TOPS图像差分干涉处理及其在京津冀区域地表形变监测中的应用

发布时间：2020-04-05 12:30

【摘要】：合成孔径雷达(Synthetic Aperture Radar,SAR)是上世纪50年代发展的新一代主动式微波成像遥感系统,它可以全天时、全天候地对地面进行重复性观测,已被广泛应用于各类地表观测技术中。合成孔径雷达差分干涉(Differential Synthetic Aperture Radar Interferometry,DInSAR)测量技术即是利用SAR系统以相近角度对同一地区拍摄的两景图像提供的相位差值来提取大范围、高精度的连续地表形变场,成为了地表形变监测应用中最具发展潜力的测量技术之一。2014年4月,欧空局成功发射了新一代的搭载SAR系统的遥感卫星Sentinel-1,并免费向社会提供密集的全球SAR观测影像。Sentinel-1具有多种观测模式,其中观测陆地的默认模式为干涉宽幅(Interferometric Wide Swath,IW)模式。传感器在IW模式下采用了先进的递进扫描式对地观测模式(Terrain Observation with Progressive Scans,TOPS),可获取在距离向上具有3个子条带的影像。相比传统的条带(Strip)扫描方式,TOPS模式在有效提高SAR图像覆盖范围的同时,缩短了SAR卫星的重访周期。因此在DInSAR数据处理中,使用TOPS模式下拍摄的数据相比Strip模式更容易获取大面积的相干性较高的干涉信息。但是,传统的Strip模式下获取数据的DInSAR处理方案无法直接应用到TOPS模式数据下。TOPS模式给DInSAR数据处理带来了以下两个主要难点:1)TOPS数据的最小单元是一个Burst,要获取宽幅影像首先需要进行影像拼接;2)存在较大方位向形变的“非静态场景”,如地震同震形变,给图像配准操作带来较大困难。造成第二个处理难点的主要原因是在TOPS模式下,多普勒中心频率在观测过程中是一直变化的,一个微小的方位向配准误差便会在Burst间引入较大的方位向相位跳变,因此对图像配准精度提出了更高的要求,通常采用配准精度较高的ESD算法,但该方法通常只能在方位向没有形变或形变很小的“静态场景”下使用,不能适用于“非静态场景”,这是由于传统的几何配准法可能无法完全补偿相位模糊项,导致Burst间的差分干涉相位不能被直接用于ESD算法中。本文通过深入研究TOPS观测模式的基本原理,详细分析TOPS数据的DInSAR处理难点,探索相应的解决方案。为此,本文的主要研究工作如下:(1)对比传统Strip数据DInSAR处理流程,基于TOPS模式的工作原理,详细分析该模式获取数据的DInSAR处理难点。(2)设计一个较为通用的针对“非静态场景”的TOPS数据DInSAR处理方案。该方案分为5个模块,分别是DEM预处理模块、预配准模块、像素偏移量配准模块、SD配准模块和ESD配准模块。本文采用了2016年4月14日日本熊本地震的Sentinel-1同震InSAR图像对设计方案的有效性进行了测试,获取的同震形变场中不包含明显的相位跳变,验证了设计方案的有效性。(3)将TOPS数据应用到多基线DInSAR地表形变监测中。本文使用了54景拍摄于京津冀地区的Sentinel-1 SAR数据,获取了该地区大面积的连续地表形变场。
【图文】：

干涉图,干涉图,示例,视角

(b)图 2.3 干涉图示例(a)及其相应去平地效应后干涉图(b)gure2.3 An example interferogram(a) and its corresponding “flattened” interferogram设在两幅 SAR 图像拍摄时间间隔期间无地表形变发生，则由图 2.2可得[52, 53]： 4Bsin 为基线长度，为基线与水平方向夹角，为传感器视角。不考虑参状态，相位差值可表示为： 0 04Bsin 0为传感器对参考平面视角。实际的地形变化将导致传感器视角的变中移除，，可得去平地效应后的干涉相位(见图 2.3(b))： 0 04cosflatB 为与0 的差值。根据图 2.2 所示几何关系可知：

主图,强度,图像,干涉图

配准配准差分干涉图生成干涉图地形相位模拟图 2.4 两路差分干涉处理流程Figure2.4 Two-pass DInSAR processing chain为了简便起见，一景输入 SAR 图像被称为主图像(通常拍摄时间更早的那景像被当作主图像)，另一景图像被称为辅图像。本文使用 COSMO-SkyMed 卫星拍摄的两景摄于湖北咸宁地区的 SAR 数据与 DEM 根据以上处理流程进行相应干涉差分处理。将拍摄于 2016 年 3 月 15 日的图像作为主图像，拍摄于 2016 年月 28 日的图像作为辅图像。主、辅图像强度图分别如下图 2.5(a)及 2.5(b)所示。
【学位授予单位】：重庆大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TN957.52

【参考文献】