SAR interferometric coherence analysis for snow cover mapping in the western Himalayan region

Abstract

Information of snow cover (SC) over Himalayan regions is very important for regional climatological and hydrological studies. Precise monitoring of SC in the Himalayan region is essential for water supply to hydropower stations, irrigation requirements, and flood forecasting. Microwave remote sensing has all weather, day and night earth observation capability unlike optical remote sensing. In this study, spaceborne synthetic aperture radar interferometric (InSAR) coherence analysis is used to monitor SC over Himalayan rugged terrain. The feasibility of monitoring SC using synthetic aperture radar (SAR) interferometry depends on the ability to maintain coherence over InSAR pair acquisition time interval. ERS-1/2 InSAR coherence and ENVISAT ASAR InSAR coherence images are analyzed for SC mapping. Data sets of winter and of snow free months of the Himalayan region are taken for interferogram generation. Coherence images of the available data sets show maximum decorrelation in most of the area which indicates massive snowfall in the region in the winter season and melting in the summer. Area showing coherence loss due to decorrelation is mapped as a snow-covered area. The result is validated with field observations of snow depth and it is found that standing snow is inversely related to coherence in the Himalayan region.     

Coregistration Based on Three Parts of Two Complex Images and Contoured Windows for Synthetic Aperture Radar Interferometry

The coregistration of complex image pairs is a very important step in synthetic aperture radar interferometry (InSAR) data processing. This letter proposes a novel coregistration method that only needs three arbitrary parts of the two complex images instead of four parts in the existing coregistration methods. This method constitutes an integrated three-part method for InSAR data processing with our contoured-correlation-interferometry method for phase-image generation. Saving one part transmission makes a significant advantage when processing SAR images on satellites. Furthermore, we demonstrate that, by means of using fringe contoured windows instead of squared windows, the accuracy of the coregistration for both the three-part coregistration method and the existing methods can be improved considerably     

星载SAR复数图像的配准

星载干涉雷达测量已经被证实用于生成大范围（乃至全球）的DEM或监测地表位移具有广阔的应用前景，其中SAR复数图像序列的精确配准是保证生成有效干涉相位图的重要环节之一。本文分析了卫星InSAR系统中所涉及的几种坐标系统变换问题，并提出了基于此的几何配准方案，即基于卫星轨道状态矢量、SAR成像几何进行配准的算法；同时，还设计了基于几何配准结果和能量影像相关技术的配准算法，最后使用ERS－1／2、JERS－1和RADARSAT卫星获取的3种SAR复数图像对分别做几何配准和相关配准试验和比较，并对卫星SAR图像质量和轨道数据质量作了定性分析。     

用InSAR技术进行形变监测的研究

卫星合成孔径雷达干涉技术((InSAR)通过对地面同一地区两次或多次平行观测成像得到的复图象对进行处理可获得数字地面模型,用以监测地表面变化。本文简单叙述了(InSAR)基本原理、处理流程及方法,并通过天津SAR数据的处理,详细介绍了SAR数据处理整个过程,之后给出了基于ERS-2天津地区原始数据的实验结果形成的干涉图及数字高程图。     

机载双天线InSAR复图像自动配准研究

干涉雷达复图像之间的精确配准是提高雷达干涉测量精度的关键之一。对于机载双天线干涉雷达系统,精确的地形高程测量需要精确的干涉相位来保证,从而要求干涉复图像在亚像元级的精确配准。为了使两幅机载双天线InSAR复图像之间配准精度达到亚像元级以及提高运算效率,在分析前人算法的基础上,分别采用基于快速傅里叶变换(FFT)复相关精配准算法以及基于过采样图像的精配准方法对机载双天线InSAR复图像进行精配准试验和比较,生成了干涉条纹图,并进行了相干性分析。试验结果表明,机载双天线复图像相干性很高、偏移量较小;对于机载双天线复数据而言,这两种方法都可以有效地实现复图像数据的高精度配准,但是从配准精度以及算法运行时间来看,基于FFT的复相关精配准算法较优,运算效率更高,且更具实用性。     

一种高精度的干涉雷达复数影像配准方法

在总结现有算法的基础上,提出了基于相干系数、Harris特征点、小波金字塔及TIN三角微分纠正技术的单视复数雷达图像的配准流程。通过ERS 1/2的实验表明,提高了配准的精度和效率,特别是保证了在没有精确轨道甚至没有轨道参数的情况下也能获得很高的配准精度,计算正确的干涉相位图。在重采样过程中采用的三角联网策略,进一步使匹配点的局部拟合误差得到有效控制,得到配准精度更高的复图像对。在CPU 3.06GHz计算机上,43 s内完成5000像素×1000像素的主辅图像的配准,平均相干系数为0.719855。     

InSAR影像干涉相关性的遥感应用研究

合成孔径雷达干涉测量(InSAR)是雷达微波遥感技术的一个新研究领域.以往InSAR遥感应用研究主要集中在通过利用雷达回波信号所携带的相位信息来获取地表高程信息方面.随着InSAR研究的不断深入,干涉相位相关性中所包含的丰富信息越来越受到人们的重视,其应用领域也在不断扩大.本文所提出的基于合成孔径雷达影像干涉相位相关性信息的SAR彩色图像合成方法就是在这一新兴领域上的一个研究尝试.它能将不同类型的地物以不同的颜色直观地显示在图像上,弥补了SAR图像在遥感应用上的不足.该方法非常适合林业资源监测等方面的遥感应用研究.     

使用InSAR 建立DEM的试验研究

重点考察使用星载InSAR技术建立DEM的关键数据处理过程和精度情况。首先介绍InSAR的基本原理和所涉及的关键干涉雷达数据处理技术，然后对欧空局的2颗卫星ERS－1／2以串接飞行方式分别于1996年3月18日和19日对香港地区成像所获取的2幅SAR复数影像作了干涉处理和分析，并生成了DEM，最后以外部DEM作参考标准，对干涉DEM的精度作了评价，并分析了其潜在的制约因素。     

基线抖动对干涉SAR 相位的影响

提出并分析了基线抖动造成的干涉SAR 相位误差模型。基于干涉SAR 基线抖动模型, 分为水平抖动和 垂直抖动, 推导了存在基线抖动情况下辅天线复图像信号模型及基线抖动带来的干涉相位误差公式, 分析了基线 抖动对成像质量和干涉相位的影响, 针对SRTM 系统进行了计算机仿真。通过基于基线抖动的干涉SAR 原始回波 数据计算, 仿真了点目标和面目标场景的回波信号, 并进行成像得到了复图像和干涉条纹, 仿真结果验证了理论分 析的正确性。     

Polarimetric Dual-Baseline InSAR Building Height Estimation at L-Band

This letter generalizes a multibaseline interferometric synthetic aperture radar (InSAR) signal model to the polarimetric scenario. Based on this formulation, two high-performance spectral analysis techniques are adapted to process multibaseline Pol-InSAR observations. These new methods enhance the height estimation of scatterers by calculating optimal polarization combinations and allow the determination of their physical characteristics. Applying the proposed algorithms to urban environments, the building layover problem is analyzed by means of polarimetric dual-baseline InSAR measurements: the ground and building height are estimated. The techniques are validated using dual-baseline Pol-InSAR data acquired by DLR's Experimental SAR (E-SAR) system over Dresden city.      

合成孔径雷达干涉测量(InSAR)关键技术研究

合成孔径雷达干涉测量(InSAR)技术是近二十年来迅速发展起来的空间对地观测新技术。简述InSAR干涉处理过程的基础上,重点介绍并分析了其关键技术SAR图像配准和相位解缠的常用算法,并对由ERS1/2得到的两幅复杂SAR图像为实验对象,综合使用图像配准和相位解缠的经典算法对SAR图像配准生成干涉图,对干涉图相位解缠。最后简要介绍国内外InSAR技术发展方面的现状及发展趋势。     

使用SAR影像生成DEM的精度分析

雷达干涉测量(InSAR)和雷达立体测量(Radargrammetry)是使用SAR影像生成DEM的两种主动遥感新技术,前者利用反射雷达波的相位信息,而后者利用其灰度信息。本文利用ERS-1/2卫星对香港地区成像获取的SAR影像分别构成干涉像对和立体像对生成了DEM,并以外部DEM为参考,利用对比和统计方法分析了两种测量方法的精度情况和技术优势。     

Snow Cover Area Mapping Using Synthetic Aperture Radar in Manali Watershed of Beas River in the Northwest Himalayas

The current study has used Synthetic Aperture Radar (SAR) satellite data to estimate the Snow Cover Area (SCA) in Manali watershed of Beas River in Northwest Himalayas of Himachal Pradesh, India. SAR data used in this study is of Radarsat-2 (RS2) and Environmental Satellite (ENVISAT), Advanced Synthetic Aperture Radar (ASAR). The SAR preprocessing was done with SAR image processing tools for converting raw SAR images into calibrated geo-coded backscatter images. Maps for forest, built area, layover and shadow were created and used for masking snow cover in these areas. The backscattering ratio of wet snow to reference image threshold method with value range from ?2 to ?3 db was used to estimate wet SCA for study area. In this technique, if the threshold is too high (≥-2 db) wet SCA is overestimated and if it is too low (≤-3db), this method underestimates the SCA. The wet SCA is under/over estimated (+6 % to?8 % on average) in late spring season due to the inherent terrain and SAR imaging effects of layover/foreshortening and shadow and also due to the masking of forest areas. Overall, the SCA derived from SAR data matches well when compared with total SCA derived from cloud free optical remote sensing data products, especially during wet season.     

利用雷达干涉数据进行城市不透水层百分比估算

人工不透水层是城市地区的重要特征.作为城市生态环境的关键指数,不透水层百分比(Impervious Surfaces Percentage, ISP)常用于城市水文过程模拟、水质面源污染及城市专题制图等研究中.本文利用ERS-1/2 重复轨道雷达干涉数据,采用分类与回归树(CART)算法探究了雷达遥感在城市ISP估算中的可行性和潜力,并与SPOT5 HRG光学遥感图像的估算结果进行了分析比较.香港九龙港岛实验区的初步研究结果表明,雷达干涉数据在城市不透水层研究中具有一定的应用潜力,特别是裸土和稀疏植被的ISP估算结果要好于光学遥感,这主要得益于雷达干涉数据(特别是长时间相干图像)在人工建筑物和裸土或稀疏植被之间具有很强的区分能力,另外,雷达干涉数据和光学遥感数据间的融合能够提高ISP估算精度.     

多基线层析SAR技术的研究现状分析

层析SAR技术是在干涉SAR （InSAR）基础上发展起来的一种信息反演技术。层析SAR技术弥补了传统InSAR技术在高程向上分辨能力缺失的不足,真正实现了距离向-方位向-高程向的三维成像。本文介绍了层析SAR成像的原理,讨论了成像过程中复图像配准、去斜、相位误差补偿及高程向成像等问题,总结了层析SAR成像的三类算法,分析了层析SAR技术在各领域的应用情况,最后指出了层析SAR成像技术目前存在的问题,并对未来层析SAR技术的发展趋势做出了展望。     

基于参考DEM的机载InSAR定标方法

研究无人工靶标的干涉定标方法对促进机载InSAR技术在山区等复杂地形的测绘、制图等定量应用有重要的实用价值。本文提出一种新的基于参考DEM的干涉定标方法,在InSAR定标中用已知高程精度的参考DEM与待定标的InSAR系统生成的DEM进行比较,利用参考DEM模拟SAR图像,获得大量定标所需的控制点坐标来建立敏感度矩阵,并对敏感度方程的解算进行了改进,同时将干涉处理与定标过程相结合,改进了干涉处理过程,最后得到定标后的干涉参数并生成DEM,利用机载数据进行了实验验证,并分析了无人工靶标干涉定标实验结果的误差。     

InSAR时空基线对DEM精度的影响分析

InSAR是获取全球DEM的重要手段。然而InSAR地形测绘过程中极易受各类干涉要素的影响,其中基线是重要的干涉要素之一。本文采用天津地区40景TerraSAR-X影像构成的780个干涉对,定量分析了时空基线对InSAR地形测绘的影响,试验结果表明,空间基线越大,高程精度越高,两者呈幂函数关系;时间基线越大,高程精度越低,两者呈线性函数关系。因此在地形测绘过程中,应在确保相干性的前提下采用尽量长的空间基线,同时确保足够短的时间基线,消除时间失相干的影响。本文为国产SAR卫星的构型设计提供了技术参考。     

基于Kalman滤波的InSAR基线估计方法

针对目前SAR干涉测量中基线估计现存的问题,提出了利用Kalman滤波和配准参数进行基线估计的方法.所提出的方法具有不需地面控制点、不受地形限制和不依赖于轨道参数等优点,并可以估计时变的基线参数.利用南京地区的ERS-1/2 tandem数据进行了试验研究,并对提出的方法进行了验证.结果表明,在精确的卫星轨道数据和地面控制点不能获取时,所提出的方法仍能有效地估计InSAR基线.这在一定程度上补偿了轨道偏移带来的误差,为获取高精度的DEM奠定了基础.     

TerraSAR影像干涉测量数据的地理编码方法

InSAR技术广泛用于获取高精度的地形信息,但是经过干涉处理获得的干涉测量数据必须经过地理编码,才能得到可实用的DEM。本文针对高分辨率TerraSAR影像,提出了利用InSAR的影像和高度信息,结合卫星的位置矢量和速度矢量以及SAR距离-多普勒构像模型,进行高程图地理编码处理的方法,直接将干涉生成的DEM校正到所需的地面参考坐标系统中,以获取干涉数据的地面三维信息。通过试验,证明了该方法的可行性。     

永久散射体差分干涉测量技术中SAR影像精配准的一种新方法

提出并实现了一种基于加权最小二乘的低相干SAR像对精配准新方法。该方法借助一幅与主、辅影像相干性都较高的第三幅影像来完成低相干SAR影像对的初步配准,利用加权最小二乘法求出二者间的坐标映射函数,从而快速高效地实现低相干SAR影像对的高精度亚像元级配准。采用ERS-1/2实际数据的配准实验,验证了该方法可以提高低相干SAR像对的干涉图质量,提高二者之间的相干性和控制点的配准精度,改善低相干SAR影像对的配准效果,在一定程度上解决了PS InSAR技术中低相干SAR影像对的配准问题。