三維激光掃描數據輔助GBInSAR相位解纏方法研究

岳　順，岳建平，邱志偉，汪學琴，郭樂萍

(河海大學　地球科學與工程學院，江蘇 南京 211100)

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三維激光掃描數據輔助GBInSAR相位解纏方法研究

岳順，岳建平，邱志偉，汪學琴，郭樂萍

(河海大學地球科學與工程學院，江蘇 南京 211100)

受到周邊環境、噪聲等因素的影響，GBInSAR影像的干涉相位常出現解纏失真的現象。針對傳統解纏算法的不足，利用三維激光掃描數據輔助網絡規劃解纏算法的方法，對GBInSAR影像數據進行解纏，并結合斜坡實例數據對其進行驗證，最終通過評價指標對其解纏結果進行定量分析。結果表明，三維激光掃描數據輔助網絡規劃解纏算法可以降低不連續點數目和ε值，較好地提高GBInSAR的解纏精度，為GBInSAR的推廣應用提供參考。

三維激光掃描數據；GBInSAR；網絡規劃；相位解纏；不連續點數目；ε值

地基合成孔徑雷達干涉測量(Ground Based Interferometric Synthetic Aperture Radar, GBInSAR)是一種基于微波干涉技術的創新雷達技術[1]。GBInSAR數據中不僅包含監測物體的幅度信息還包括相位信息，物體的高精度形變信息都是通過相位反映的，因此，相位的精度直接影響監測的精度[2-3]。相位解纏是從纏繞的相位中獲取實際的相位信息，是InSAR數據處理中的重點和難點[4-5]。1996年，Costantini提出了基于網絡規劃的相位解纏算法，是目前解纏算法中效果較好的一種算法[6]。但是，在實際GBInSAR數據處理中，由于周邊環境、噪聲、偽信號等誤差影響，導致解纏相位的離散相位導數估算值不能保持一致。采用基于網絡規劃的相位解纏算法對纏繞數據進行解纏時，雖然可以解纏數據中每一個像素，但是初值設定和纏繞區域的低相干誤差會影響高相干區域解纏結果的精度，且效率比較低，所以需要采用一種輔助的解纏方法，提高解纏算法的解纏精度[7-8]。近些年來，三維激光掃描技術的出現，彌補了傳統單點測量的不足，給測繪領域帶來了一次技術革命，具有廣闊的應用前景[9-10]。該技術可以在較短的時間內，精確地獲取監測區域的三維坐標[11]。GBInSAR是放在地面上對監測區域進行監測，與星載InSAR相比，攜帶方便、簡單易操作。如果在GBInSAR系統監測的同時，利用三維激光掃描對監測區域掃描，將其配準到GBInSAR坐標系統里，模擬GBInSAR的相位，對GBInSAR的解纏相位進行改正，減小解纏誤差，提高解纏精度。本文基于此原理對GBInSAR影像進行解纏，并對結果進行評定，得到了較好的解纏結果。

1　三維激光掃描數據輔助GBInSAR相位解纏基本原理

已知φ(i,j)為纏繞前真實相位值[12]，(i,j)∈S，S={(i,j)|0≤i≤N-1,0≤j≤M-1}，N,M表示影像的寬度和長度，φ(i,j)為相應的纏繞相位，現定義φ(i,j)的x方向和y方向的離散偏導數分別為Δxφ(i,j)，Δyφ(i,j)。

(1)

(2)

(3)

(4)

若

(5)

則表明該函數梯度場為無旋場，積分效果與路徑無關，此時

(6)

但是由于影像受到了噪聲、環境等的影響，纏繞的像元中存在有旋場，為解決有旋場問題，可通過計算

(7)

(8)

現在求解Δxφ(i,j)與Δyφ(i,j)就歸結為求解kx(i,j)和ky(i,j)的問題，所有的kx(i,j)和ky(i,j)絕對值之和應當盡量小，即

(9)

其中，cx(i,j)和cy(i,j)是權值函數，式(9)需滿足下列約束條件：

(10)

其中，kx(i,j)和ky(i,j)都是整數。通過以下方法將上述非線性最小化問題轉化為線性最小化問題。令

(11)

(12)

(13)

同時要滿足下列約束條件：

(14)

當式(13)取最小時，根據式(7)、式(8)求出Δxφ(i,j)，Δyφ(i,j)，再根據式(6)求出解纏相位φ(i,j)。

基于網絡規劃算法解纏時，在相位數據屬于高相干區域內時，求解結果可靠。但是對于低相干地區解纏結果較差，如果不能及時消除相位誤差，則誤差會在整個影像內傳遞，最終影響相位解纏質量。如果GBInSAR數據采集的同時，利用三維激光掃描監測區域的三維點云數據，模擬GBInSAR相位值，對其進行解纏結果校正，可以提高解纏的精度，三維激光掃描數據輔助GBInSAR相位解纏的步驟如下：

1)通過選取控制點將三維激光掃描數據和GBInSAR坐標系統進行配準。

2)將配準后的三維激光掃描數據模擬GBInSAR相位。

3)根據三維激光掃描數據設定的解纏初值，利用網絡規劃解纏算法對GBInSAR干涉數據進行解纏。

4)將解纏結果與三維激光掃描數據模擬的相位進行對比，設定閾值，小于閾值的解纏通過，大于閾值的將其重新解纏，直至小于閾值。

2　解纏實驗分析

基于上述原理，本文利用GBInSAR儀器對隔河巖大壩附近的斜坡進行監測，同時利用三維激光掃描儀器對該區域進行精細掃描，對GBInSAR影像數據結果進行配準，干涉相乘得到干涉纏繞相位圖，如圖1所示。通過選取控制點將三維激光掃描數據配準到GBInSAR監測系統坐標下，然后分別用網絡規劃解纏算法和本文算法對干涉紋圖進行解纏操作，得出最終解纏結果，如圖2、圖3所示。

圖1　干涉纏繞相位圖

圖2　網絡規劃算法解纏結果

圖3　三維激光掃描數據輔助網絡規劃算法解纏結果

從圖2、圖3可以看出，網絡規劃算法解纏算法中產生了相位誤差的傳遞，而經過三維激光數據的輔助對解纏相位進行了誤差補償，減小了誤差傳遞。為了定量評定兩種方法相位解纏的結果，現選用2個評價指標：不連續點數目、ε值，對解纏結果進行定量分析[13-14]。ε值的定義如下：

(15)

其中：ωx(i,j)，ωy(i,j)是與Δxφ(i,j)和Δyφ(i,j)相對應的權重，不連續點數目越少，抗相位畸變能力越強，ε值越小，相位解纏的質量越高。計算結果見表1。

表1　兩種解纏方法不連續點個數和ε值

從表1可以看出，基于三維激光掃描數據輔助網絡規劃算法解纏結果的不連續點數目和ε值明顯小于原方法，說明了此方法的抗相位畸變性能和解纏的質量均高于原相位解纏方法，驗證了三維激光掃描數據可以提高GBInSAR的相位解纏精度。

3　結　論

本文針對GBInSAR網絡規劃解纏算法時易出現的相位誤差傳遞、精度低等現象，通過三維激光掃描數據模擬GBInSAR相位，輔助網絡規劃法進行相位解纏，并將得到的解纏結果與網絡規劃解纏算法結果進行對比和定量分析。經上述研究，本文得出如下結論：

1)三維激光掃描數據輔助GBInSAR相位解纏可以降低解纏相位的不連續點數目和ε值。

2)輔助算法對解纏相位進行了誤差補償，減小了誤差傳遞，增強了抗相位畸變性能，提高了解纏的質量。

3)通過三維激光掃描數據的輔助可以較好地提高GBInSAR的相位解纏精度，為GBInSAR的后續處理提供了較好的保證。

[1]岳建平,曾寶慶,郭騰龍,等. GB-Radar與測量機器人數據融合方法研究[J].測繪通報,2014(10):33-35.

[2]劇成宇,鄧喀中,范洪冬.西部高山地區SAR干涉圖相位解纏方法研究[J].大地測量與地球動力學,2010,30(4):156-159.

[3]劉國林,郝華東,陶秋香.卡爾曼濾波相位解纏及其與其他方法的對比分析[J]. 武漢大學學報(信息科學版),2010,35(10):1174-1178.

[4]肖金群,李志偉,汪長城,等.相位補償SAR差分干涉提取山區DEM算法及精度分析[J].武漢大學學報(信息科學版),2012,37(3):334-338.

[5]張祥,鄧喀中,范洪冬.融合Canny邊緣檢測技術的SAR圖像改進濾波方法[J].黑龍江工程學院學報(自然科學版),2011,25(2):6-9.

[6]陳強,楊瑩輝,劉國祥,等.基于邊界探測的InSAR最小二乘整周相位解纏方法[J].測繪學報,2012,41(3):441-448.

[7]程璞,許才軍,王華. InSAR相位解纏算法研究[J]. 大地測量與地球動力學,2007,27(3):50-55.

[8]顧兆芹,宮輝力,張有全，等. PS-InSAR技術在北京平原區地面沉降監測中的應用研究[J]. 光譜學與光譜分析,2014,34(7):1898-1902.

[9]韓麗娜,李緣廷. 融合地面激光掃描和攝影測量技術的三維重建[J]. 測繪地理信息,2015,40(3):10-12.

[10] 于明旭,紀志浩,黃國斌,等.地面激光掃描和數碼相機在化石重建中的應用[J]. 交通科技與經濟,2013,15(4):124-126.

[11] 侯建國,初禹. 合成孔徑雷達差分干涉測量技術在城市地面沉降監測中的應用[J]. 測繪工程,2014,23(8):40-44.

[12] 于勇,王超,張紅,等. 基于不規則網絡下網絡流算法的相位解纏方法[J]. 遙感學報,2003,7(6):472-477.

[13] 劉國林,閆滿. 顧及模型誤差的卡爾曼濾波相位解纏[J]. 測繪科學,2012,37(2):170-172.

[14] 劉志敏,張景發,羅毅,等. InSAR相位解纏算法的實驗對比研究[J]. 遙感信息,2012(2):71-76.

[責任編輯：劉文霞]

Research on the method of unwrapping phase in GBInSAR aided by three dimensional laser scanning data

YUE Shun , YUE Jianping,QIU Zhiwei,WANG Xueqin,GUO Leping

(College of Earth Science and Engineering, Hohai University, Nanjing 210098，China)

Because of the influence of the surrounding environment, noise and other factors, the distortion phenomenon often occurs in the unwrapping phase of GBInSAR images. For the shortcomings of traditional unwrapping algorithms, this paper unwrapps the GBInSAR image data by using the network planning unwrapping algorithms under the help of three dimensional laser scanning data. Then it verifies the algorithms and quantitatively analyzes the evaluation of unwrapping results based on the slope instance data. The results show that three dimensional laser scanning data will reduce the number of discontinuities and ε value, and raise the unwrapping accuracy of GBInSAR images, which provides the reference for the promotion and application of GBInSAR.

three dimensional laser scanning data; GBInSAR; network planning; unwrapping phase; discontinuities number; ε value

10.19349/j.cnki.issn1006-7949.2016.12.003

2015-09-14

國家自然科學基金資助項目(41174002)；湖南省重點實驗室開放研究基金資助項目(PHLHD201311)

岳順(1991-)，男，碩士.

P237

A

1006-7949(2016)12-0012-04