Skysense实战之利用GACOS数据去除大气

       大气相位噪声是影响差分干涉结果的一个很重要的因素，我理解大气相位延迟（对流层）主要是因为电磁波在大气中传输时候，大气是分层的（地表和高空不一样），所以电磁波传输线路发生了一点弯曲效应，传播距离的长度因为弯曲发生了一点偏差。干涉测量要用到斜距做差，斜距的误差就出现在干涉测量的结果当中。对流层延迟和电离层延迟不是一个东西，要区分开来，电离层延迟我也不懂，这里就不讨论了。

       大气相位噪声的特点为空间低通，时间高通，也就是说在空间分布上表现出低通缓慢变化的特征，而在时间序列上表现为为高通快速变化的特征。所以对于出现在时序数据里的大气相位，可以针对这个特征通过滤波的方式进行去除。那么对于差分干涉结果，能否有效进行大气相位的去除呢？这个应该有很多人研究过，在没有辅助数据的情况应该不太好进行去除。最近看到Skysense中增加了对差分干涉图使用GACOS[1]（Generic Atmospheric Correction Online Service for InSAR，GACOS主要是利用了GPS数据生成了对流层的延迟 )数据去除大气相位的功能，在这里记录一下。

       

 图1 GACOS数据下载界面

        首先要获取大气数据。进入官网进行下载http://ceg-research.ncl.ac.uk/v2/gacos/。从数据中读出数据的经纬度范围和Sentinel-1影像的观测日期，输入单位和邮箱就可以坐等数据发送回来了。现在数据处理速度很快，大概半个小时左右数据就发送回来了。单个影像大气数据和地形是明显相关的。

图2 20170730大气相位延迟（单位m)

 

图3 差分大气相位

        利用Skysense进行大气相位的处理。在【差分干涉图】-【未滤波结果】右击选择【去除GACOS大气】，

 图4 去除大气相位操作

         选项卡一（图5）中需要选择要去除大气的差分干涉图，选项卡二（图6）是对大气相位进行编码，应该就是从地理坐标系转到雷达坐标系下，可以看到这里的界面是和模拟地形相位差不多的。选择大气数据所在的目录，选择好DEM所在的目录（DEM没有的话需要下载，图7），按照分辨率选择好采样的系数和数据编码模式。

 

 图5 选择差分干涉图

图6 设置参数

 图7 下载DEM

      等待处理结束，就可以看到去除大气之后的差分干涉图了。

        这里给出去除前后的对比图（滤波设置不太一样，但是不影响趋势的判断），我认为效果应该是有的，不知有没有高手可以指点一下如何判断大气去除的好不好？

        客观来说，利用GACOS可以去除一部分的大气延迟，特别是在一些地形变化比较明显的地方，但是能否完全去除我认为还是有一些随机的成分在里边的。

后记（补充）：        

        大气相位分Turbulent Mixing和 Vertical Stratification两种。

        Turbulent Mixing 是由大气的扰动过程产生的，不论是平地还是山区都会有。在雷达干涉图中，大气信号的行为在数学上可以使用the covariance function , the power spectrum, the fractal dimension and the structure function 等相关测度(interrelated measures)来进行描述。 

        Vertical Stratification是大气的垂直分层效应造成的，假定在水平方向没有空间异质性，只在山区影响比较明显，和地形是相关的（是高程差的函数）。其中主要是water vapor的分层效应，要有分层数据才能比较好的进行去除。 

        一般认为大气相位延迟主要是由近地面大气层的水汽分布引起的。

  参考文献：

[1]       C. Yu, N. T. Penna, and Z. Li, “Generation of real‐time mode high‐resolution water vapor fields from GPS observations,” Journal of Geophysical Research: Atmospheres, vol. 122, no. 3, pp. 2008-2025, 2017.