永久散射体点目标提取方法研究＊

龙四春 李 陶 冯 涛

(1)中南大学资源与安全工程学院,长沙 410083 2)湖南科技大学煤炭资源清洁利用与矿山环境保护湖南省重点实验室,湘潭 411201 3)武汉大学卫星导航定位技术研究中心,武汉 430079)

永久散射体点目标提取方法研究＊

龙四春1,2)李 陶3)冯 涛2)

(1)中南大学资源与安全工程学院,长沙 410083 2)湖南科技大学煤炭资源清洁利用与矿山环境保护湖南省重点实验室,湘潭 411201 3)武汉大学卫星导航定位技术研究中心,武汉 430079)

分析幅度稳定性、相位稳定性、时序相关性及振幅离差阈值等多种 PS点提取方法的特点与缺陷,提出基于时序相关系数阈值与振幅离差阈值并集和交集的 PS点识别策略,给出其相应模型,并实例验证了该方法的有效性与优越性。

永久散射体;识别提取;交集;并集;点目标检测

1 引言

合成孔径雷达差分干涉测量,具有全天候、广覆盖、穿透性及高垂直形变灵敏度等优点,使其在区域地表形变监测中得到广泛关注,但在长时间序列内的微量地表形变监测中,时空去相干和大气相位延迟的影响不可忽视。针对 D-InSAR的缺陷,Ferretti[1]提出了永久散射体(PS,Permanent Scatterers)新技术,利用从时间序列的 SAR影像集中选取那些始终保持高相干性的点,即“永久散射体点”,它们通常具有稳定的且不易随时间变化的雷达散射特性[1-4],具有可靠的相位信息,后续处理和分析都集中于这些高相干性的 PS点集上,能克服或减弱时空失相关[1-4]和大气延迟[5-8]的负面影响,提高区域地表形变监测的精度和可靠性。

2 PS点目标提取方法

PS点目标是在像素分辨单元内占主导地位的散射体,其雷达回波的后向散射信号在长时间序列上保持稳定。后向散射特性与信号源入射角、探测角、波长、极化、电介质的特性及地面的粗糙度有关,很难找到一个普遍合适的规律,但郎伯[9]认为后向散射特性的变化规律仅仅是信号源角度ω的函数式：

这在一定程度上为 PS点的预选提供了简便方法与思想。但对于高相干 PS点目标的精确选取,许多学者[1-11]认为,通过对雷达图像相位、信噪比、相干性或幅度信息等设定合适的阈值进行 PS点目标的选取会更加可靠。

2.1 基于振幅阈值的 PS点选取

Kampes and Adam提出设定幅度阈值来识别高质量相干点的算法：

2.2 基于相位稳定性的 PS点选取

时间相关性可用 PS点的相位稳定性来表达[12],若存在 n幅时序雷达差分干涉图,则其相关值为：

从式(3)可以看出,若时间序列为高相干点的相位Φi没有发生改变,相关系数γi应为1。由于雷达波入射角、地形起伏及大气效应等影响,造成高相干点上相位值发生变化,因此,可靠的高相干点,采用相关系数γi≥γC(相关阈值)来判断更合适,但γC的确定需要进一步分析与验证。

2.3 基于振幅离差阈值的 PS点选取

振幅离差阈值方法是合成孔径雷达干涉测量中提取高质量相干点目标的经典方法,它是对振幅在时间序列上的变化特性进行统计,当所选目标在高信噪比 (如大于 4)条件下,即相位标准偏差＜ 0.25 rad时,近似等于振幅离差 Da(图 1)[3]。采用幅度差值指标Da作为标准来判断干涉处理的高相干点：

图1 幅度离差的数学模拟结果[3](单位：rad)Fig.1 Mathematical simulation results of amplitude dispersion(unit：rad)

在影像大于 20幅时,该方法具有比较高的可靠性,但如果影像数量较少,它的可靠性将急剧下降[3,11]。若地面上具有能持续提供高质量相位面积较大的硬目标,则可在一系列相干图中找到它们[11]。振幅离差阈值法提取高相干点的可靠度还与图像预处理 (包括雷达影像聚焦、配准和辐射定标等)的质量和使用阈值的大小有关。城市地区往往存在有大量的能提供高质量的大面积目标,当同一研究区域 SAR数据比较多的情况下,该提取方法有一定优势。

2.4 基于时序相关系数阈值的 PS点选取

时序相关系数法是利用相位信息,通过滤波方法不断分离干涉相位中的干扰信息,得到最终的有用信息,并计算其时间相干系数,通过设定一定阈值进行相干点目标的提取。差分干涉的两雷达影像之间的相干系数计算可表达为[3]：

其中,E{·}是表示数学期望,M表示复数主影像,S为复数辅影像,γi表示复数相干,其绝对值的范围在[0,1]。相关系数的绝对值大小反映了各像元上干涉相位的质量,时序相关系数方法是先在单幅干涉图中设定一个相干值阈值,选出相干值大于的相干性高的点作为侯选点,然后对整个M景干涉图进行时间序列分析,就配准的对应各像元的相干性进行稳定性分析,再设定第二个相关阈值把时间序列上各像元的相干值均值大于的相干点作为选取的高相干点目标,再利用点目标检测算法剔除那些不稳定的点目标。时序高相干点阈值法选择模型为：

相关系数是基于局部移动窗口来计算的,窗口大小和阈值的设定对相关系数估计值具有直接的影响,窗口越大,估计结果越可靠,但降低了分辨率,容易导致孤立且有效的 PS点不能被检测到,非稳定目标也可能被错误地判定为 PS点,窗口过小,相关系数估计值可靠性降低;阈值过高,周围有少量噪声像元的有效 PS难以被提取,而阈值过低,则有效 PS周围失相关严重的像元可能被误判为 PS点。

3 时序相关系数和振幅离差阈值并集组合方法

对于多雷达影像的研究区域,采用影像振幅离差阈值法是一种比较可靠的提取方法,影像数越多统计特性越好。但单一阈值进行 PS点的选择往往会丢失一些高相干目标点,为了增强 PS点集在研究区域的统计特性,提高相干目标点在研究区域的分布密度,尤其是植被覆盖、低相干及发展较快的城市地区,在时间序列上表现为稳定的高相干点目标比较少,因此,可采取时序相关系数阈值和振幅离差阈值并集的组合方法来提取高相干点目标,其模型为：

其中 PStime_coherence为时序相干系数阈值提取的高相干目标点集,PSam_dispertic为振幅离差阈值提取的高相干目标点集,PS并为对两种方法求取的高相干目标点在空间位置上求并集后得到的高相干目标点集。

采用时序相关系数阈值和振幅离差阈值并集组合方法能提高数据的统计特性,但带来了不可靠点和假高相干点的增多,因此,还需要对组合法选取的相干目标点进行点目标检测,排除低质量的相干点,确保选取点在幅度和相位上的稳定。

相对并集组合方法,还有时序相关系数阈值和振幅离差阈值交集组合,即两种方法都选取的高相干点才能作为 PS点目标侯选点,其具体模型可表示为：

对两种方法求取的高相干目标点在空间位置上求交集后得到的高相干目标点集 PS交,几乎排除了两种方法中的不可靠 PS点,提高了 PS点提取的准确率,在建筑物、桥梁等硬目标分布密集的老城区,该方法具有非常稳健的效率,但对于一般地区,会一定程度上降低 PS点分布的密度和数理统计特性,尤其在 PS点分布稀疏地区更是无法应用。

4 PS点选取方法实验与比较分析

为了验证 PS点目标提取方法的优越性,选择天津地区 23幅 ENV ISAT卫星 ASAR影像,根据公用主影像的优化选取模型[10],选取 2005年 09月 16日的 18 537影像作为主影像,其他影像作为辅影像并重采样到主影像 18 537空间,组成 22个干涉像对,影像具体参数见表 1。

表1 ENVISAT ASAR影像数据相关参数Tab.1 Related parameters of ENVISAT ASAR i mage data

相干系数阈值法是基于空间域窗口运算,选定合适的窗口非常重要。本实验对雷达影像在方位向与距离向进行 5：1多视,采用 4×4像元的运算窗口。选取每组干涉像对中相干系数高于 0.4的像元作为初始 PS侯选点集,将相干图进行平均,得到相干系数高于 0.42的点集 PS1,将这些点在平均强度图上显示出来(图 2)。

根据雷达影像的强度特性,高相干点目标的尺寸往往小于给定分辨单元的尺寸,需要对分辨单元的雷达后向散射值进行空间统计,提取后向散射强度高于邻域像元的点目标,利用式(4)和 (6)分别对单影像在空间域设定振幅阈值 0.3和多影像在时间序列上设定振幅离差阈值 0.25,提取了高雷达散射特性的点集 PS2,将这些点在平均强度图上显示出来(图3)。

图2 时序相干系数法相干点目标提取结果Fig.2 Results of coherence point target selection with time sequence correlation coefficientmethod

图3 振幅离差法相干点目标提取结果Fig.3 Results of coherence point target selection with amplitude dispersion index threshold method

采用单一阈值进行高相干目标点的选择往往会丢失一些相干点,为了提高到 PS点集在研究区域的统计特性,提取点集 PS1和 PS2的并集作为最终的PS侯选点集,将这些点在平均强度图上显示出来(图 4)。再对侯选点进行点目标检测,排除低质量的点。

天津市区是一个建筑物、桥梁等硬目标分布密集的城市地区,也可以进行时序相关系数阈值和振幅离差阈值交集组合,尽可能排除不可靠 PS点,用此组合方法所提取的高相干点(图 5)。

5 点目标检测

点目标检测是利用统计理论去除非线性波动大的相干目标点,进行永久散射体的合理性检验。在永久散射体技术相位解缠,即推算相邻点目标沉降速度和高程修正相位过程中,可以采用模型相干系数阈值法

图5 交集相干点目标提取结果Fig.5 Results of intersection coherence point target selection

图6 并集PS点目标检测结果Fig.6 Results of union PS point target check

6 结论

振幅离差阈值法需在大数据量情况下才能提取准确的点目标,并且点位分布比较离散。时间相干系数阈值法提取的点目标总体分布密度高,要进行窗口运算,在一定程度上降低了分辨率,会导致孤立且有效的高相干点不能被检测到,非稳定目标也可能被错误地判定为高相干点,如图 2在河道上也出现了个别误选的 PS点。

时序相关系数阈值和振幅离差阈值并集法提取的相干点目标,点分布密度更高,提高了 PS点算法的统计特性,但算法含盖了两种方法的缺陷,其分辨率有一定损失,也会存在一些误选的点目标,需进一步采用点目标检测法提高所选 PS点的准确率。时序相关系数阈值和振幅离差阈值交集法相干点目标提取,几乎排除了两种方法中的不可靠 PS点,提高了 PS点提取的准确率,在建筑物、桥梁等硬目标分布密集的天津城市地区,该方法具有稳健的效率;但对于一般地区,它会在一定程度上降低 PS点分布密度和数理统计特性,尤其在 PS点分布稀疏的地区更是无法应用。总之,点目标提取方法的选择要根据数据情况和研究区域等情况来定。

1 Ferretti A,Prati C and Rocca F.Permanent scatterers in SAR interferometry[J]. IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing,2001,39(1)：8-19.

2 FerrettiA,Prati C and Rocca F.Nonlinear subsidence rate estimation using permanent scatterers in differential SAR interferometry[J].IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing,2002,38(5)：2 202-2 212.

3 KampesB M.Radar interferometry persistent scatterer technique.ger man aerospace center[M].Springer,2006.

4 CrosettoM,et al.Validation of persistent scatterers interferometry over a mining test site[J].Results of the PSI C4 project,2007.

5 刘国祥,等.基于雷达干涉永久散射体网络探测地表形变的算法与实验结果 [J].测绘学报,2007,36(1)：13-18.(Liu Guoxiang,et al.Detecting ground deformation with per manent-scatterer network in radar interferometry：Algorithm and testing results[J].Acta Geodaetica etCartographica Sinica,2007,36(1)：13-18)

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9 John C Curlander and RobertN McDonough.Synthetic aperture radar：Systems and signal processing[M].John W iley amp;Sons,2006.

10 龙四春,刘经南,李陶.融合 GPS数据的 PS-D InSAR公用主影像的优化选取[J].同济大学学报 (自然科学版),2010,38(3)：453-458.(Long Sichun,Liu Jingnan and Li Tao.Method for optimum selection of common master acquisition for PS-D InSAR fusing GPS data[J].Journal of TongjiUniversity(Natural Science),2010,38(3)453-458)

11 夏耶.地面沉降与山体滑坡的星载合成孔径雷达差分干涉监测方法及其工程应用[R].第一届地球科学教育国际研讨会 (台湾),2007.(Xia Ye.Ground subsidence and landslides spaceborne differential interferometric synthetic aperture radar monitoring method and its application [R]. The First Earth Science Education Conference (Theme：Technology Enhanced Learning in Earth Science, TELES),Taiwan of China,2007)

12 Atlantis Scientific Inc.EV-InSAR User Guide in EditoEditors[M].Atlantis Scientific lnc.：Nepean,Ontario, Canada,2004.

STUDY ON SELECTI ON OF PS PO INT TARGETS

Long Sichun1,2),Li Tao3)and Feng Tao2)

(1)School of Resources and Safety Engineering of Central South University,Changsha 410083 2)Hunan Key Laboratory of Clean Coal Resources U tilization and M ine Environm ent Protection, Hunan University of Science and Technology,Xiangtan 411201 3)GNSS Engineering Research Center,W uhan University,W uhan 430079)

The recognition and selection of high-coherence PS points is a premise that guarantees the high-precision ofper manent scatterers.The characteristics and flawsof all kindsof selectionmethods,such as amplitude stability,phase stability,timing sequence correlation and amplitude dispersion index threshold were analyzed.The recognition strategy of PS points is brought forward based on the union and intersection of time sequence correlation coefficient threshold and amplitude dispersion index threshold.The basic principle of point target check method is expounded and the correspondingmodel is given,in addition,its effectiveness and superiority is verified.

Permanent Scatterer(PS);recognition and selection;intersection;union;point target check

1671-5942(2011)04-0144-05

2011-04-05

国家自然科学基金(41004002);中南大学博士后科学基金

龙四春,男,1975年生,副教授,博士后,主要研究方向：合成孔径雷达差分干涉测量、大地测量与形变监测.E-mail：lsc2002@ 126.com

P225.1

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