CN115616575B - 一种星载sar立体测量辅助的干涉相位图解缠绕方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于星载SAR立体测量辅助的干涉相位图解缠绕方法，包括：据SAR几何关系，将主、辅图像精细配准得到的立体测量像素偏移量转换为立体测量相位，并对立体测量相位进行去平地；对去平地干涉图进行滤波，并利用去平地立体测量相位与滤波后的去平地干涉图差分，形成小梯度差分干涉图；利用改进的共变性重新确定差分干涉图的解缠绕权重，并利用该权重进行相位解缠绕；根据差分干涉图解缠绕结果与立体测量结果重建干涉相位，得到解缠绕错误大幅度减少的干涉绝对相位图。本发明尽可能减少由于解缠绕错误引发的相位断层，显著提升解缠绕相位质量。

Description

一种星载SAR立体测量辅助的干涉相位图解缠绕方法

技术领域

本发明属于图像处理技术领域，具体涉及一种星载SAR立体测量辅助的干涉相位图解缠绕方法。

背景技术

DEM是描述地球表面形状的三维数字模型，由一系列包含有地理平面坐标和高程的数据集组成，在科学研究、经济建设和军事领域都居于重要的应用价值。某些特定的应用场合如地震形变提取、地形监测中，高分辨率高精度DEM显得尤为重要，但是通常其提取非常复杂。In-SAR（Interferometric Synthetic Aperture Radar，In-SAR）由于其全天时、全天候的工作特性，且作为一种主动式传感器，成为高校准确获取DEM的方法之一。在山区等地表起伏较大的复杂地形区域，雷达的干涉相位图将产生密集的条纹，将缠绕相位恢复成绝对相位的过程，即相位解缠绕过程，可能会由于剧烈的相位梯度变化出现大量断层错误，严重影响由相位图生成的DEM数据精度。

目前在相位解缠绕过程中避免错误的方法主要分为两类，基于辅助DEM的相位解缠绕方法与多基线干涉解缠绕方法。其中基于辅助DEM的相位解缠绕的方法采用其他方式获取的DEM数据，将DEM数据转换到SAR图像坐标系下经，在和SAR图像配准后，与干涉图做差分，形成差分干涉图来降低解缠绕难度。但这种方法容易受到配准精度影响、分辨率较低、转换耗时，差分后会带来地形连续性问题，并且DEM数据与SAR图像采集时间差较大，在发生较大的地形变化时该方法将无法提供正确的参考地形，导致解缠绕出现错误。而基于多基线干涉的解缠绕方法则是通过对待处理区域进行多次不同基线的飞行，获取具有不同模糊高度的干涉数据，增加了解缠绕积分的梯度变化范围。但该方法需要对同一地区扫描多次，成本较高，时间跨度大，对于星载SAR系统多次重轨航过通常需要数月时间。并且数据采集较大的时间跨度可能会发生地形的起伏变化，因而导致多基线解缠绕方法中重要的相位约束条件丧失，导致解缠绕错误。因此如何高效、准确的进行相位解缠绕依旧需要进一步研究。

发明内容

本发明的目的在于解决传统干涉相位解缠绕容易出现错误的问题，基于条带模式SAR数据，通过将干涉处理流程中主、辅图像精细匹配获得的立体测量偏移量转换为立体测量相位，充分利用该结果形成差分干涉图，辅助干涉相位解缠绕的过程，并重新确定差分干涉图解缠绕权重，尽可能减少由于解缠绕错误引发的相位断层，显著提升解缠绕相位质量。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种基于星载SAR立体测量辅助的干涉相位图解缠绕方法，包括如下步骤：

步骤101、将主、辅图像精细配准得到的立体测量像素偏移量转换为立体测量相位，并对立体测量相位和干涉相位图进行去平地；

步骤102、对去平地后的干涉相位图进行滤波，并利用立体测量相位与滤波的干涉相位图差分形成小梯度差分干涉相位图；

步骤103、利用共变性计算方式重新确定差分干涉相位图的解缠绕权重；

步骤104、利用所述步骤103中得到的解缠绕权重对差分干涉相位图进行解缠绕，并将立体测量相位和差分干涉相位图解缠绕结果求和，重建解缠绕的干涉相位图。

进一步地，所述步骤101具体为：

利用相干性计算主、辅图像像素块之间的精细偏移量，即立体测量像素偏移量，结合SAR几何关系，将所述立体测量像素偏移量转换为立体测量相位，并利用去平地方法，同时去除立体测量相位和干涉相位图中的平地效应。

进一步地，所述步骤102具体为：

首先对去平地的干涉相位图进行滤波处理，随后将去平地的立体测量绝对相位与经过滤波和去平地的干涉相位图做差，并重新缠绕，得到仅有相位信息的差分干涉图，从而减小干涉图的相位变化梯度，降低解缠绕难度。

进一步地，所述步骤103中的所述共变性计算方式为：计算差分干涉相位图中每个点的共变性都在以该点为中心的一个ω×ω的大小的窗口内计算，其中ω为大于3的整数，是方形计算窗口的长度和宽度，将该共变性作为差分干涉相位图的解缠绕权重ω _col ：

其中，φ _diff 为差分干涉相位图，集合W为窗口内除了中心点以外的点，pʹ为集合W中的点，φ _pʹ 为集合W中每个点的相位值，wrap(x)表示将相位x缠绕在[-π,π)之间，

表示自然常数e的jφ _pʹ 次方，j为虚数单位，arg(•)表示取复数的相位。

进一步地，所述步骤104包括：

利用所述步骤103中的解缠绕权重ω _col ，对差分干涉相位图进行相位解缠绕，解缠绕过程为将差分干涉相位图转换为差分干涉绝对相位图，随后将立体测量相位和差分干涉相位图解缠绕结果求和，得到重建的解缠绕的干涉相位图。

本发明实现了准确的相位解缠绕，与已有的技术相比，具有如下显著效果：

（1）本发明的立体测量偏移量来自于数据本身精细配准的过程，不需要外部辅助信息，包括并不局限于辅助DEM，来辅助解缠绕，因此避免了地面发生剧烈形变后，辅助信息过于陈旧带来的误差和辅助信息与干涉图进行配准带来的误差。

（2）本发明能够减少原始干涉相位图的梯度，降低了相位解缠绕的复杂度，并且利用共变性重新确定了解缠绕的权重，使得差分干涉相位图解缠绕过程可以沿着高质量路径进行解缠绕，因此大幅度减少了由于解缠绕错误引发的相位断层，显著提升解缠绕相位质量。

附图说明

图１是本发明的一种星载SAR立体测量辅助的干涉相位图解缠绕方法流程图；

图2是本发明的In-SAR干涉测量与立体测量模型；

图3是本发明中的立体测量偏移量图；

图4是本发明中的方法对干涉相位解缠绕的结果图；

图5是直接利用最小费用流方法对干涉相位解缠绕的结果图；

图6是本发明中的方法对干涉相位解缠绕结果的误差图；

图7是直接利用最小费用流方法对干涉相位解缠绕结果的误差图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

如图1所示，本发明的一种星载SAR立体测量辅助的干涉相位图解缠绕方法包括如下步骤：

步骤101：将主、辅图像精细配准得到的立体测量像素偏移量转换为立体测量相位，并对立体测量相位和干涉相位图进行去平地。

具体的，经过对SAR图像采用精细配准的流程，包括并不局限于基于相干系数的精配准等方法，可以得到分辨率低于干涉图的立体测量偏移量，如图3所示，通过插值处理得到分辨率和干涉图一致的立体测量偏移量，其中插值方法包括并不局限于最近邻插值、二次样条插值等。根据图2所示几何关系，通过立体测量分辨率和干涉相位模糊高度的转换关系，从而将立体测量偏移量

转换为立体测量相位

：

其中，ρ为SAR主图像距离向采样分辨率，h _amb 表示模糊高度，∆h _stereo 表示计算得到的立体测量相对高度，θ _m 为主图像下视角，∆θ为主、辅图像之间的下视角差，R _m 、R _s 分别为主、辅图像的斜距，

为主图像每个像素的偏移量，B _len 为基线总长度，B _perp 为垂直基线长，λ为雷达发射电磁波波长。上述公式仅针对于重轨干涉SAR的情况。

上述情况为重复轨道干涉的情况，对于双基干涉SAR的情况下，将立体测量偏移量

转换为立体测量相位

的表达式则表示为：

随后利用SAR系统精确的轨道信息，采用轨道法估计平地效应，由于立体测量相位和干涉相位图的平地效应是一致的，因此分别对立体测量相位和干涉相位图采用相同的方法进行去平地处理。

步骤102：对去平地干涉相位图进行滤波，并利用立体测量相位与滤波的干涉相位图差分形成小梯度差分干涉相位图。

具体为：采用干涉相位图滤波算法对去平地的干涉相位图进行滤波处理，滤波方法包括并不局限于Goldstein、NL-SAR、NL-InSAR等干涉相位图滤波方法。随后对经过去平地和滤波处理的干涉相位图和立体测量相位进行差分处理，得到差分干涉相位图φ _diff ：

其中，φ _flt 为经过去平地和滤波处理的干涉相位图，arg(•)表示取复数的相位。

步骤103：利用改进的共变性计算方式重新确定差分干涉相位图的解缠绕权重。

具体为：提出了一种改进的共变性计算方式，计算差分干涉图中每个点的共变性都以该点为中心的一个ω×ω的大小的窗口内计算，其中ω为整数，是方形计算窗口的长度和宽度，通常取大于3的整数，将该修改的共变性作为差分干涉相位图的解缠绕权重ω _col ：

其中，集合W为窗口内除了中心点以外的点，pʹ为集合W中的点，φ _pʹ 为集合W中每个点的相位值，wrap(x)表示将相位x缠绕在[-π,π)之间，

表示自然常数e的jφ _pʹ 次方，j为虚数单位。

步骤104：利用所述步骤103中得到的解缠绕权重对差分干涉相位图进行解缠绕，并将立体测量相位和差分干涉相位图解缠绕结果求和，重建解缠绕的干涉相位图。

具体为：利用解缠绕方法，以步骤103中计算ω _col 值作为解缠绕权重，对差分干涉相位图φ _diff 进行解缠绕，得到解缠绕的绝对差分相位。由于原始干涉相位与解缠绕相位与差分干涉图解缠绕相位相差的值为立体测量相位，因此将差分干涉图解缠绕结果与立体测量结果加和得到重建的，高准确度解缠绕干涉相位。解缠绕方法包括并不局限于最小费用流方法、枝切法等。解缠绕过程将差分干涉相位图φ _diff 转换为差分干涉绝对相位图

。随后将立体测量相位

和差分干涉相位图解缠绕结果

求和，得到重建的解缠绕的干涉相位图

：

下面结合具体实施例对本发明的技术方案作进一步详细说明。

实施例1

本实施例采用ALOS卫星SAR传感器（PALSAR）科罗拉多峡谷地区的实测数据验证本发明的技术方案。图3是本发明中的立体测量偏移量图；图4为本发明中立体测量偏移量辅助下利用最小费用流方法对干涉相位解缠绕的结果图，图5为传统方法利用最小费用流方法对干涉相位解缠绕的结果图。图6为本发明利用最小费用流方法对干涉相位解缠绕的误差图。图7为本发明中的利用最小费用流方法对干涉相位解缠绕的误差图。实施例中，本发明的相位解缠绕方法同样采用最小费用流算法。可以看出，相比于传统的方法，解缠绕干涉相位图结果和参考标准相位的均方根误差(Root Mean Square Error, RMSE)由直接解缠绕方法的28.81 rad，降低到本方法的2.60 rad。存在模糊高度偏差的区域由72.77%降低至9.51%，准确度提升显著。

以上所述，仅为本发明的部分实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种基于星载SAR立体测量辅助的干涉相位图解缠绕方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤101、将主、辅图像精细配准得到的立体测量像素偏移量转换为立体测量相位，并对立体测量相位和干涉相位图进行去平地；

步骤102、对去平地后的干涉相位图进行滤波，并利用立体测量相位与滤波的干涉相位图差分形成小梯度差分干涉相位图；

步骤103、利用共变性计算方式重新确定小梯度差分干涉相位图的解缠绕权重；

步骤104、利用所述步骤103中得到的解缠绕权重对小梯度差分干涉相位图进行解缠绕，并将立体测量相位和小梯度差分干涉相位图解缠绕结果求和，重建解缠绕的干涉相位图。

2.根据权利要求1所述的一种基于星载SAR立体测量辅助的干涉相位图解缠绕方法，其特征在于，所述步骤101具体为：

利用相干性计算主、辅图像像素块之间的精细偏移量，即立体测量像素偏移量，结合SAR几何关系，将所述立体测量像素偏移量转换为立体测量相位，并利用去平地方法，同时去除立体测量相位和干涉相位图中的平地效应。

3.根据权利要求2所述的一种基于星载SAR立体测量辅助的干涉相位图解缠绕方法，其特征在于，所述步骤102具体为：

首先对去平地的干涉相位图进行滤波处理，随后将去平地的立体测量相位与经过滤波和去平地的干涉相位图做差，并重新缠绕，得到仅有相位信息的小梯度差分干涉相位图，从而减小干涉相位图的相位变化梯度，降低解缠绕难度。

4.根据权利要求3所述的一种基于星载SAR立体测量辅助的干涉相位图解缠绕方法，其特征在于，所述步骤103中的所述共变性计算方式为：计算小梯度差分干涉相位图中每个点的共变性都在以该点为中心的一个

的大小的窗口内计算，其中

为大于3的整数，是窗口的长度和宽度，将该共变性作为小梯度差分干涉相位图的解缠绕权重

：

，

其中，

为小梯度差分干涉相位图，集合W为窗口内除了中心点以外的点，

为集合W中的点，

为集合W中每个点的相位值，

表示将相位x缠绕在

之间，

表示自然常数e的

次方，j为虚数单位，arg(•)表示取复数的相位。

5.根据权利要求4所述的一种基于星载SAR立体测量辅助的干涉相位图解缠绕方法，其特征在于，所述步骤104包括：

利用所述步骤103中的解缠绕权重

，对小梯度差分干涉相位图进行相位解缠绕，相位解缠绕过程为将小梯度差分干涉相位图转换为差分干涉绝对相位图，随后将立体测量相位和小梯度差分干涉相位图相位解缠绕结果求和，得到重建的相位解缠绕的干涉相位图。

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