基于图割的相位解缠：在InSAR相位解缠方面的应用

发布时间：2018-01-26 16:54

本文关键词： 干涉合成孔径雷达相位解缠 DEM生成马尔可夫随机场贝叶斯推理能量最小化最优化算法图割最大流/最小割算法　出处：《昆明理工大学》2014年硕士论文　论文类型：学位论文

【摘要】：干涉合成孔径雷达(InSAR)勺干涉测量是正在发展中且极具潜力的微波遥感技术,诞生至今已有30余年。主要应用于获取数字高程模型(DEM)和制图等。随着时间的推移,逐步扩展为差分干涉技术(Differential InSAR,D-InSAR)并应用于地形变化监测和移动目标监测等。InSAR技术己在军事、泥石流滑坡监测、地震监测、火山监测、冰川监测及城市沉降监测等方面表现出广阔的应用的前景。 InSAR干涉测量是利用同一时间不同位置或者不同时间位置有一定间隔位置所获取的两幅SAR图像,进行干涉以形成干涉相位图(Interferogram),经过数据处理后以获取DEM或者获取地形变化数据的一种技术。相位解缠(Phase unwrapping,PU)是InSAR数据处理的关键环节和难点,也是DEM的主要误差来源。对于SAR数据,噪声和相位间断都是普遍存在的现象,甚至有时会很严重,这是解缠过程中不可回避的的两大难题题。通常引入残差点来描述噪声和相位间断所引起的相位问题,残差点是需要考虑的关键因素。目前传统的各大类算法也是用对残差点的不同处理方式来区分的。可分为三大类：(1)寻找优化的路径积分,避免相位残差点误差的全局传递；(2)获得相位梯度估算值,将相位残差点误差进行平差处理；(3)对残差点所造成的误差不作任何处理。第一类解缠算法也叫路径积分法。常用方法包括：Goldstein枝切法,质量图指导的路径积分法等。第二类解缠算法是指最小范数法,如最小二乘法等；第三类解缠算法主要包含有网络规划法。近年来又开发出了诸如：影像分类法、加权迭代贪婪法、卡尔曼滤波法、蚁群算法、基于图割的相位解缠算法等许多新的算法。根据国外仅有的少数文献,基于图割的相位解缠算法具有优异的解缠性能和代表性。目前法国和葡萄牙的两个研究小组刚刚起步。根据这两个小组所发表的文献看,该方法在建模和计算上都具有很高的难度和复杂度,因而在全球范围内少有人涉足。从性能上看,已经取得了很好的解算结果。他们的成果已经获得了包括欧洲空间局在内的著名机构和大学的广泛重视和瞩目。由于该算法在国际上文献数很有限(小于100篇),在国内还尚未查到相关的文献。证明该方法具有在国际国内的前沿性。因此,针对基于图割的相位解缠算法展开深入研究,实现用该方法对十涉相位的解缠,对我国InSAR技术的理论及应用的发展,具有现实的重要意义。这一算法的关键问题是利用图割(Graph cuts)中的最大流/最小割算法来优化马尔可夫随机场结合贝叶斯准则的能量,实现该能量的最小化。众所周知,这类能量的优化在马尔可夫随机场问题求解中--直以来都是一个难题。而采用图割对马尔科夫能量场进行优化比起其它传统优化方法(例如ICM,SA,BP等)来讲,更具复杂度、困难度和挑战性。最初将图割算法引入到MRF能量场优化的领域是低层(Low level)计算机视觉问题。著名的是Y. Boykov和V. Kolmogorov及其小组从2001年至今发表的各种文献。而将图割引入到相位解缠应用的是葡萄牙的Jose B小组从2001至今,以及法国的F. Tupin小组从2001至今所发表的论文。鉴于这种算法在相位解缠方面的优异表现及国内国际的前沿性,本文将对这一算法的研究和程序开发,列为本硕士学位论文研究的的目标。本文将在研究InSAR传统相位解缠算法的基础上,从理论和实验两个方面入手,在广泛收集信息的基础上,开展理论分析、理论建模、优化、编程和实验等工作。在这一过程中,图割的最大流/最小割(Maxflow/Mincut)算法,是整个研究的重点和难点。在建模和逻辑推理过程中,像素标记理论、随机过程、马尔可夫随机场理论、贝叶斯推理、最大后验概率准则、能量最小化算法、最优化理论、图论、最大流/最小割算法等都已经被用到。其中,著名的Boykov-Kolmogorov的增广路径算法框架被本文所采用,本文的代码编写在此框架指导下进行和完成。但本文所开发出来的代码并不等同于Boykov-Kolmogorov的代码。其中包含了我们自身大量的、至始至终的技术和创造。最终实现了基于图割的相位解缠。这一方法的成功,使得在复杂情况下(噪声、间断、真实相位)的相位解缠问题都得到了很好的解决。与传统算法相比,显示出了巨大的性能优势。至此,本文完成了本文的硕士论文目标,开发出了国内先进的(根据公开的信息渠道尚未未查到公开的文献)、具有自主知识产权的基于图割的相位解缠程序(代码)。在实验方面,为验证该算法的可靠性、适应性、性能等,本文设计了一系列的实验数据加以印证。特别是实验了带有噪声和相位缺陷的数据的解缠,获得了很好的效果。本文还对两块加拿大雷达卫星Radarsat-2的真实相位数据进行了解缠实验,获得了一致性的结论。结果显示,基于图割的相位解缠比传统算法具有巨大的优势。本文总计进行了十三个大的实验,共计64组具体的实验,通过这些实验的贯彻,得到了多组实验结果。在分析实验数据的基础上,得出了一批有参考价值的结论。在误差评估方面,本文采用了相位差值图、相位差值直方图、运算时间和反缠绕均方差(Rewrap mean square error-RMSE)等四个指标作为对解缠效果的性能评价指标。本文的成果,作为在光学干涉测量技术和数字图像处理理论上建立起来的推理,具有普遍意义。不仅对InSAR应用有效,而且对医学核磁共振图像(MRI)三维成像、光学干涉测量(物体表面轮廓测量)领域同样适用。对InSAR在我国的应用以及相关软件平台的开发具有重要意义。
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【学位授予单位】：昆明理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：TN957.52

【参考文献】