蟻群算法在InSAR相位解纏中的應用

石　超,田林亞,熊歡歡,祖　瀅

(河海大學 地球科學與工程學院，江蘇 南京 211100)

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蟻群算法在InSAR相位解纏中的應用

石超,田林亞,熊歡歡,祖瀅

(河海大學 地球科學與工程學院，江蘇 南京 211100)

相位解纏是InSAR信號處理的關鍵過程，針對傳統的枝切法存在枝切線整體長度過長和容易產生解纏“孤島”現象等問題，基于蟻群算法提出一種改進的枝切法，通過對傳統的枝切線進行優化，有效地減少枝切線長度。采用伊朗Bam地區的InSAR圖像數據對算法進行實驗計算與分析，表明本文算法所需設置的枝切線整體長度較短，能獲得更好的相位解纏效果。

相位解纏；枝切法；蟻群算法；枝切線長度

Goldstein枝切法[5]是最為經典的相位解纏算法，通過識別干涉圖中的正負殘差點并在它們之間建立枝切線，阻止積分路徑的穿過，最后進行路徑積分，完成相位解纏。Goldstein枝切法的解纏速度較快，在殘差點較多、相干性較差的區域，容易出現被枝切線包圍的封閉區域無法被解纏的問題(“孤島”現象)，并且存在枝切線整體長度過長的問題[6]，會降低相位解纏的效果，因此，應尋求最短枝切線以提高相位解纏效果。蟻群算法是一種高效的尋找最優路徑的算法，本文基于蟻群算法提出一種改進的枝切法，對枝切線進行優化，使枝切線整體長度減小，來減少“孤島”的數量，以達到提高相位解纏效果的目的。

1　相位解纏中的蟻群算法

蟻群算法是一種用來在圖上尋找最優路徑的機率型算法，由Marco Dorigo于1992年提出，并被成功應用于旅行商問題(TSP)的求解[7]。蟻群算法可以快速地搜索最短路徑并進行全局優化，并且有著并行性、正反饋、魯棒性、自組織等優點。本文將蟻群算法應用于相位解纏，以求解出最短枝切線。

(1)

(2)

Goldstein枝切法求解路徑最短的概念與旅行商問題相似，不同的是旅行商問題要求解圖中所有城市的最短連接路線，而枝切法需要考慮正負殘差點的極性，然后連接使之平衡，最后求出枝切線的最短距離。首先，識別干涉圖中的殘差點，并根據殘差點極性分為正負殘差點，再使用蟻群算法計算出最短枝切線，基本過程：①根據式(1)計算出殘差點之間連接的概率，以某個殘差點為起點開始連接概率最大、極性相異且距離小于設定閾值的殘差點，無論是否連接成功，都跳到下一個未連接的殘差點上，再次搜索連接和重復上述過程。②對可能剩下沒有連接的殘差點進行單獨處理，先判斷相距最近的兩異性殘差點的距離與它們到各自最近邊界的距離之和，如果前者距離小于后者距離，則直接連接，反之，則將殘差點與其最近邊界相連。最后對所有連接的正負殘差點設置枝切線，計算枝切線的整體長度t值，并以t值作為算法循環的評價標準。

(3)

本文算法考慮殘差點的極性，利用蟻群算法對正負殘差點進行優化組合，使枝切線整體長度更短，以此提高相位解纏效果。并且，該方法有很好的并行性，很好與其它優化算法共同運行。

2　實驗數據及結果

世界時間2003-12-26T1：56，伊朗東南部的Bam地區發生里氏6.8級地震，地震中心位于北緯29.01°，東經58.30°，地源深度33 km 。地震造成大面積破壞，Bam市的古城遺址變成廢墟。本文選擇伊朗Bam地區的InSAR圖像(如圖1所示)作為研究對象，并在其InSAR圖像中選取大小300像素×300像素的區域作為實驗數據(如圖2所示)，通過對InSAR圖像檢測后，得出殘差點共504個，其中，正殘差點251個，負殘差點253個，如圖3所示。

圖1　伊朗Bam地區相位干涉圖

圖2　實驗選取的干涉圖

圖3　殘差點

將本文算法與Goldstein枝切法、掩膜割線法和質量圖引導法的解纏效果與速度進行對比。圖4為4種方法的相位解纏效果。

從圖4的解纏效果來看，Goldstein枝切法、掩膜割線法在殘差點較密集的地方都出現較多的“孤島”，解纏的整體效果較差。質量圖引導法的解纏效果整體較好，但是在低質量區域出現相位跳變。本文算法與Goldstein枝切法、掩膜割線法對比，整體效果較好。表1是本文算法與Goldstein法建立的枝切線長度的比較。

(a)Goldstein枝切法

(b)掩膜割線法

(c)本文算法

(d)質量圖引導法

算法本文算法Goldstein法枝切線總長863.792222.44

實驗結果表明，與Goldstein法相比較，本文算法設置的枝切線的整體長度更短，“孤島”明顯減少，相位解纏效果更優。考慮到相位解纏算法的適用性，解纏方法的運算時間也是一個重要的標準，表2是各種方法的運行時間。

綜合幾種方法的解纏效果及運行時間可以得出，Goldstein法與掩膜法運行時間少，解纏效果卻較差，本文算法與質量圖法的解纏效果各有優劣，總體基本相當，且解纏效果都優于Goldstein法與掩膜法。由于質量圖法需要不斷選取出質量高的像素點進行處理，大大增加運行時間[9-10]。綜合考慮解纏效果與運算時間，可認為本文算法是一種較

表2　各種解纏方法對InSAR圖像的運算時間　s

為有效的相位解纏算法。

3　結束語

Goldstein枝切法存在枝切線整體長度較長和容易出現“孤島”的問題，本文基于蟻群算法，提出一種改進的枝切法，對連接正負殘差點的枝切線進行優化，使得枝切線整體長度最短。采用伊朗Bam地區的InSAR圖像，對本文算法及其它幾種算法進行相位解纏的計算與比較，結果表明：本文算法有效減少枝切線的長度及“孤島”數量，提高解纏的效果，并且在算法的整體性能上優于其它3種方法。

[1]張妍，馮大政，曲小寧，等．基于改進粒子群算法的二維相位解纏算法[J].電波科學學報，2012(27)：1116-1123．

[2]王超，張紅，于勇，等．雷達差分干涉測量[J]．地理學與國土研究，2002(3)：13-17.

[3]肖楓，伍吉倉，劉朝功，等．不同質量圖在相位解纏算法中的比較分析[J].大地測量與地球動力學，2010，30(2)：80-85 .

[4]張妍，馮大政，曲小寧，等．改進的枝切法在相位展開的應用[J]．電子科技大學學報，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.

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[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.

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[責任編輯：李銘娜]

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，碩士研究生.

TN957

A

1006-7949(2016)12-0074-03