GAMMA 软件二轨差分原理及数据处理流程

1、GAMMA 软件简介

  GAMMA 软件是由瑞士的Gamma Remote Sensing开发研制，专门用于雷达影像处理。 软件利用SAR 原始数据，可生成高程数字模型，进行地表形变测量，对现有及历史土地利用分类等。该软件由以下5 个模块组成。
  组件式的SAR 处理器（MSP）：是从机载或星载的原始SAR 信号中得到单视复数数据和强度影像的一个程序包。主要模块包括自动聚焦、距离向和方位向压缩、SLC 多视复数据生成。
  干涉处理器（ISP）：主要为干涉条纹图生成、相干系数和相干图生成等过程。处理步骤首先从轨道数据中估计基线，进行干涉图配准，然后生成干涉纹图；再通过对干涉图相干系数估计，来去除平地相位；进而是干涉纹图的滤波，最后相位解缠，可生成数字高程。
  差分干涉和地理编码（DIFF＆GEO）：其中差分处理方法包括二轨法、三轨法和四轨法，对于地理编码，支持地图坐标系与距离多普勒坐标系之间的互转。
  土地利用工具（LAT）：用于历史及现有土地利用方面的监测与分类，支持滤波、镶嵌和数据显示。
  干涉点目标分析（IPTA）：仅针对点目标的相位分析，避免目标分散所产生的失相关效应。超过临界基线距离的干涉像对也可以进行分析。由于包含多组干涉像对能进行时间序列分析，所以提高了分析的精度。IPTA 处理数据时，数据集是以矢量存放，既提高了处理效率，同时也减少了大量临时存储文件。

2、二轨差分干涉测量原理

  二轨法，也叫两通法，利用重复轨道SAR 数据和研究区的DEM 数据。这种方法用外部的DEM 数据来消除地形因素的影响，从而得到形变。具体来说，就是对同一地区不同时段的SAR 影像生成干涉纹图，经过消除地形影响，从而探测到形变信息。对于重复轨道干涉测量，假定地物的后散射特性不变，忽略大气因素的影像，则生成的干涉图包括以下信息：地形位移所引起的路程差；地形所引起的路程差；卫星轨道变化引起的传播路程差。消除后面两项的路程差，余下的第一个干涉条纹信息，就是用来对地面形变的监测。
  二轨差分数据处理流程如图1 所示。在GAMMA软件中，利用主、从两幅SAR 影像，经过配准、干涉图生成、滤波、去平地效应、相位解缠等步骤，得到干涉图，再与DEM 模拟的干涉图进行差分处理，得到差分干涉图，最终得到的地表形变图。

3、实验数据处理流程

3.1、影像配准

  通过平移和旋转，将覆盖同一地区的两幅SAR 影像对应像元进行精确匹配。首先要计算主、副影像之间的偏移量，利用轨道信息或者两幅影像之间的互相干性进行初步偏移量估算；然后再利用图像强度的互相关性或者条纹可见度的最优化来进行偏移量的进一步精确估算，计算生成偏移量多项式；最后，对主副影像进行配准。

3.2、干涉图生成

  主副影像配准后，将主副影像对应像元的复数进行共轭相称，即可得到干涉图。干涉图中既包含了生成干涉图的这一对SAR 图像的幅度信息，又包含了这一对SAR 图像的相位信息，一般相位差用彩色条纹的周期性变化来表示。

3.3、去平地相位

  得到的干涉相位，在没有地面高程变化的情况下，雷达观测平坦的地表，也会产生一个随线性变化的相位。具体表现在干涉图中，就是距离向和方位向的周期性变化（一个个颜色周期的条纹带），这种现象被称为“平地效应”。下图为去平地效应后的干涉图。

3.4、滤波

  干涉图滤波可以提高解缠精度，有效减少雷达噪声带来的误差。具体计算过程如下：首先，利用复数干涉图计算局部坡度，沿着斜坡，通过计算得到干涉相位的平均值；然后，局部计算干涉图像的功率谱，依据功率谱设计滤波器，对干涉图进行滤波。下图为滤波后的干涉图。

3.5、相位解缠

  在干涉图中，像素点的相位存在模糊度，即相位范围在$[-\pi ，\pi ]$之间。要想得到绝对相位，就必须给相对相位加上$2k\pi$。 简而言之，就是由缠绕相位获得绝对干涉相位的过程。相位解缠的好坏直接影响InSAR 测量结果，所以说相位解缠是InSAR 解译最重要的步骤。

3.6、差分干涉图

  差分处理，是从干涉条纹图中去除用外部DEM模拟的地形起伏的相位，从而得到差分相位，此时的差分相位与地面形变有直接的关系。由于本研究采用的是两轨差分法，需要已知外部DEM 模拟地形相位。

3.7、垂直形变图

  差分处理后，去除了地形相位的影响，残余相位就是形变相位。如果得到目标点的形变量为正值，表示形变是朝着雷达传感器方向的，即地面抬升；如果得到目标点的形变量为负值，则表示形变是远离雷达传感器方向的，即地面沉降。而对于雷达视线方向上的形变量，再通过相关的计算与转换，即可生成垂直方向上的形变图。如下图所示，在城市中及其周边发现明显的沉降中心，在山区地带基本没有沉降。