蚁群算法在InSAR相位解缠中的应用

石　超,田林亚,熊欢欢,祖　滢

(河海大学 地球科学与工程学院，江苏 南京 211100)



蚁群算法在InSAR相位解缠中的应用

石超,田林亚,熊欢欢,祖滢

(河海大学 地球科学与工程学院，江苏 南京 211100)

相位解缠是InSAR信号处理的关键过程，针对传统的枝切法存在枝切线整体长度过长和容易产生解缠“孤岛”现象等问题，基于蚁群算法提出一种改进的枝切法，通过对传统的枝切线进行优化，有效地减少枝切线长度。采用伊朗Bam地区的InSAR图像数据对算法进行实验计算与分析，表明本文算法所需设置的枝切线整体长度较短，能获得更好的相位解缠效果。

相位解缠；枝切法；蚁群算法；枝切线长度

Goldstein枝切法[5]是最为经典的相位解缠算法，通过识别干涉图中的正负残差点并在它们之间建立枝切线，阻止积分路径的穿过，最后进行路径积分，完成相位解缠。Goldstein枝切法的解缠速度较快，在残差点较多、相干性较差的区域，容易出现被枝切线包围的封闭区域无法被解缠的问题(“孤岛”现象)，并且存在枝切线整体长度过长的问题[6]，会降低相位解缠的效果，因此，应寻求最短枝切线以提高相位解缠效果。蚁群算法是一种高效的寻找最优路径的算法，本文基于蚁群算法提出一种改进的枝切法，对枝切线进行优化，使枝切线整体长度减小，来减少“孤岛”的数量，以达到提高相位解缠效果的目的。

1　相位解缠中的蚁群算法

蚁群算法是一种用来在图上寻找最优路径的机率型算法，由Marco Dorigo于1992年提出，并被成功应用于旅行商问题(TSP)的求解[7]。蚁群算法可以快速地搜索最短路径并进行全局优化，并且有着并行性、正反馈、鲁棒性、自组织等优点。本文将蚁群算法应用于相位解缠，以求解出最短枝切线。

(1)

(2)

Goldstein枝切法求解路径最短的概念与旅行商问题相似，不同的是旅行商问题要求解图中所有城市的最短连接路线，而枝切法需要考虑正负残差点的极性，然后连接使之平衡，最后求出枝切线的最短距离。首先，识别干涉图中的残差点，并根据残差点极性分为正负残差点，再使用蚁群算法计算出最短枝切线，基本过程：①根据式(1)计算出残差点之间连接的概率，以某个残差点为起点开始连接概率最大、极性相异且距离小于设定阈值的残差点，无论是否连接成功，都跳到下一个未连接的残差点上，再次搜索连接和重复上述过程。②对可能剩下没有连接的残差点进行单独处理，先判断相距最近的两异性残差点的距离与它们到各自最近边界的距离之和，如果前者距离小于后者距离，则直接连接，反之，则将残差点与其最近边界相连。最后对所有连接的正负残差点设置枝切线，计算枝切线的整体长度t值，并以t值作为算法循环的评价标准。

(3)

本文算法考虑残差点的极性，利用蚁群算法对正负残差点进行优化组合，使枝切线整体长度更短，以此提高相位解缠效果。并且，该方法有很好的并行性，很好与其它优化算法共同运行。

2　实验数据及结果

世界时间2003-12-26T1：56，伊朗东南部的Bam地区发生里氏6.8级地震，地震中心位于北纬29.01°，东经58.30°，地源深度33 km 。地震造成大面积破坏，Bam市的古城遗址变成废墟。本文选择伊朗Bam地区的InSAR图像(如图1所示)作为研究对象，并在其InSAR图像中选取大小300像素×300像素的区域作为实验数据(如图2所示)，通过对InSAR图像检测后，得出残差点共504个，其中，正残差点251个，负残差点253个，如图3所示。

图1　伊朗Bam地区相位干涉图

图2　实验选取的干涉图

图3　残差点

将本文算法与Goldstein枝切法、掩膜割线法和质量图引导法的解缠效果与速度进行对比。图4为4种方法的相位解缠效果。

从图4的解缠效果来看，Goldstein枝切法、掩膜割线法在残差点较密集的地方都出现较多的“孤岛”，解缠的整体效果较差。质量图引导法的解缠效果整体较好，但是在低质量区域出现相位跳变。本文算法与Goldstein枝切法、掩膜割线法对比，整体效果较好。表1是本文算法与Goldstein法建立的枝切线长度的比较。

(a)Goldstein枝切法

(b)掩膜割线法

(c)本文算法

(d)质量图引导法

算法本文算法Goldstein法枝切线总长863.792222.44

实验结果表明，与Goldstein法相比较，本文算法设置的枝切线的整体长度更短，“孤岛”明显减少，相位解缠效果更优。考虑到相位解缠算法的适用性，解缠方法的运算时间也是一个重要的标准，表2是各种方法的运行时间。

综合几种方法的解缠效果及运行时间可以得出，Goldstein法与掩膜法运行时间少，解缠效果却较差，本文算法与质量图法的解缠效果各有优劣，总体基本相当，且解缠效果都优于Goldstein法与掩膜法。由于质量图法需要不断选取出质量高的像素点进行处理，大大增加运行时间[9-10]。综合考虑解缠效果与运算时间，可认为本文算法是一种较

表2　各种解缠方法对InSAR图像的运算时间　s

为有效的相位解缠算法。

3　结束语

Goldstein枝切法存在枝切线整体长度较长和容易出现“孤岛”的问题，本文基于蚁群算法，提出一种改进的枝切法，对连接正负残差点的枝切线进行优化，使得枝切线整体长度最短。采用伊朗Bam地区的InSAR图像，对本文算法及其它几种算法进行相位解缠的计算与比较，结果表明：本文算法有效减少枝切线的长度及“孤岛”数量，提高解缠的效果，并且在算法的整体性能上优于其它3种方法。

[1]张妍，冯大政，曲小宁，等．基于改进粒子群算法的二维相位解缠算法[J].电波科学学报，2012(27)：1116-1123．

[2]王超，张红，于勇，等．雷达差分干涉测量[J]．地理学与国土研究，2002(3)：13-17.

[3]肖枫，伍吉仓，刘朝功，等．不同质量图在相位解缠算法中的比较分析[J].大地测量与地球动力学，2010，30(2)：80-85 .

[4]张妍，冯大政，曲小宁，等．改进的枝切法在相位展开的应用[J]．电子科技大学学报，2013(04)：555-558．

[5]GOLDSTEIN R M，ZEBKER H A，WERNER C L，Satellite Radar Interferometry： Two—dimensional Phase Unwrapping[J].Radio Science，1998，23(4)：713-720.

[6]彭石宝，袁俊泉，向家彬．一种基于加权迭代贪婪算法的InSAR相位解缠的新方法[J]．电子与信息学报，2008(6)：1326-1330．

[7]DORIGO M，MANIEZZO V，COLORNI A．The ant system：optimization by a colony of cooperating agents[J]．IEEE Trans．on Systems，Man and Cybernetics，Part B，1996， 26(1)： 29-41.

[8]姜波清，程朋根，吴少华，等.基于蚁群算法在实际动态路网中搜索最佳路径的应用[J].测绘与空间地理信息，2016,39(3):49-51.

[9]杨志龙. 基于蚁群算法的土地利用(图)图斑合并方法[J].测绘与空间地理信息，2016,39(2):210-212.

[10] 魏志强，金亚秋.基于蚁群算法的InSAR相位解缠算法[J]．电子与信息学报，2008(3)：518-523.

[责任编辑：李铭娜]

Research on application of ant colony optimization to InSAR phase unwrapping

SHI Chao, TIAN Linya, XIONG Huanhuan, ZU Ying

(School of Earth Science and Engineering, Hohai University, Nanjing 211100,China)

The phase unwrapping is a key step in InSAR signal processing.The traditional method has the problem of the whole length of the branch tangent line and prone to unwrapping “island” phenomenon．This paper,based on ant colony algorithm，presents an improved branch-cut method through the traditional branch tangent to optimize and effectively reduce the branch tangent length．Iran’s Bam region is taken as the case to calculate and analyze the InSAR image data of this algorithm. The experiments show this algorithm needs a shorter branch tangent which can get better phase unwrapping effect.

phase unwrapping; branch-cut; ant colony optimization; branch tangent length

10.19349/j.cnki.issn1006-7949.2016.12.015

2016-01-10；

2016-02-25

石超(1993-)，男，硕士研究生.

TN957

A

1006-7949(2016)12-0074-03