面向震害检测的SAR相干分析处理平台的设计与实现*

李 劼 叶成名 苗 放 杨秋玲

(成都理工大学地球探测与信息技术教育部重点实验室，成都 610059)

面向震害检测的SAR相干分析处理平台的设计与实现*

李 劼 叶成名 苗 放 杨秋玲

(成都理工大学地球探测与信息技术教育部重点实验室，成都 610059)

根据震区相干分析的需求，在Windows系统平台和VC++6.0编译环境中，实现了用户交互式操作的基础平台。该平台主要包括数据读取、影像配准和相干性分析与评价等功能模块，并以ERS数据为试验，验证了平台的高可靠性和高效性。

SAR;数据处理平台;程序设计;相干性分析;ERS

1 引言

遥感影像变化检测作为地震区域地表变化信息获取的重要手段，能够实时、准确和自动获取震区相关信息［1，2］。合成孔径雷达(SAR)凭借全天时、全天候和高精度等特点被广泛用于地形制图、资源探测以及灾害监测等领域，它很好地解决和利用了有限的雷达天线长度来获取高分辨率雷达图像的问题［3］。面向地震灾区的震害特征而搭建SAR数据处理基础平台，进行地震震区相干性分析和评估，无疑是有意义的。

2 SAR数据处理基础平台框架设计［4－7］

借鉴当前SAR数据处理的基本思路，数据处理基础平台基本框架的设计包含以下5个主要功能模块：

1)基本参数初始化和SAR影像数据读入模块。用于平台基本参数的初始化和读入震前震后SAR影像的相关数据;

2)SAR影像数据裁剪模块。根据地震受灾区域和针对性研究区域的相关信息，对震前震后影像按图像行列号进行裁剪;

3)SAR影像数据配准模块。利用主辅影像配准点间的相关性分析结果、先验知识和地震要素信息，对震前震后主辅影像依次进行轨道级配准、像元级配准和目标级配准;

4)SAR影像数据重采样模块。进行主辅影像数据方位向滤波，然后对辅影像按照配准模块中得到的偏移值数据进行重新采样;

5)SAR影像干涉数据生成模块。计算出对应点的相位差，然后去除“平地效应”，得到干涉数据，最终进行震区相干分析，得到结果。

SAR数据处理基础平台的框架结构如图1。

图1 SAR数据处理基础平台框架结构图Fig.1 Frame structure of the SAR data processing platform

3 平台模块实现方法

通过SAR数据处理平台的基本参数初始化，将SAR影像数据不同格式的信息，通过函数读入到指定的变量和缓存中，供后续模块处理使用。

利用SAR影像数据裁剪模块将读入的SAR原始数据处理成SLC数据，后根据所检测的目标区域信息，按照距离向和方位向的不同比例进行剪切，得到指定目标区域主辅影像的原始(.raw)数据。

根据SAR影像数据配准模块计算出不同精度的辅影像相对于主影像的偏移值。偏移值的定义为：

式中，Ps(l，p)为辅影像上某配准点的坐标，Pm(l，p)为主影像某配准点的坐标，offset(l，p)为坐标系中的偏移值。

轨道级粗配准是通过读入主辅影像的轨道信息计算出相应的基线值、基线方位向、轨道夹角等参数，再根据主图像中心点的坐标，计算出其中任意一点在球面坐标系中的位置，再按照多普勒方程计算主辅影像相应点之间轨道级配准偏移值。轨道级粗配准的配准精度为30个像素。

像元级配准是在频率域中通过对主辅影像按照1个像元的精度进行配准，通过相干性分析计算主辅影像各位置点的相关系数，按照相关性最高的标准进行配准，得到各配准点的偏移值。像元级的配准精度为1个像素。

部分实现代码如下：

目标级配准是在添加相关雷达信号传输模型和雷达反模型的基础上，利用像元级配准中得到的偏移值，在频率域中通过按照配准窗口中的目标级的精度，计算幅度图中对应点的相关系数，最后通过相关系数的大小判别得到主辅影像的对应点的偏移值，生成相应目标级配准点的偏移值。目标级配准的配准精度为亚像素级。

部分实现代码如下：

影像方位向滤波是利用粗略的配准结果计算出多普勒中心频率多项式，对主辅原始影像(.raw文件)进行方位向上的频谱滤波，使得后续计算数据(震前震后影像数据)更加平滑。

配准多项式估算是通过设定相关系数临界值和异常值的大小，利用精配准中得到的偏移值，使用最小平方根方法计算出二维多项式模型。辅影像重采样是按照经过配准步骤得到的辅影像相对于主影像的偏移值，在以主影像的网格下对kernel方程辅影像进行插值重采样，生成按配准偏移值进行重采样的数据文件。

干涉相位数据生成是读入主辅影像数据的复数数据，在主影像数据上计算参考相位值，减去辅影像上的参考相位值，计算出复数型干涉数据，最终得到干涉相位数据。计算公式为：

式中，I为复数型干涉数据，M为主影像复数数据，S*为共轭后重采样辅影像复数数据，R*为共轭后参考相位复数数据，Iimag是干涉数据虚部，Ireal是干涉数据实部，φ为相位影像数据，φM是主影像相位数据，φS为辅影像相位数据，φR为参考相位数据。

部分实现代码如下：

平地相位计算是利用得到的干涉相位数据，计算出由于参考面所造成的平地相位的修正值。

利用逐点计算出的平地相位数据结果消除平地效应。消除平地效应的公式为

式中，I复数干涉数据，Rφ是对于一个确定点的参考相位。

部分实现代码如下：

利用生成的复数型干涉数据和消除了平地效应的参考相位数据计算相关系数，生成相关系数文件，并结合最后生成的(滤波后)干涉数据文件，进行区域建筑物震害量化分析。

影像相位滤波是将得到的复数型干涉数据，使用goldstein方法对图像进行滤波处理，降低噪声值，得到效果更好的干涉数据，通过此数据进行区域建筑物震害量化分析，得到建筑物受损程度的量化结果。

平台中有关一维、二维傅里叶正逆变换计算使用的是FFTW库函数［4］。

4 平台交互和数据试验

以2001昆仑山Ms8.1地震后东昆仑可可西里湖区ERS数据［7］作为实验对象，利用本文研制的SAR数据处理平台对数据进行处理，得到的像元级配准偏移值如表1所示，相应的处理结果如图2。从图2可以看见受地震破坏引起的地形变化的波状条纹。

表1 像元级配准偏移值列表(部分)Tab.1 List(Part)of offset of matching at pixed level

图2 数据处理后的影像图Fig.2 Images after the data processing

表1表示在完成轨道级粗配准，得到相应的轨道级粗配准偏移值的基础上，进行像元级配准得到的配准结果。表中的点号表示主辅影像上选取的配准点的序列号，行号和列号表示主影像上选取的配准点在图像上的行列序列号，行偏移值代表辅影像上对应配准点相对应主影像的行偏移大小，偏移方向为趋向影像底部，列偏移值代表辅影像上对应配准点相对主影像的列偏移值大小。偏移方向为趋向影像右侧。配准精度为1个像素。

如图2所示：图2(a)为利用配准得到的偏移值数据对辅影像进行的重新采样的影像;(b)为生成干涉数据后的影像，图中红色区域为部分较为明显的干涉条纹;(c)为消除数据的平地相位之后的相位强度叠加影像，图中波状条纹区域为地震引起的地表形变较为明显的区域;(d)为进行相位滤波后的相位影像图，图中波状条纹区域为由地震引起的地表形变较为明显的区域。

4 结语

此平台的设计和实现对于利用地震前后SAR图像数据和震区的震害特征、破坏规律等先验知识，开展多特征、多信息的定量化检测具有一定意义。

1 陈文凯，等.地震前后遥感影像分形特征研究［J］.大地测量与地球动力学，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.利用遥感资料绘制汶川地震烈度图方法研究［J］.大地测量与地球动力学，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 舒宁.雷达影像干涉测量原理［M］.武汉：武汉大学出版社，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干涉图滤波方法研究［J］.测绘学报，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 李红英，王耀南.基于VC的INSAR原始数据读取与处理成像［J］.测绘工程，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

国家自然科学基金(41001253)，四川省科技支撑计划(2009SZ0108)

李劼，男，1986年生，硕士研究生，主要研究方向空间信息技术、雷达遥感.E-mail：leejay23956157@hotmail.com

P231

A