E-PS和E-SBAS技术介绍
合成孔径雷达 (InSAR) 干涉叠加技术可以测量地表形变。SARscape提供了永久散射体(PS-InSAR)干涉测量和短基线(SBAS-InSAR)方法,PS方法测量PS点的形变,SBAS方法测量分布式散射体DS的形变。随着技术的发展,在这一领域取得了许多研究进展,SARscape5.7版本开始,提供了能够同时提取PS和DS测量值的新方法,即增强型永久散射体(E-PS)和增强型短基线(E-SBAS)。
E-PS和E-SBAS这两种方法都可以同时测量PS点和DS像元的位移,可以得到覆盖更多的干涉叠加处理结果,但遵循不同的处理理念。E-PS使用自适应滤波器以保留区分PS技术的细节水平。E-SBAS处理可以在PS和DS像元时间序列上得到非线性运动。这两种技术在绝对精度、管理非连续或非线性时间序列的能力以及覆盖范围方面各有特点。
E-PS处理技术流程如下图所示:
图:E-PS 处理流程
E-PS技术通过对干涉相位进行自适应滤波,识别分布式散射体(DS)和永久散射体(PS)像元,从而提高 InSAR 像元对非城市地区的覆盖。这种方法可以将永久散射体(PS)和分布式散射体(DS)的处理独立进行。
在SARscape5.7中,PS操作包含五个步骤,E-PS是在PS处理的第二步干涉工作流之后增加一步滤波操作。
- 连接图生成
根据设定的基线阈值,从输入的slc数据集中选择一个参考影像,其他影像和这景参考影像形成干涉像对。
- 干涉工作流
根据像对的连接关系,对每一对像对进行干涉工作流处理。所有图像都要配准和重采样到参考文件,这涉及到4个因素(至少2个)的过采样,避免在大基线的情况下干涉条纹过密而混淆。不同于标准的InSAR处理,因为PS方法是找点目标,所以不进行光谱移动和普通的多普勒带宽滤波。会生成每个像对的干涉图。
- E-PS(可选)
如果进行E-PS处理,则此步骤进行滤波处理:通过自适应滤波器生成滤波后的干涉图。
- PS第一次反演
第一次生成的形变结果,包括速率和高程改正值,这个结果没有去除大气影响的相位。
- PS第二次反演
使用大气校正步骤,生成最终的形变结果。
- 地理编码
所有PS相关结果(形变速率、高度残差、形变序列、KML、矢量文件等)投影到地图系统中。
E-SBAS处理技术流程如下图所示。
图:E-SBAS处理流程
注:低通(LP)和高通(HP)术语用于命名与形变和地形相关的信号的低空间分辨率和残余高空间频率分量。
E-SBAS技术可同时识别和处理永久散射体像元(PS)和分布式散射体像元(DS)。将结合使用短基线集(SBAS)和永久散射体干涉测量(PS)方法来获得形变产品,以便估算 DS 像元和PS点的时间形变。提供更全面、更有价值的输出结果。E-SBAS 能够测量PS和DS像元的非线性位移趋势。
SBAS技术的作用有两个方面:一方面,它将提供与DS点和LP DEM残留地形图相对应的LP形变时间序列;另一方面,SBAS将估算在利用GACOS产品和电离层传播模型进行初步校正之后仍然影响干涉测量数据的残余大气相位延迟。与PS点相关的时间位移将应用PS方法对先前校准过的干涉图进行处理,去除 LP 地形、形变和SBAS技术估计的残余大气。这种策略结合了PS和 SBAS方法,确保了在点状目标和 DS 目标上获得的形变结果的一致性,因此,与独立执行这两种方法相比,E-SBAS可以获得更好的结果。
E-SBAS方法不仅仅是简单地将两种技术独立应用,而是能够同时分析强反射体和分布式目标,提供较低分辨率的DS结果,并结合较高分辨率的 PS,在一个综合的连续空间解决方案中还可以分析非线性趋势。
注:建议使用至少20景数据,以获得可靠的结果,尤其是在相干性较低的情况下。
在SARscape5.7软件中,先做完SBAS处理流程,再进行E-SBAS处理。
SLC数据集进行完SBAS之后,进行E-SBAS处理,将SBAS最后一步地理编码得到的辅助文件,作为E-SBAS第一步的输入文件,有以下四个步骤:
- 生成连接图
该功能定义了SAR相对组合和连接网络,用来生成多个差分干涉。对所有图像建立对应关系,看每对主从影像的基线是否在阈值内,将所有的数据都配准到一个主图像,这个主图像可自动分配也可用户自己选择。提供了最大最小基线、是否仅正向配对、冗余量、允许分离的部分等几个设置选项,来进行图像匹配。
- 干涉工作流
对每对干涉像对进行干涉处理,包括干涉图生成、去平和滤波、相干系数计算、相位解缠。
- 反演
反演步骤,使用第二次SBAS反演的SBAS产品来初始化E-SBAS反演,以估计大气相位成分。
在去除SBAS的低通分量和信号的大气相位部分后,实施模型反演,以得出逐日位移,并最终拟合出高通位移和速度分量。
- 地理编码
将所有的结果都编码到所选择的地理坐标系下,形变结果可以重新定义投影。
以下使用两组SAR数据,分别使用PS、SBAS、E-PS 和 E-SBAS方法,对两组数据集进行处理和分析。数据集如下:
- 哨兵-1,IW: 2021 年 1 月 1 日- 2023 年6月6日94景数据
- TerraSAR-X, stripmap:2021 年1月- 2023年6月64景数据
使用四种技术对Sentinel-1数据集进行处理,得到的形变图和点密度结果如下:
图:Sentinel-1数据集PS处理结果
图:Sentinel-1数据集PS处理结果子区域展示
图:Sentinel-1数据集E-PS处理结果子区域展示
图:Sentinel-1数据集SBAS处理结果子区域展示
图:Sentinel-1数据集E-SBAS处理结果子区域展示
图:Sentinel-1处理结果时序分析
图:Sentinel-1数据集不同方法处理得到的结果点密度统计
使用四种技术对TerraSAR-X数据集进行处理,得到的形变图和点密度结果如下:
图:TerraSAR-X数据集PS处理结果
图:TerraSAR-X数据集PS处理结果子区域展示
图:TerraSAR-X数据集E-PS处理结果子区域展示
图:TerraSAR-X数据集SBAS处理结果子区域展示
图:TerraSAR-X数据集E-SBAS处理结果子区域展示
图:TerraSAR-X处理结果时序分析
图:TerraSAR-X数据集不同方法处理得到的结果点密度统计
对四种方法到的形变速率均值和标准差进行统计,结果如下表:
表:Sentinel-1数据集得到的形变速率对比
技术 |
平均形变速率(mm/y) |
标准差 |
PS 和SBAS |
0.015 |
1.48 |
PS 和E-PS |
0.19 |
0.93 |
PS 和E-SBAS |
0.02 |
1.69 |
E-PS和E-SBAS |
0.037 |
2.17 |
表:TerraSAR-X数据集得到的形变速率对比
技术 |
平均形变速率(mm/y) |
标准差 |
PS 和SBAS |
0.005 |
1.2 |
PS 和E-PS |
0.01 |
0.95 |
PS 和E-SBAS |
0.13 |
1.33 |
E-PS和E-SBAS |
0.2 |
1.53 |
通过对比和分析,可以得出以下结论:
(1)E-PS和E-SBAS方法在相同地表覆盖区域得到的结果点密度有了显著提高。
(2)在中分辨率数据(Sentinel-1)和高分辨率数据(TerraSAR-X)的情况下,E-PS和E-SBAS两种方法都能显著提高点密度。
(3)从中分辨率数据(Sentinel-1)和高分辨率数据(TerraSAR-X)得到的形变结果的点密度对比来看,E-PS 点密度是 PS 点密度的3-4倍,E-SBAS点密度是PS点密度的3-4倍。E-SBAS约为SBAS的两倍。
(4)形变时序分析表明,SBAS 和 E-SBAS 方法比 PS 和 E-PS 方法能更好地描述非线性形变现象,这两种技术互为补充。