永久散射體點目標提取方法研究＊

龍四春 李 陶 馮 濤

(1)中南大學資源與安全工程學院,長沙 410083 2)湖南科技大學煤炭資源清潔利用與礦山環境保護湖南省重點實驗室,湘潭 411201 3)武漢大學衛星導航定位技術研究中心,武漢 430079)

永久散射體點目標提取方法研究＊

龍四春1,2)李 陶3)馮 濤2)

(1)中南大學資源與安全工程學院,長沙 410083 2)湖南科技大學煤炭資源清潔利用與礦山環境保護湖南省重點實驗室,湘潭 411201 3)武漢大學衛星導航定位技術研究中心,武漢 430079)

分析幅度穩定性、相位穩定性、時序相關性及振幅離差閾值等多種 PS點提取方法的特點與缺陷,提出基于時序相關系數閾值與振幅離差閾值并集和交集的 PS點識別策略,給出其相應模型,并實例驗證了該方法的有效性與優越性。

永久散射體;識別提取;交集;并集;點目標檢測

1 引言

合成孔徑雷達差分干涉測量,具有全天候、廣覆蓋、穿透性及高垂直形變靈敏度等優點,使其在區域地表形變監測中得到廣泛關注,但在長時間序列內的微量地表形變監測中,時空去相干和大氣相位延遲的影響不可忽視。針對 D-InSAR的缺陷,Ferretti[1]提出了永久散射體(PS,Permanent Scatterers)新技術,利用從時間序列的 SAR影像集中選取那些始終保持高相干性的點,即“永久散射體點”,它們通常具有穩定的且不易隨時間變化的雷達散射特性[1-4],具有可靠的相位信息,后續處理和分析都集中于這些高相干性的 PS點集上,能克服或減弱時空失相關[1-4]和大氣延遲[5-8]的負面影響,提高區域地表形變監測的精度和可靠性。

2 PS點目標提取方法

PS點目標是在像素分辨單元內占主導地位的散射體,其雷達回波的后向散射信號在長時間序列上保持穩定。后向散射特性與信號源入射角、探測角、波長、極化、電介質的特性及地面的粗糙度有關,很難找到一個普遍合適的規律,但郎伯[9]認為后向散射特性的變化規律僅僅是信號源角度ω的函數式：

這在一定程度上為 PS點的預選提供了簡便方法與思想。但對于高相干 PS點目標的精確選取,許多學者[1-11]認為,通過對雷達圖像相位、信噪比、相干性或幅度信息等設定合適的閾值進行 PS點目標的選取會更加可靠。

2.1 基于振幅閾值的 PS點選取

Kampes and Adam提出設定幅度閾值來識別高質量相干點的算法：

2.2 基于相位穩定性的 PS點選取

時間相關性可用 PS點的相位穩定性來表達[12],若存在 n幅時序雷達差分干涉圖,則其相關值為：

從式(3)可以看出,若時間序列為高相干點的相位Φi沒有發生改變,相關系數γi應為1。由于雷達波入射角、地形起伏及大氣效應等影響,造成高相干點上相位值發生變化,因此,可靠的高相干點,采用相關系數γi≥γC(相關閾值)來判斷更合適,但γC的確定需要進一步分析與驗證。

2.3 基于振幅離差閾值的 PS點選取

振幅離差閾值方法是合成孔徑雷達干涉測量中提取高質量相干點目標的經典方法,它是對振幅在時間序列上的變化特性進行統計,當所選目標在高信噪比 (如大于 4)條件下,即相位標準偏差＜ 0.25 rad時,近似等于振幅離差 Da(圖 1)[3]。采用幅度差值指標Da作為標準來判斷干涉處理的高相干點：

圖1 幅度離差的數學模擬結果[3](單位：rad)Fig.1 Mathematical simulation results of amplitude dispersion(unit：rad)

在影像大于 20幅時,該方法具有比較高的可靠性,但如果影像數量較少,它的可靠性將急劇下降[3,11]。若地面上具有能持續提供高質量相位面積較大的硬目標,則可在一系列相干圖中找到它們[11]。振幅離差閾值法提取高相干點的可靠度還與圖像預處理 (包括雷達影像聚焦、配準和輻射定標等)的質量和使用閾值的大小有關。城市地區往往存在有大量的能提供高質量的大面積目標,當同一研究區域 SAR數據比較多的情況下,該提取方法有一定優勢。

2.4 基于時序相關系數閾值的 PS點選取

時序相關系數法是利用相位信息,通過濾波方法不斷分離干涉相位中的干擾信息,得到最終的有用信息,并計算其時間相干系數,通過設定一定閾值進行相干點目標的提取。差分干涉的兩雷達影像之間的相干系數計算可表達為[3]：

其中,E{·}是表示數學期望,M表示復數主影像,S為復數輔影像,γi表示復數相干,其絕對值的范圍在[0,1]。相關系數的絕對值大小反映了各像元上干涉相位的質量,時序相關系數方法是先在單幅干涉圖中設定一個相干值閾值,選出相干值大于的相干性高的點作為侯選點,然后對整個M景干涉圖進行時間序列分析,就配準的對應各像元的相干性進行穩定性分析,再設定第二個相關閾值把時間序列上各像元的相干值均值大于的相干點作為選取的高相干點目標,再利用點目標檢測算法剔除那些不穩定的點目標。時序高相干點閾值法選擇模型為：

相關系數是基于局部移動窗口來計算的,窗口大小和閾值的設定對相關系數估計值具有直接的影響,窗口越大,估計結果越可靠,但降低了分辨率,容易導致孤立且有效的 PS點不能被檢測到,非穩定目標也可能被錯誤地判定為 PS點,窗口過小,相關系數估計值可靠性降低;閾值過高,周圍有少量噪聲像元的有效 PS難以被提取,而閾值過低,則有效 PS周圍失相關嚴重的像元可能被誤判為 PS點。

3 時序相關系數和振幅離差閾值并集組合方法

對于多雷達影像的研究區域,采用影像振幅離差閾值法是一種比較可靠的提取方法,影像數越多統計特性越好。但單一閾值進行 PS點的選擇往往會丟失一些高相干目標點,為了增強 PS點集在研究區域的統計特性,提高相干目標點在研究區域的分布密度,尤其是植被覆蓋、低相干及發展較快的城市地區,在時間序列上表現為穩定的高相干點目標比較少,因此,可采取時序相關系數閾值和振幅離差閾值并集的組合方法來提取高相干點目標,其模型為：

其中 PStime_coherence為時序相干系數閾值提取的高相干目標點集,PSam_dispertic為振幅離差閾值提取的高相干目標點集,PS并為對兩種方法求取的高相干目標點在空間位置上求并集后得到的高相干目標點集。

采用時序相關系數閾值和振幅離差閾值并集組合方法能提高數據的統計特性,但帶來了不可靠點和假高相干點的增多,因此,還需要對組合法選取的相干目標點進行點目標檢測,排除低質量的相干點,確保選取點在幅度和相位上的穩定。

相對并集組合方法,還有時序相關系數閾值和振幅離差閾值交集組合,即兩種方法都選取的高相干點才能作為 PS點目標侯選點,其具體模型可表示為：

對兩種方法求取的高相干目標點在空間位置上求交集后得到的高相干目標點集 PS交,幾乎排除了兩種方法中的不可靠 PS點,提高了 PS點提取的準確率,在建筑物、橋梁等硬目標分布密集的老城區,該方法具有非常穩健的效率,但對于一般地區,會一定程度上降低 PS點分布的密度和數理統計特性,尤其在 PS點分布稀疏地區更是無法應用。

4 PS點選取方法實驗與比較分析

為了驗證 PS點目標提取方法的優越性,選擇天津地區 23幅 ENV ISAT衛星 ASAR影像,根據公用主影像的優化選取模型[10],選取 2005年 09月 16日的 18 537影像作為主影像,其他影像作為輔影像并重采樣到主影像 18 537空間,組成 22個干涉像對,影像具體參數見表 1。

表1 ENVISAT ASAR影像數據相關參數Tab.1 Related parameters of ENVISAT ASAR i mage data

相干系數閾值法是基于空間域窗口運算,選定合適的窗口非常重要。本實驗對雷達影像在方位向與距離向進行 5：1多視,采用 4×4像元的運算窗口。選取每組干涉像對中相干系數高于 0.4的像元作為初始 PS侯選點集,將相干圖進行平均,得到相干系數高于 0.42的點集 PS1,將這些點在平均強度圖上顯示出來(圖 2)。

根據雷達影像的強度特性,高相干點目標的尺寸往往小于給定分辨單元的尺寸,需要對分辨單元的雷達后向散射值進行空間統計,提取后向散射強度高于鄰域像元的點目標,利用式(4)和 (6)分別對單影像在空間域設定振幅閾值 0.3和多影像在時間序列上設定振幅離差閾值 0.25,提取了高雷達散射特性的點集 PS2,將這些點在平均強度圖上顯示出來(圖3)。

圖2 時序相干系數法相干點目標提取結果Fig.2 Results of coherence point target selection with time sequence correlation coefficientmethod

圖3 振幅離差法相干點目標提取結果Fig.3 Results of coherence point target selection with amplitude dispersion index threshold method

采用單一閾值進行高相干目標點的選擇往往會丟失一些相干點,為了提高到 PS點集在研究區域的統計特性,提取點集 PS1和 PS2的并集作為最終的PS侯選點集,將這些點在平均強度圖上顯示出來(圖 4)。再對侯選點進行點目標檢測,排除低質量的點。

天津市區是一個建筑物、橋梁等硬目標分布密集的城市地區,也可以進行時序相關系數閾值和振幅離差閾值交集組合,盡可能排除不可靠 PS點,用此組合方法所提取的高相干點(圖 5)。

5 點目標檢測

點目標檢測是利用統計理論去除非線性波動大的相干目標點,進行永久散射體的合理性檢驗。在永久散射體技術相位解纏,即推算相鄰點目標沉降速度和高程修正相位過程中,可以采用模型相干系數閾值法

圖5 交集相干點目標提取結果Fig.5 Results of intersection coherence point target selection

圖6 并集PS點目標檢測結果Fig.6 Results of union PS point target check

6 結論

振幅離差閾值法需在大數據量情況下才能提取準確的點目標,并且點位分布比較離散。時間相干系數閾值法提取的點目標總體分布密度高,要進行窗口運算,在一定程度上降低了分辨率,會導致孤立且有效的高相干點不能被檢測到,非穩定目標也可能被錯誤地判定為高相干點,如圖 2在河道上也出現了個別誤選的 PS點。

時序相關系數閾值和振幅離差閾值并集法提取的相干點目標,點分布密度更高,提高了 PS點算法的統計特性,但算法含蓋了兩種方法的缺陷,其分辨率有一定損失,也會存在一些誤選的點目標,需進一步采用點目標檢測法提高所選 PS點的準確率。時序相關系數閾值和振幅離差閾值交集法相干點目標提取,幾乎排除了兩種方法中的不可靠 PS點,提高了 PS點提取的準確率,在建筑物、橋梁等硬目標分布密集的天津城市地區,該方法具有穩健的效率;但對于一般地區,它會在一定程度上降低 PS點分布密度和數理統計特性,尤其在 PS點分布稀疏的地區更是無法應用。總之,點目標提取方法的選擇要根據數據情況和研究區域等情況來定。

1 Ferretti A,Prati C and Rocca F.Permanent scatterers in SAR interferometry[J]. IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing,2001,39(1)：8-19.

2 FerrettiA,Prati C and Rocca F.Nonlinear subsidence rate estimation using permanent scatterers in differential SAR interferometry[J].IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing,2002,38(5)：2 202-2 212.

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6 陳強,等.永久散射體雷達差分干涉應用于區域地表沉降探測 [J].地球物理學報,2007,50(3)：737-743. (Chen Qiang,et al.Radar differential interferometry based on permanent scatterers and its application to detecting regional ground subsidence[J].Chinese J Geophys,2007,50 (3)：737-743)

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9 John C Curlander and RobertN McDonough.Synthetic aperture radar：Systems and signal processing[M].John W iley amp;Sons,2006.

10 龍四春,劉經南,李陶.融合 GPS數據的 PS-D InSAR公用主影像的優化選取[J].同濟大學學報 (自然科學版),2010,38(3)：453-458.(Long Sichun,Liu Jingnan and Li Tao.Method for optimum selection of common master acquisition for PS-D InSAR fusing GPS data[J].Journal of TongjiUniversity(Natural Science),2010,38(3)453-458)

11 夏耶.地面沉降與山體滑坡的星載合成孔徑雷達差分干涉監測方法及其工程應用[R].第一屆地球科學教育國際研討會 (臺灣),2007.(Xia Ye.Ground subsidence and landslides spaceborne differential interferometric synthetic aperture radar monitoring method and its application [R]. The First Earth Science Education Conference (Theme：Technology Enhanced Learning in Earth Science, TELES),Taiwan of China,2007)

12 Atlantis Scientific Inc.EV-InSAR User Guide in EditoEditors[M].Atlantis Scientific lnc.：Nepean,Ontario, Canada,2004.

STUDY ON SELECTI ON OF PS PO INT TARGETS

Long Sichun1,2),Li Tao3)and Feng Tao2)

(1)School of Resources and Safety Engineering of Central South University,Changsha 410083 2)Hunan Key Laboratory of Clean Coal Resources U tilization and M ine Environm ent Protection, Hunan University of Science and Technology,Xiangtan 411201 3)GNSS Engineering Research Center,W uhan University,W uhan 430079)

The recognition and selection of high-coherence PS points is a premise that guarantees the high-precision ofper manent scatterers.The characteristics and flawsof all kindsof selectionmethods,such as amplitude stability,phase stability,timing sequence correlation and amplitude dispersion index threshold were analyzed.The recognition strategy of PS points is brought forward based on the union and intersection of time sequence correlation coefficient threshold and amplitude dispersion index threshold.The basic principle of point target check method is expounded and the correspondingmodel is given,in addition,its effectiveness and superiority is verified.

Permanent Scatterer(PS);recognition and selection;intersection;union;point target check

1671-5942(2011)04-0144-05

2011-04-05

國家自然科學基金(41004002);中南大學博士后科學基金

龍四春,男,1975年生,副教授,博士后,主要研究方向：合成孔徑雷達差分干涉測量、大地測量與形變監測.E-mail：lsc2002@ 126.com

P225.1

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