李 劼 葉成名 苗 放 楊秋玲

(成都理工大學地球探測與信息技術教育部重點實驗室，成都 610059)

面向震害檢測的SAR相干分析處理平臺的設計與實現(xiàn)*

李 劼 葉成名 苗 放 楊秋玲

(成都理工大學地球探測與信息技術教育部重點實驗室，成都 610059)

根據(jù)震區(qū)相干分析的需求，在Windows系統(tǒng)平臺和VC++6.0編譯環(huán)境中，實現(xiàn)了用戶交互式操作的基礎平臺。該平臺主要包括數(shù)據(jù)讀取、影像配準和相干性分析與評價等功能模塊，并以ERS數(shù)據(jù)為試驗，驗證了平臺的高可靠性和高效性。

SAR;數(shù)據(jù)處理平臺;程序設計;相干性分析;ERS

1 引言

遙感影像變化檢測作為地震區(qū)域地表變化信息獲取的重要手段，能夠實時、準確和自動獲取震區(qū)相關信息［1，2］。合成孔徑雷達(SAR)憑借全天時、全天候和高精度等特點被廣泛用于地形制圖、資源探測以及災害監(jiān)測等領域，它很好地解決和利用了有限的雷達天線長度來獲取高分辨率雷達圖像的問題［3］。面向地震災區(qū)的震害特征而搭建SAR數(shù)據(jù)處理基礎平臺，進行地震震區(qū)相干性分析和評估，無疑是有意義的。

2 SAR數(shù)據(jù)處理基礎平臺框架設計［4－7］

借鑒當前SAR數(shù)據(jù)處理的基本思路，數(shù)據(jù)處理基礎平臺基本框架的設計包含以下5個主要功能模塊：

1)基本參數(shù)初始化和SAR影像數(shù)據(jù)讀入模塊。用于平臺基本參數(shù)的初始化和讀入震前震后SAR影像的相關數(shù)據(jù);

2)SAR影像數(shù)據(jù)裁剪模塊。根據(jù)地震受災區(qū)域和針對性研究區(qū)域的相關信息，對震前震后影像按圖像行列號進行裁剪;

3)SAR影像數(shù)據(jù)配準模塊。利用主輔影像配準點間的相關性分析結果、先驗知識和地震要素信息，對震前震后主輔影像依次進行軌道級配準、像元級配準和目標級配準;

4)SAR影像數(shù)據(jù)重采樣模塊。進行主輔影像數(shù)據(jù)方位向濾波，然后對輔影像按照配準模塊中得到的偏移值數(shù)據(jù)進行重新采樣;

5)SAR影像干涉數(shù)據(jù)生成模塊。計算出對應點的相位差，然后去除“平地效應”，得到干涉數(shù)據(jù)，最終進行震區(qū)相干分析，得到結果。

SAR數(shù)據(jù)處理基礎平臺的框架結構如圖1。

圖1 SAR數(shù)據(jù)處理基礎平臺框架結構圖Fig.1 Frame structure of the SAR data processing platform

3 平臺模塊實現(xiàn)方法

通過SAR數(shù)據(jù)處理平臺的基本參數(shù)初始化，將SAR影像數(shù)據(jù)不同格式的信息，通過函數(shù)讀入到指定的變量和緩存中，供后續(xù)模塊處理使用。

利用SAR影像數(shù)據(jù)裁剪模塊將讀入的SAR原始數(shù)據(jù)處理成SLC數(shù)據(jù)，后根據(jù)所檢測的目標區(qū)域信息，按照距離向和方位向的不同比例進行剪切，得到指定目標區(qū)域主輔影像的原始(.raw)數(shù)據(jù)。

根據(jù)SAR影像數(shù)據(jù)配準模塊計算出不同精度的輔影像相對于主影像的偏移值。偏移值的定義為：

式中，Ps(l，p)為輔影像上某配準點的坐標，Pm(l，p)為主影像某配準點的坐標，offset(l，p)為坐標系中的偏移值。

軌道級粗配準是通過讀入主輔影像的軌道信息計算出相應的基線值、基線方位向、軌道夾角等參數(shù)，再根據(jù)主圖像中心點的坐標，計算出其中任意一點在球面坐標系中的位置，再按照多普勒方程計算主輔影像相應點之間軌道級配準偏移值。軌道級粗配準的配準精度為30個像素。

像元級配準是在頻率域中通過對主輔影像按照1個像元的精度進行配準，通過相干性分析計算主輔影像各位置點的相關系數(shù)，按照相關性最高的標準進行配準，得到各配準點的偏移值。像元級的配準精度為1個像素。

部分實現(xiàn)代碼如下：

目標級配準是在添加相關雷達信號傳輸模型和雷達反模型的基礎上，利用像元級配準中得到的偏移值，在頻率域中通過按照配準窗口中的目標級的精度，計算幅度圖中對應點的相關系數(shù)，最后通過相關系數(shù)的大小判別得到主輔影像的對應點的偏移值，生成相應目標級配準點的偏移值。目標級配準的配準精度為亞像素級。

部分實現(xiàn)代碼如下：

影像方位向濾波是利用粗略的配準結果計算出多普勒中心頻率多項式，對主輔原始影像(.raw文件)進行方位向上的頻譜濾波，使得后續(xù)計算數(shù)據(jù)(震前震后影像數(shù)據(jù))更加平滑。

配準多項式估算是通過設定相關系數(shù)臨界值和異常值的大小，利用精配準中得到的偏移值，使用最小平方根方法計算出二維多項式模型。輔影像重采樣是按照經過配準步驟得到的輔影像相對于主影像的偏移值，在以主影像的網(wǎng)格下對kernel方程輔影像進行插值重采樣，生成按配準偏移值進行重采樣的數(shù)據(jù)文件。

干涉相位數(shù)據(jù)生成是讀入主輔影像數(shù)據(jù)的復數(shù)數(shù)據(jù)，在主影像數(shù)據(jù)上計算參考相位值，減去輔影像上的參考相位值，計算出復數(shù)型干涉數(shù)據(jù)，最終得到干涉相位數(shù)據(jù)。計算公式為：

式中，I為復數(shù)型干涉數(shù)據(jù)，M為主影像復數(shù)數(shù)據(jù)，S*為共軛后重采樣輔影像復數(shù)數(shù)據(jù)，R*為共軛后參考相位復數(shù)數(shù)據(jù)，Iimag是干涉數(shù)據(jù)虛部，Ireal是干涉數(shù)據(jù)實部，φ為相位影像數(shù)據(jù)，φM是主影像相位數(shù)據(jù)，φS為輔影像相位數(shù)據(jù)，φR為參考相位數(shù)據(jù)。

部分實現(xiàn)代碼如下：

平地相位計算是利用得到的干涉相位數(shù)據(jù)，計算出由于參考面所造成的平地相位的修正值。

利用逐點計算出的平地相位數(shù)據(jù)結果消除平地效應。消除平地效應的公式為

式中，I復數(shù)干涉數(shù)據(jù)，Rφ是對于一個確定點的參考相位。

部分實現(xiàn)代碼如下：

利用生成的復數(shù)型干涉數(shù)據(jù)和消除了平地效應的參考相位數(shù)據(jù)計算相關系數(shù)，生成相關系數(shù)文件，并結合最后生成的(濾波后)干涉數(shù)據(jù)文件，進行區(qū)域建筑物震害量化分析。

影像相位濾波是將得到的復數(shù)型干涉數(shù)據(jù)，使用goldstein方法對圖像進行濾波處理，降低噪聲值，得到效果更好的干涉數(shù)據(jù)，通過此數(shù)據(jù)進行區(qū)域建筑物震害量化分析，得到建筑物受損程度的量化結果。

平臺中有關一維、二維傅里葉正逆變換計算使用的是FFTW庫函數(shù)［4］。

4 平臺交互和數(shù)據(jù)試驗

以2001昆侖山Ms8.1地震后東昆侖可可西里湖區(qū)ERS數(shù)據(jù)［7］作為實驗對象，利用本文研制的SAR數(shù)據(jù)處理平臺對數(shù)據(jù)進行處理，得到的像元級配準偏移值如表1所示，相應的處理結果如圖2。從圖2可以看見受地震破壞引起的地形變化的波狀條紋。

表1 像元級配準偏移值列表(部分)Tab.1 List(Part)of offset of matching at pixed level

圖2 數(shù)據(jù)處理后的影像圖Fig.2 Images after the data processing

表1表示在完成軌道級粗配準，得到相應的軌道級粗配準偏移值的基礎上，進行像元級配準得到的配準結果。表中的點號表示主輔影像上選取的配準點的序列號，行號和列號表示主影像上選取的配準點在圖像上的行列序列號，行偏移值代表輔影像上對應配準點相對應主影像的行偏移大小，偏移方向為趨向影像底部，列偏移值代表輔影像上對應配準點相對主影像的列偏移值大小。偏移方向為趨向影像右側。配準精度為1個像素。

如圖2所示：圖2(a)為利用配準得到的偏移值數(shù)據(jù)對輔影像進行的重新采樣的影像;(b)為生成干涉數(shù)據(jù)后的影像，圖中紅色區(qū)域為部分較為明顯的干涉條紋;(c)為消除數(shù)據(jù)的平地相位之后的相位強度疊加影像，圖中波狀條紋區(qū)域為地震引起的地表形變較為明顯的區(qū)域;(d)為進行相位濾波后的相位影像圖，圖中波狀條紋區(qū)域為由地震引起的地表形變較為明顯的區(qū)域。

4 結語

此平臺的設計和實現(xiàn)對于利用地震前后SAR圖像數(shù)據(jù)和震區(qū)的震害特征、破壞規(guī)律等先驗知識，開展多特征、多信息的定量化檢測具有一定意義。

1 陳文凱，等.地震前后遙感影像分形特征研究［J］.大地測量與地球動力學，2010，(6)：24-30.(Chen Wenkai，et al.Fractal characteristic analysis for remote sensing images before and after earthquake［J］.Journal of Geodesy and Geodynamics，2010，(6)：24-30)

2 蔡山，等.利用遙感資料繪制汶川地震烈度圖方法研究［J］.大地測量與地球動力學，2009，(1)：31-35.(Cai Shan，et al.Study on mapping seimic intensity distribution from RS datae［J］.Journal of Geodesy and Geodynamics，2009，(1)：31-35)

3 舒寧.雷達影像干涉測量原理［M］.武漢：武漢大學出版社，2003.(Shu Ning.The principles of radar interferometry［M］.Wuhan：Wuhan University Press，2003)

4 Frigo M and Johnson S.The design and implementation of FFTW3［J］.Proceedings of the IEEE，2005，93(2);216-331.

5 林卉，等.InSAR干涉圖濾波方法研究［J］.測繪學報，2005，34(2)：113-117.(Lin Hui，et al.Research on filtering methods of InSAR interferogram［J］.Acta Geodaetica et Cartographica Sinica，2005，34(2)：113-117)

6 李紅英，王耀南.基于VC的INSAR原始數(shù)據(jù)讀取與處理成像［J］.測繪工程，2006，15(1)：14-16.(Li Hongying and Wang Yaonan.Raw data reading and processing images of InSAR based on VC［J］.Engineering of Surveying and Mapping，2006，15(1)：14-16)

7 Miao Fang，Ye Chengming and Kong Xiangsheng.D-InSAR to inpect the active fault of Kunlun mountain on Tibetan plateau［R］.Second International Conference on Space Information Technology，2007.

DESIGN AND IMPLEMENTATION OF SAR DATA PROCESSING PLAFORM FOR COHERENCE ANALYSIS IN EARTHQUAKE DAMAGE DETECTION

Li Jie，Ye Chengming，Miao Fang and Yang Qiuling
(Key Lab.of Earth Exploration＆Information Techniques of Ministry of Education，Chengdu University of Technology，Chengdu 610059)

The implement of a basic SAR(Synthetic Aperture Radar)data processing platform is extremely important for coherence analysis by using SAR image in the earthquake disaster area.After demanding analysis，methods research and workflow design，a kind of user interaction platform based on Windows and VC++6.0 is introduced.The functions of this platform mainly contains data inputting，image registration，coherence analyzing and estimating，and so on.The results show high reliability and high efficiency of the platform for processing ERS(European Remote Sensing Satellite)data.

SAR;data processing platform;program design;coherence analysis;ERS

1671-5942(2011)05-0119-05

2011-03-27

國家自然科學基金(41001253)，四川省科技支撐計劃(2009SZ0108)

李劼，男，1986年生，碩士研究生，主要研究方向空間信息技術、雷達遙感.E-mail：leejay23956157@hotmail.com

P231

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