublesoradobewalls 张北 尚义地震 SARimageofstudy ERS 1 2SARDataofStudyarea mission orbit frame acquisitiontime B m B m timeinterval ERS 2SLCI 12683 2781 23 9 1997 0 0 0 ERS 1 SLCI 32356 2781 22 9 1997 231 269 1 ERS 2 SLCI 16190 2781 26 5 1998 49 88 245 1998 1 10张北地震 Coherencemap thetandemimagepair InterferogrambeforeearthquakeoverlaidwithSARintensitymap TheLOSsurfacedisplacementmapoverlaidwithSARintensityimage EarthquakedeformationfromtheLandersearthquake California LandsubsidenceinLasVegas Nevada GlacialmovementofthePetermannGlacier Greenland SARinterferometrycanbeusedtocalculateiceflowsurfacevelocities ThishasledtotherecentdiscoverythaticeflowwithintheAntarcticinteriorismuchmorecomplexthanpreviouslythought Volcanoinflation simulated ofMt KilaueaonthebigislandofHawaii 相干目标DInSAR技术 单幅SAR图像实际观测的相位 InSAR研究的难点 成像时间间隔所导致的时间去相干 使得像元内的散射特性发生变化 得到的干涉条纹变成随机分布 无法获得有用的信息 对散射相位的消除D InSAR提取的地表形变信息的正确解释 确立合适的理论模型 融合D InSAR的结果与其他观测结果 加强对各种地表形变场的物理解释 对形变相位的描述大气噪声信号的消除 这是目前D InSAR研究的难点 如何定量化分析大气附加相位以及如何有效消除尚无定论 对大气相位的消除 目前传统差分干涉SAR测量面临两大问题 长时间基线导致的时间去相干大气的非均匀延时作用 1天间隔 15个月间隔 传统干涉差分测量的难点 像素的去相干影响时间去相干 目标自身的变化导致的散射特性变化空间去相干 两次卫星观测的视角差异大气条件差异引入的大气相位 APS 1999年意大利Rocca小组提出了一种称为 永久散射体 的差分干涉测量技术PermanentScatterersDInSAR 地物的相干性 地物去相干因素由于雷达硬件以及InSAR处理算法所导致的去相干由于重复观测的空间基线导致的去相干由于散射目标在两次观测期间的自身变化所导致的时间去相干不同地物在时间序列上保持相干性的特性各异 相干性 在普通光源中 原子发光过程都是自发辐射过程 各个原子的辐射都是自发地 独立进行的 因而各个原子发出的光子在频率 发射方向和初位相上都是不相同的 所以 在光源的不同位置发出来的光各不相同 不具备空间相干性 而它的 很大 所以 t就很短 因而也不具备时间相干性 所以普通光源发出的光不是干涉光 而对激光器来说 它所发射的激光单色性很好的 即激光的 非常小 比普通光的 要小得多 因而激光的相干时间 t很大 即激光的时间相干性是很好的 地物的相干性 植被 农田 水体等其相干性只能在时间保持数秒 或者几个小时 最多几天 但是对于裸露的岩石 人工建筑却可以在长时间序列上保持相干性 PSInSAR的基本思想 在所获取的所有图像中选择那些在长时间尺度上保持相干的点 PS点 减小时间去相干的影响 同时这些点往往小于像素的尺寸 因此也减小了空间去相干的影响 突破了极限基线的限制 增加了可以利用的图像对 建立线性形变模型 利用这些选择出来的PS点上的相位通过调整模型参数 求得这些可靠点上的DEM以及形变速率 通过对这些离散点的形变速率进行插值 获得连续的形变场 DEM误差的补偿获得改进的DEM通过线性形变模型估计的相位对所得到的干涉相位进行补偿 进而得到反映大气影响 非线性形变以及噪声的残差相位 1 干涉条纹图 2 PS点处的干涉相位 3 由PS点处的通过插值获得的规则形变图 相干目标选择 相干目标形变反演 干涉处理 Principlesofmulti interferogramDInSAR Featuresofmulti interferogramDInSAR大量SAR图像离散高相干点估计长时间尺度上的形变序列 估计大气影响估计高程误差比GPS和水准测量具有更高的时间和空间采样率 Principlesofmulti interferogramDInSAR Inmultipleinterferograms wearelookingforstable targets that arenotaffectedbyacquisitiongeometryarenotaffectedbytemporaldecorrelationdisplayreliablephaseinformationSuchpointsarereferredtoasPermanentScatterers PS ORHighCoherentTargets HCPs Generationofinterferograms 小基线组合我们假设在时间获取同一区域N幅SAR图像 干涉组合必须是小基线距 不要求具有同一主图像 而且小的基线距还能够限制地形相位 则生成M个干涉图 设N为偶数 为了方便起见 总是保证主图像时间在辅图像时间后 组合条件时间基线距 不超过5years垂直基线距 不超过300mPS组合永久散射体是幅度和相位变化稳定的点 其大小甚至小于SAR图像的分辨率 它随时间和空间基线的变化性小 为了保持高精度的配准 选择同一主图像 将其它所有辅图像相对于主图像配准 时间基线距可以延长到几年 空间基线距甚至可以超过临界基线距 SelectionofHCPs 对于高相干点 不同的方法有不同的解释PS方法认为的永久散射体 比如桥梁 道路 铁路 建筑物 裸露岩石 角反射器等 其幅度和相位信息都很稳定 其大小甚至小于SAR图像的分辨率 在长时间序列的SAR图像上保持高相干 SBAS等方法认为的高相干性的点 对应的是地面上高相干性的区域 比如城市区域 岩石区域等 分辨率较低 高相干点选择方法幅度离散指数阈值法相干系数阈值法实验证明 相干系数法提取的高相干点密度要大于通过幅度法提取的PS点密度 高相干点选择能够使后期实际处理的数据量大大降低 相干目标 FabricatedFeature NaturalFeature Man madeFeature WhatdoesaCTlooklike Amplitudedispersionindexthresholding 幅度离散指数阈值法 幅度法是利用同一像素在时间序列上的幅度离散度作为选取相干点的指标离散度指数为 幅度离散度指数与相位标准差随噪声变化的关系 幅度标准差 幅度均值 幅度离散指数 当幅度离散度指数小于0 25时 相位标准差与幅度离散度指数近似相等 因此 幅度离散度指数可以作为相位稳定性的测量参数 对DA设置一定的阈值 在实际处理中 有些点虽然平均幅度值很低 也表现出很稳定的幅度统计特性 比如水体上的一些点 这些点相干性很低 如果仅利用上述的幅度离散度指数作为PS点选取的标准 那么就会带