浅析InSAR数据处理可视化技术

刘 兵 黄地龙 肖在昌

(成都理工大学计算机科学与技术学院，四川 成都 610059)

1.引言

InSAR利用合成孔径雷达的相位信息提取地表的三维信息和高程变化信息，具有以下显著的特点：获取高精度的地表信息，检测陆地表面和冰雪表面的微小变化，获取毫米级高精度、全天候高可靠性的地表变化信息。Doris软件实现了InSAR的整个处理流程并在许多环节提供多种算法，然而Doris软件人机交互性差、操作过程繁琐、不方便子功能级的数据处理，据此，本文详细分析了Doris系统数据处理流程及改善Doris系统缺陷的技术。

2.概念及特征描述

合成孔径雷达干涉测量技术简称InSAR，通过两副天线同时观测或两次近平行地观测获取地面同一景观的副图像对，并根据目标与两天线位置的几何关系在副图像上产生的相位差形成干涉纹图并通过干涉纹图建立数字高程模型。Doris软件在依赖于公共开源软件的基础上开发了自己的SAR数据处理功能模块，能够完整地实现InSAR的整个处理流程并在许多环节提供了多种算法。Doris可以处理多达7种卫星传感器的单视复型雷达影像数据，为研究地表的三维地形和地表变形提供帮助。

Doris软件利用面向对象的C++语言编写，以若干公共开源软件(如 FFTW、getorb、Snaphu、GMT等)为辅，在许多环节提供了多种可选算法，能够实现完整的SAR数据处理流程；Doris软件可运行在 Unix、Linux、WindowsCygwin等操作环境中，运行效率很高；Doris软件可以处理多种传感器的SLC格式的星载雷达数据，可以进行InSAR和D-InSAR数据处理，生成地理高程模型或地表形变图。

3.Doris系统处理流程

在Doris系统中，InSAR数据处理是SAR数据处理的常用方式，通过对两幅或两幅以上SAR干涉数据对进行处理后能够生成对应的地理高程模型或形变模型。InSAR技术的主要应用领域是地形图测绘和变化监测。利用InSAR提取输入影像数据所对应的高程信息，相比摄影测量和激光成像，它在获取全球数据、不受天气、时间限制等方面更具优势。图1展示了该系统进行InSAR数据处理的流程，主要包括4个处理过程：InSAR复型影像数据配准、干涉条纹图生成、相位解缠和数字高程模型建立。

图1 InSAR数据处理流程

3.1 影像数据的配准

为保证生成的干涉图条纹具有良好的相干性，需要对两幅影像数据进行配准。影像数据的配准提供了三个精度级配准，分别是一级轨道级配准、二级像素级粗配准和三级亚像素级精配准。

3.2 生成干涉纹图

对SAR数据进行精配准以后可计算出每一个同名点上的相位差，生成干涉图并显示，为相位解缠做准备。系统会同时生成相干图来评价干涉图质量的优劣，同时为后续解缠步骤提供参考数据。

3.3 相位解缠

对干涉图进行一定处理如滤波处理后即可进行相位解缠。干涉图质量较高或干涉条纹清晰的地方，容易进行解缠，而相干系数值小的地方则配准较差，不易做解缠处理。为获得更好的解缠效果，Doris系统调用外部的Snaphu软件包进行解缠。

3.4 数字高程模型的建立

为建立最终的数字高程模型，需将雷达坐标系下的干涉图转换到大地坐标系下。通过地形相位生成过程中得到的DEM模拟的幅度影响与主影像之间的关系，可实现坐标系的转换。

4.Doris系统优化技术

针对Doris系统操作过程繁琐、人交互性与可视化差，但SAR数据处理功能强大的特点，本文以Doris系统为SAR数据处理核心基础，设计一套SAR数据理流程可配置、处理结果可视化程度高、交互能力强的InSAR数据处理可视化系统（VDoris）架构。本文设计的VDoris系统基于Linux操作系统，利用QT Creator完成。该系统为用户提供一个友好的人机交互界面，无需人工查看和编辑参数配置文件，只需在流程配置中指定即可确定参数配置文件和SAR数据的处理流程，并从图形界面显示区域获取和编辑处理结果、查看流程执行进度，以便于用户操作和浏览，进而从根本上解决Doris软件本身的人机交互性差、操作过程繁琐等问题。

依据VDoris系统开发的目的，完成该系统需从以下几方面出发：

(1)无缝对接Doris软件的SAR数据处理核心功能；Doris系统包含7个功能模块，各个模块又包含相对独立的子功能，在进行数据处理时是以子功能进行数据交互和处理的，为使用户能够在数据处理的同时进行模块级和子功能级操作，必须对各个功能模块进行拆分和集成。拆分工作需分别对Doris软件的各个模块、各模块对应的参数配置文件进行功能、结构分析，提取各模块子功能。集成工作主要体现在界面和代码上。在图形用户界面上，采用树型结构展现模块与子功能的从属关系，允许用户根据自身数据处理需求配置数据处理流程。在代码编写上，采用工厂模式封装模块和子功能，并集成Doris系统所有属性。

(2)用工厂模式方法实现各处理模块、处理模块内部处理流和参数配置文件的封装，构建流程管理机制，实现SAR数据处理的动态定制与动态管理。工厂模式通过将参数配置文件和各模块切分成具有独立功能的段，将每段封装，减少段与段之间的耦合，便于功能模块的修改、删除和添加而不影响系统的使用，从而实现SAR数据处理流程的动态添加和删除；

(3)采用图形界面交互方式提供SAR流程可配置方法代替Doris软件的控制台键盘完成SAR数据处理的配置方式。在图形界面显示所有可配置数据处理流程模块，用户可根据当前进度配置流程处理待完成的数据；

(4)多线程技术实现SAR数据处理和结果图像的同步显示，并通过该方式分离实现对处理结果的编辑与分析。多线程允许系统使用芯片的不同部分，使其同时完成不同的工作，可以实现在不切断数据处理线程的同时完成对图像的编辑、分析和显示。为方便用户对显示的处理结果进行进一步分析操作，当流程执行到显示处理结果时，系统通过多线程方式添加图像处理线程，当该线程获得正在执行的线程发送的消息后，会根据获取的消息对现有图像做相应处理，更新到图像界面并保存处理后的图像；

图2展示了VDoris系统的业务流程示意图。系统包含图形用户界面、业务控制处理和Doris处理系统三大部分。图形用户界面是VDoris系统与用户进行交互的接口，用户在图形界面实现对数据处理操作流程的配置、执行并确定是否显示中间处理结果及对处理结果的编辑。用户对界面的操作将通过业务控制处理传递给Doris系统处理。在进行图像编辑时业务控制处理将编辑命令以消息形式发送给另一个线程做图像编辑。用户只需与VDoris的可视化界面进行交互即可有选择地完成SAR数据处理。

图2 VDoris系统的业务流程示意图

5.优化和总结

相比Doris，VDoris系统在继承Doris软件核心处理功能的无缝连接的基础上实现了可视化管理，克服了Doris系统处理结果可视化环境差和操作繁琐等困难，解决了原有Doris系统无法展示InSAR数据处理流程的问题，允许用户根据自身需求配置、修改数据处理流程，引入三层结构化可视化流程管理，可直观显示整个系统模块、模块流程处理顺序、处理结果，很大程度方便了用户浏览，简化了SAR数据处理过程中所必需的操作，VDoris系统通过进程间的通信机制将用户图像处理命令传递给图像处理线程，并由图像处理线程执行，将处理结果显示到图像界面。

本文针对Doris系统数据处理流程进行了分析并提出了一个可以改善Doris系统弊端的VDoris系统框架，既发挥了Doris软件的原有优势，同时又弥补了软件在操作和结果展示的不足，具有一定的理论意义和实用价值。

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