時空基線對D-InSAR相干性影響分析

王天祥 王 凱 馬金輝

（蘭州大學資源環境學院，甘肅 蘭州 730000）

0 引言

地表形變監測在地質災害防治、城市工程建設、礦區安全生產等領域具有重要意義。傳統的地表形變監測手段都是基于高精度水準點或者GPS點聯網平差解算獲取形變區域的形變量，工作效率較低，成本較高，并且受地理環境的影響，個別區域由于人類難以到達無法布設點位，無法進行有效的地表形變監測。合成孔徑雷達干涉測量（InSAR，Interferometric Synthetic Aperture Radar）是一種獨特的基于面狀對地觀測的微波遙感技術，在其基礎上發展起來的D-InSAR技術在獲取地表高程信息和地表微小形變信息方面具有強大優勢，其基本原理是利用具有一定視角差的兩部天線（或一部天線兩次經過）獲取被測對象具有相干性的復數圖像信息，并通過匹配、干涉圖濾波、相位解纏、基線估計、相位高程轉換等處理環節，由其干涉相位反演地形信息或者形變信息的理論和技術[1]。由于SAR傳感器本身的特點和InSAR數學模型的限制，空間基線過長引起的空間失相關和地表反射特性隨時間變化引起的時間失相關是影響InSAR干涉質量的主要因素，如何控制空間基線的長度，選擇合適的時間間隔，直接關系到主輔影像相干性程度，對干涉圖質量的好壞起決定作用。

對空間基線的研究一直以來是InSAR研究領域的熱點問題，成樞等[2]以ERS-1/2衛星為例，介紹了基于衛星星歷數據的基線估算法和基于GCP的基線估算方法；穆冬[3]等通過分析基線長度和相干性與相位展開的關系，提出通過增長InSAR基線可以提高測高精度，對基線長度的限制主要來自于相干性的下降和相位展開的難度兩個因素；孫造宇[4]等針對姿態變化、振動和基線測量誤差三個影響干涉質量的主要因素開展分析，認為姿態變化和天線桿振動引起的基線變化會造成干涉相干性的變化、圖像相位變化等，圖像相位變化引起的干涉相位變化是其中主要影響因素。由此可見空間基線對于干涉質量的影響十分顯著，研究空間基線對相干性的影響具有重要意義。時間基線是影響相干性的另一重要因素，地物后向散射特性隨著時間發生變化，難以掌握其規律，直接影響干涉質量，劉曉萌等[5]通過對D-InSAR處理中的各種失相干源進行量化計算，提出時態失相關對于InSAR技術而言是最重要的失相關源，時間失相關是InSAR處理過程中的一大難題。

本文結合InSAR技術的數學模型，在理論上分析了空間基線和時間基線對相干性的影響，然后使用ENVISAT ASAR數據，根據不同時空基線的105組干涉像對進行實際計算，并對其結果進行相關性分析，建立了時空基線和相干性的關系模型，論證了時間基線和空間基線對于相干性的影響，然后隨機選擇17個干涉像對進行驗證，得到了較好的效果，對InSAR和D-InSAR技術的廣泛應用具有較好的實際意義。

1 基本原理與理論分析

1.1 InSAR技術和D-InSAR技術基本原理

圖1 InSAR獲取地面高程信息原理Fig.1 Principle of obtain ground elevation using InSAR

InSAR技術獲取地面高程的基本原理是根據兩幅具有相干性的復數影像進行復共軛相乘，獲取干涉條紋圖，根據基線條件和干涉相位提取地表高程信息；基于InSAR技術的D-InSAR（差分干涉測量），是選取形變前后的兩幅復數影像獲取干涉相位信息，然后使用高精度DEM數據模擬由于地形起伏引起的相位信息，然后與干涉相位進行差分處理，獲取地表微小形變信息。獲取高精度的干涉相位信息是InSAR技術和D-InSAR技術的核心步驟，影響干涉條紋質量的因素主要取決于數據本身，根據時間基線和空間基線選擇好的干涉像對是獲取高精度干涉條紋圖的基礎；InSAR數據處理流程中主輔影像匹配的精度，研究區域地表覆蓋類型的不同，時間變化引起的地物后向散射系數的變化等因素也對干涉相位精度起到重要影響；選取好的干涉圖濾波方法，根據數據質量調整相關參數，可以有效的抑制噪聲對于干涉相位的影響，提高相干性[6]。

1.2 時空基線對相干性影響的理論分析

根據相位干涉的基本原理，兩個信號源的位置關系對干涉的影響最為重要，空間基線是兩個信號源之間的位置關系最直觀的表現。根據InSAR技術基本數學原理，基線長度和觀測視線角度選擇不當會造成空間失相關，一般來說基線長度越長，SAR系統對于高度變化的反應越靈敏；但是基線長度越長，兩次觀測獲得信號之間的相干性也就越差。相關系數是評價相干性和干涉質量好壞的依據，記M為主圖像復數值、S為輔圖像復數值，相干系數ρ記為：

S*代表S的共軛復數，E代表求數學期望。相干性的值一般分布在0-1之間，相干性值越高，說明兩個信號之間的相干性越好，生成的干涉條紋圖質量也就越好。影響SAR回波信號相干性的主要因素有基線引起的空間相關系數、不同地表覆蓋類型的后向散射系數、熱噪聲引起的熱噪聲相關系數、時間間隔引起的時間相關系數等，其中基線參數是InSAR數據處理中的重要參數，是決定目標定位精度的關鍵因素。楊福芹[7]等人分析了相干系數隨基線的變化情況，得出空間基線越短，相干系數越大，干涉質量越好，即基線長度與相干性成反比關系的結論，利用基線長度可以粗略估算兩幅圖像的相干程度。

對于時間基線的分析相對于空間基線更為復雜一些。時間基線是指獲取兩幅SAR圖像對之間的時間間隔，時間基線的存在產生時間失相干。地面上物體狀態的變化、大氣條件變化引起的介電常數的變化、氣候變化等因素都會引起時間去相干，從而降低了干涉圖的質量，使干涉測量結果精度變差。時間去相干是時間基線的函數，時間基線越長，時間去相干越強，干涉圖的信噪比越低[8]。根據相干系數表達式可以看出，相干性的高低主要通過主輔影像復數值的期望來體現，SAR傳感器記錄的復數影像像元值主要取決于地物反射的回波信號，時間間隔越短，地表覆蓋情況和大氣條件越接近，兩次觀測得到的回波信號相干性越好。地物后向散射特性根據時間的變化較為復雜，隨著季節的變化可能會出現波動。

2 基于時空基線的相干性回歸模型建立與驗證

本文在前人研究的基礎上，對時間基線和空間基線進行了了綜合分析，通過多元回歸方程模擬了時空基線和相干性之間的關系，通過大量數據迭代運算初步確定了模型中的未知參數并進行了驗證，證明該模型能較好的反映時空基線與相干性之間的關系。本文選取了2003年至2010年之間的41景ENVISAT ASAR數據，以ENVISAT衛星35天的重訪周期為單位，選取35天至735天共計21組時間間隔的干涉像對，每個時間間隔隨機選取5個不同空間基線的樣本，分別計算相干性圖并統計相干性平均值作為評價依據，對105個樣本數據空間基線長度和相干性均值做相關性分析，然后對每個時間間隔的5個樣本相干性再次取平均，對21組時間基線和相干性平均值做相關性分析，結果如下圖所示：

圖2 空間基線與相干性關系Fig.2 The relationship of baseline and coherence

圖3 時間基線與相干性關系Fig.3 The relationship of time inteval and coherence

結果表明，相干性平均值與空間基線及時間基線的非線性冪函數關系相關性最高（分別見圖2和圖3），其中空間基線與相干性平均值關系的決定系數達到0.76，時間基線與相干性平均值關系的決定系數為0.52。由圖2和圖3可以看出相干性平均值與空間基線以及時間基線呈現出明顯的非線性反比關系，由此初步驗證了理論分析的合理性。

根據初步統計分析結果，本文認為對于ENVISAT ASAR數據而言，空間基線在300米以下，可以保證較好的相干性，相干性平均值隨著基線長度增加急速下降；空間基線300米以上相干性較低，隨基線長度變大，相干性平均值下降速度變緩。空間基線對于干涉質量的影響較為顯著，控制空間基線的長度不超過臨界基線的三分之一（ENVISAT ASAR數據臨界基線為930米左右）可以保證得到較好的相干性。對于時間基線而言，可以看到時間間隔一年以內，相干性隨時間間隔增大下降明顯；時間間隔一年以上，相干性平均值整體保持在一個較低的水平，并呈現一定周期性變化，應該是由于季節的原因導致，時間基線的選擇應該綜合考慮研究區域的地表覆蓋特征和季節、氣候等因素，特別是在高植被覆蓋區域，季節更替對于地物反射特性的影響明顯，選擇冬季影像進行干涉，相干性會有所提高，該結論基本符合理論分析的結果。

由此表明，空間基線和時間基線對相干性具有共同的作用和影響，本文基于上述結果再次利用時間基線以及空間基線對相干性作二元冪函數回歸迭代分析，根據上述研究結果，初步設定其共同作用下的模型表達式為：

其中，ρ為相干性，x1為空間基線長度，x2為時間基線，設置其初始迭代參數 a0=a3=0，a1=1.7043/(1.7043+0.8075)，a2=0.8075/(1.7043+0.8075)，c1=-0.314，c2=-0.176，c3=c4=1，經過多次迭代分析，最終得出 ENVISAT ASAR傳感器空間基線和時間基線對相干性的共同作用下的時空基線模型公式為：

且其決定系數R2高達0.919，并通過了95%的顯著性檢驗，由此說明時間基線以及空間基線與干涉像對相干性高度相關，利用空間基線長度和時間基線可以估算出兩幅SAR圖像的相干程度，為InSAR數據處理提供先驗依據。

為了驗證該模型的合理性，本文根據ENVISAT ASAR數據時間間隔隨機另外選取了17組干涉像對樣本進行驗證，通過公式（3）計算相干性，與SARscape軟件模塊計算結果作對比驗證，結果如下所示：

圖4 模型計算結果與SARScape計算結果散點圖對比Fig.4 Model calculation results compared with results of SARScape

結果表明：利用該模型估算的相干性與SARscape軟件模塊計算結果非常接近，二者之間存在著良好的線性相關性，其決定系數高達0.9173，17組干涉像對驗證數據平均誤差為7.63%，最小誤差僅為0.22%，進一步證明了該模型具有一定的可靠性，通過時間基線和空間基線的值可以對相干性進行估算，同時也說明了時間基線與空間基線對SAR成像的相干性具有著決定性的作用。

對該模型所產生的誤差進行分析，本文認為主要來源是對時間基線周期性特點沒有進行充分的考慮，該模型只考慮到了相干性隨著時間基線的增大呈現整體性下降趨勢。由圖3可以看出，隨著季節的變化，地物后向散射系數呈現一定的周期性規律，直接影響到相干性的周期變化，在整體下降趨勢的基礎上還應該具備一定的季節性波動規律；此外由于時間基線的不同導致大氣擾動引起的干涉相位發生變化，以及傳感器各種噪聲引起的干涉相位變化也是本模型的誤差來源。

表1 模型精度驗證分析Tab.1 Model accuracy test analysis

3 結果與討論

空間基線的存在是兩幅SAR影像進行干涉的基礎，基線值在干涉測量中起著至關重要的作用；時間基線直接影響地物輻射特性變化，是InSAR技術中最重要的失相關源。本文通過理論分析和仿真實驗相結合，不僅從理論上證明了空間基線和時間基線對InSAR相干性具有緊密的反比關系，還通過實驗進行了具體驗證和分析。

通過實際計算和分析，對于ENVISAT ASAR傳感器而言，空間基線和時間基線分別對InSAR相干性具備反比冪函數關系，相關系數均在0.7以上。本文通過二元冪函數回歸迭代分析，表明在空間基線和時間基線對InSAR相干性表現出共同作用，且決定系數高達0.919，本文結合已有數據經過大量計算推導出了ENVISAT ASAR數據空間基線和時間基線對相干性影響的時空基線模型公式。通過對時空基線模型的驗證表明，該模型與SARscape模塊計算結果非常接近，二者之間存在著良好的線性相關性，其決定系數達0.9以上，模型計算的平均誤差控制在10%以內。由此也說明了該模型具有一定的可靠性，同時也說明了時間基線與空間基線共同對SAR干涉像對的相干性起到決定作用。

通過時空基線模型誤差分析，證明時間基線對相干性的影響比較復雜，時間基線與相干性不僅在整體上呈現一定的反比關系，應該還存在一定的季節性周期變化特點，這在今后的時空基線模型研究中應當予以具體考慮。

上述結論證明，空間基線對于干涉質量的影響較為明顯，通過控制空間基線的長度不超過臨界基線的三分之一可以保證得到較好的相干性。對時間基線而言，相干性隨時間間隔增大下降明顯，并呈現出一定周期性變化，推斷應該是由于季節的原因導致。時間基線的選擇應該綜合研究區域的地表覆蓋特征和季節氣候等因素考慮，季節更替對于地物反射特性的影響明顯，選擇冬季影像進行干涉，相干性會有所提高。

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［2］成樞,刁建鵬,杜培貞,等.基線誤差對 InSAR的影響分析和基線估算方法[C]//全國開采沉陷規律與“三下”采煤學術會議論文集.2005.

［3］穆冬,劉愛芳,來馳攀.星載 InSAR的基線長度研究[J].現代雷達,2011,33(5):12-16.

［4］孫造宇,董臻.基線特征對天基雙天線 InSAR性能的影響分析[J].載人航天,2013,18(6):7-12.

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