国产高分三号SAR干涉测量试验

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合成孔径雷达(Synthetic Aperture Radar,SAR)是一种利用图像处理技术合成大型虚拟天线的先进雷达系统,具有全天时、全天候工作能力,并能获取地面目标的高分辨图像,最开始应用于军事领域。随着遥感技术的快速发展,它逐渐成为微波遥感领域的重要工具之一,在过去二十年中被广泛用于地质研究、精细分辨率测绘和其他遥感应用。随之发展起来的合成孔径雷达干涉测量(Interferometric Synthetic Aperture Radar,InSAR)技术可利用雷达电磁波的干涉相位信息进行地表信息和高程变化信息的提取,极大地拓宽了SAR的应用领域。相较于立体摄影测量方法,利用InSAR技术获取影像覆盖区域的地表数字高程模型(Digital Elevation Model,DEM)能获取更高的测距精度。与美国、德国等发达国家相比,我国在该技术领域仍处于初步发展阶段,于2016年8月发射的高分三号(GF-3)卫星作为我国首颗1m分辨率C频段多极化合成孔径雷达虽然已初步具备干涉成像能力,但目前针对GF-3卫星的干涉处理研究仍较少,各关键步骤的典型算法适用性也亟待验证。由于InSAR数据处理过程较为复杂,国内外许多研究机构开发了InSAR处理软件供学者们使用,如瑞士的GAMMA-SAR软件、加拿大的Earthview软件、荷兰Delft大学开发的Doris软件等,著名的ENVI遥感图像处理软件上也添加了SARScape模块用于SAR数据处理。其中,Doris软件为一套开源、免费、跨平台的处理软件,因其功能强大、处理模块独立性强的优点,受到了众多专家学者的关注和使用。软件能实现InSAR数据处理的整个流程,并为其中一些关键步骤提供了多种可选择的算法。但该软件无图形用户界面,主要依靠命令行的方式进行操作,导致初学者出现安装失败、操作困难等问题,极大地限制了该软件的应用范围。针对上述问题,本研究主要进行以下工作:(1)分析了InSAR高程测量、形变测量的原理,分析了多种常用算法的计算步骤及特点,为后续的应用研究提供了理论基础。(2)在Windows平台,基于QT+MinGW环境开发了W-Doris软件,彻底弥补了Doris软件命令行操作、无图形界面、无法查看实验结果等缺陷。该软件主要功能包括生成模板文件、读取影像、干涉图生成、滤波解缠、地理编码、DEM产品生成等,同时软件提供文本、图片查看器用于查看实验结果。(3)实现高分三号卫星干涉测量试验。采用国产GF-3卫星干涉影像对,利用InSAR技术,提取了实验区域DEM,并对其进行了有效精度评价。同时,对InSAR处理过程中的关键步骤——相位滤波与相位解缠,利用常用的几种算法进行对比分析。其中,Goldstein滤波方法处理结果最好,在滤除噪声的同时保持了相位波形的形状,干涉条纹最为清晰,边缘平滑,区分明确;MCF解缠方法综合性能较好,在不同相干性区域均能取得良好的结果,但解缠效率略低于区域生长法。研究结果表明:W-Doris软件能实现Doris软件的所有功能,并提供GUI界面,对研究人员更为友好;W-Doris软件数据处理结果正确、有效;验证了国产高分三号SAR卫星在干涉成像、干涉测量方面的能力。
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