SARscape雷達圖像處理軟件簡介

????????合成孔徑雷達（SAR）擁有獨特的技術魅力和優勢，漸成為國際上的研究熱點之一，其應用領域越來越廣泛。SAR數據可以全天候對研究區域進行量測、分析以及獲取目標信息。高級雷達圖像處理工具SARscape，能讓您輕松將原始SAR數據進行處理和分析，輸出SAR圖像產品、數字高程模型（DEM）和地表形變圖等信息，并可以將提取的信息與光學遙感數據、地理信息集成在一起，全面提升SAR數據應用價值。

1? ?概述

????????SARscape由sarmap公司研發，是國際知名的雷達圖像處理軟件。該軟件架構于專業的ENVI遙感圖像處理軟件之上，提供圖形化操作界面，具有專業雷達圖像處理和分析功能。SARscape由核心模塊及5個擴展模塊組成，用戶可根據自己的應用要求、資金情況合理地選擇不同功能模塊及其不同組合，對系統進行剪裁，充分利用軟硬件資源，并最大限度地滿足用戶的專業應用要求。

1.1體系結構

SARscape提供全方位的SAR數據處理能力，并引入GPU和并行運算提高處理效率，包括：

-???? 雷達強度圖像處理（SAR Intensity Image）

-???? 雷達干涉測量（InSAR/DInSAR）

-???? 極化雷達處理（PolSAR）

-???? 極化雷達干涉測量（PoIInSAR）

-???? 雷達立體量測

由以下模塊組成：

SARscape核心模塊（BASIC & InSAR Bundle）——?提供完整的雷達處理功能，包括基本SAR數據的數據導入、多視、幾何校正、輻射校正、去噪、地理編碼、RAW數據鑲嵌、線狀地物探測、特征提取、船只提取、移動目標探測等一系列基本處理功能；支持InSAR和多個通道DInSAR處理，生成干涉圖像、相干圖像、地面斷層圖、DEM、地表形變圖等。包括基線估算、干涉圖生成、干涉圖去平、相干性計算、相位解纏、軌道精煉、大氣校正、形變模型等；支持SAR立體量測生成DEM數據；支持多孔徑干涉測量和振幅偏移量量測，獲取方位向形變信息；提供相干RGB假彩色合成工具和相干變化檢測工具。
聚焦擴展模塊（Focusing Module）——采用經過優化的聚焦算法，能夠充分利用處理器的性能實現數據快速聚焦處理，支持聚焦前對RAW數據的鑲嵌，直接輸出SLC數據。
濾波擴展模塊（Filter Module）——提供基于Gamma/Gaussian 分布式模型的濾波核，能夠最大程度地去除斑點噪聲，同時保留雷達圖像的紋理屬性和空間分辨率信息。
掃描式干涉雷達處理擴展模塊（ScanSAR Interferometry Module）——支持ASAR、TSX和PALSAR2掃描模式數據的干涉處理。
極化雷達處理擴展模塊（Polarimetery & PollnSAR Module）——完整的極化SAR和極化干涉SAR數據的處理，包括測定偏振矩陣、偏振信號、偏振合成、偏振特征、Pauli分解、SLC數據的幾何校正、極化相位差和干涉圖生成、極化/干涉相干性、相干性優化等。
干涉疊加擴展模塊（Interferometry Stacking Module）——可用永久散射體（PS）方法和短基線集（SBAS）的方法進行多時相雷達數據的干涉分析，可以獲取毫米級的形變信息。可用層析SAR的方法進行多時相連續層析成像數據的分析，可以獲取地物的高度和形變信息。

SARscape提供SAR處理Task，可在ENVI Modeler中構建SAR處理工作流。

SARscape以模塊（Module）方式提供API，用戶只需要具有一些IDL開發基礎即可進行二次開發，提供了超過200個的功能接口。

1.2支持雷達系統

SARscape是為各種雷達數據處理而設計的專業化軟件工具，提供了專業級雷達數據處理和分析功能，支持多種雷達數據產品和原始數據，包括一系列機載和星載雷達系統的數據，包括：ERS-1/2、JERS-1 SAR、RADARSAT-1、RADARSAT-2、ENVISAT ASAR、ALOS PALSAR、TerraSAR-X、TanDEM-X(+bistatic)、SAR-Lupe、 COSMO-SkyMed、OrbiSAR-1 (X、P-band)、E-SAR、F-SAR、RISAT-1、STANAG 7023、RAMSES、TELAER、GLAS/IceSat DEM、Sentinel-1（哨兵）、 Kompsat-5、ALOS PALSAR2、ASNARO-2、PAZ-1、SICD、SICD Polar format algorithm PFA、NovaSAR、ICEYE、SAOCOM-1、CAPELLA-X、CSG-X、Radarsat Constellation Mission-C以及國產GF3、海絲一號數據。

1.3產品特性

原生支持64位操作系統，使用GPU技術，多線程計算技術、具有高效的運算性能；
提供集群處理（包括SBAS、PS和CCD三個功能，需要許可），提高大數據量運算效率；
提供SAR數據的數據導入、多視、幾何校正、輻射校正、去噪、特征提取等基本功能；
全面支持Sentinel-1數據；
全面支持GF3數據；
利用多時相數據進行斑噪濾波，有效去除斑點噪聲；
提供基于多普勒距離方程的嚴格SAR數據幾何校正，在DEM支持下能夠實現對SAR數據的輻射校正和正射糾正，消除地形對SAR數據的影響；
對于提供衛星軌道信息的SAR數據（如ERS和ASAR等），無需控制點即可進行高精度的正射糾正；
使用交叉相關技術實現多時相SAR數據的配準，無需手工選擇控制點；
提供CCD相干性變化檢測工具，通過相干性分析發現土地覆蓋變化信息；
提供船只探測和移動目標探測工具；
提供基于相位保真的SAR原始數據調焦處理，能夠獲取高精度的SLC數據，支持自定義雷達系統；
提供基于Gamma/Gaussian分布式模型的濾波核，能夠最大程度地去除斑點噪聲，同時保留雷達圖像的紋理屬性和空間分辨率；
可用于InSAR和多個通道DInSAR圖像，生成干涉圖像、相干圖像、地面斷層圖、DEM、形變圖等；
提供MAI多孔徑干涉工具，得到方位向上的形變圖；
提供SAR立體量測工具，通過SAR立體量測生成DEM產品；
提供振幅偏移量測工具，通過振幅偏移量測的方法得到方位向形變信息；
提供形變建模工具，通過構建形變模型模擬出形變的量和斷裂帶；
支持中分辨率（如ASAR寬模式）數據的InSAR和DInSAR處理；
支持極化SAR和極化干涉SAR數據的處理，可以確定特征地物在地面上產生的毫米級的位移；
提供三種干涉疊加工具：永久散射體（PS）、短基線（SBAS）、層析SAR，得到毫米級形變監測精度；
提供升軌和降軌數據集得到的形變結果的合成工具，得到水平方向和垂直方向的速率/形變/時間序列形變結果；
提供SARscape Modeler，可以在ENVI Modeler中進行可視化建模；
提供SARscape?for?ArcGIS?toolbox?, 可在ArcGIS 界面下直接使用SARscape tools；
與ArcGIS Pro集成，可以在ArcGIS Pro中使用SARscape工具箱；
以模塊（Module）的方式提供API，包含了200個左右的功能接口。而且在參數設置方面，與SARscape用戶界面中的參數保持一致，方便使用；
圖形化界面，界面友好；
流程化處理，操作簡單；
批處理能力：繁雜的處理步驟只通過一個批處理命令來完成，簡化操作；
支持二次開發。

1.4產品應用

?SARscape主要應用于高精度地形數據（DEM）提取,???? 地表沉降監測（如地震/火山前后地表形變、城市地面沉降、鐵路/地鐵沿線地表沉降、采礦區塌陷、地裂縫等），滑坡/冰川移動監測，目標識別與跟蹤，原油泄漏跟蹤，作物生長跟蹤與產量評估，洪水/火災和地震的災害評估等，土地覆蓋與土地利用變化。

2? ?核心模塊功能介紹

2.1 基本雷達處理

?數據導入

支持SAR數據，光學數據，高程數據（DEM），矢量數據、AIS數據、SICD格式數據的輸入，這些數據可以是標準格式的，也可以是一般二進制格式的。

支持ECMWF、OpenStreetMap、Tide Height數據的下載。

多視

?? 支持多種雷達系統的SLC數據多視處理，包括： ENVISAT ASAR、ERS/JERS-1、ALOS PALSAR-1/2、COSMO-SkyMed、TerraSAR-X、Sentinel-1A/B、Gaofen-3等，能抑制SAR圖像的斑點噪聲，提供自動計算視數的功能。提供時間域、頻率域的多視算法。

配準

使用交叉相關技術實現多時相SAR數據的自動配準，以達到亞像素配準精度，整個過程采用全自動的方式。

濾波

提供一系列基于典型最小均方根誤差原理的常規濾波算法，支持多時相的雷達濾波方法，算法包含相同區域不同場景的統計計算。提供針對超高空間分辨率數據的Non-Local濾波方法，保留了點目標，對均勻區域進行了強平滑處理。

特征提取

基于統計學的理論，能夠從SAR和InSAR數據中提取不同特征的特征參數，用于圖像分類或定量分析，雷達圖像幾何糾正和輻射定標。

地理編碼

該功能能夠對SAR數據進行幾何校正與正射校正，可以對SAR數據進行橢球或地形的地理編碼，可使用標準軌道參數或地面控制點，基于多普勒距離方程將雷達坐標系統轉換為給定的地理參考坐標系，即完成一般幾何校正或正射糾正過程。無論是地面陣列（ERS PRI, RADARSAT SGF）還是傾斜陣列（ERS and RADARSAT SLC）產品。

輻射定標

校正了三種影響因素：散射區域、雷達天線增益和方位向傳輸損失。可選擇三種定標輸出結果：后向散射系數（Sigma），歸一化后向散射系數（Gamma），雷達亮度或者反射值（Beta）。還包括輻射歸一化、局部入射角校正和疊掩/陰影處理。

定標后處理

可以對后向散射系數進行后處理，減少水分、表面特征等干擾介電常數而產生對后向散射系數的影響，提供距離校正、介電常數影響校正、絕對校正三種校正方法。

鑲嵌

可以將覆蓋相同區域的多幅雷達影像拼接成一幅，提供基于邊緣檢測技術自動生成切割線。支持SLC鑲嵌。

分割

支持雷達或者光學的分割，分為三步：地物邊緣檢測、分割斑塊合并、多時相數據分割。

強度數據時間序列分析工具

對多時相SAR數據時序分析的流程化工具，工作流中包含以：多時相slc數據輸入、多視處理、多時相強度數據配準、多時相強度數據濾波、地理編碼和輻射定標、多時相數據特征計算。

移動目標探測

從輸入的高分辨率SLC圖像中探測方位向的移動目標。

船只探測

基于CFAR算法，從SAR圖像中提取水域中的船只信息。結合AIS船舶數據進行船只探測，統計某個區域船舶的月平均數量。

2.2 (D)InSAR處理

提供完整的干涉雷達（InSAR）和差分干涉（D-InSAR）處理功能，以及Tandem-X雙星模式InSAR處理、SAR立體量測生成DEM技術、多孔徑干涉測量處理、振幅偏移量測技術、相干性RGB合成、相干變化檢測技術。包括以下干涉雷達處理功能：

基線估算

??? 用來評價干涉像對的質量，計算基線、軌道偏移（距離向和方位向）和其他系統參數。

干涉圖生成

??? 支持兩種模式：基于DEM和平均橢球體高度。

干涉圖去平

??? 從原來的SAR幾何中減去相關的地形（或橢球）和常位相成分。

自適應濾波和相干系數生成

??? 對去平后的干涉圖進行濾波，去掉由平地干涉引起的位相噪聲。同時生成干涉的相干圖。

相位解纏

通過區域生長方法進行相位解纏，獲取地面上每一點相位差的整數部分，為計算準確DEM奠定基礎。

相位編輯 (可選)

通過半自動或全手動的方法糾正解纏中出現的錯誤

軌道修正

對衛星軌道和位相偏移進行糾正，進行軌道精煉和位相偏移的計算，消除可能的斜坡位相。

DEM生成

生成DEM，將絕對定標和解纏后的相位和綜合相位進行合成，將其轉換為高度并投影到一定坐標系統上。

位移生成

將絕對定標并解纏后的相位值轉換為位移，并投影到指定坐標系統下。同時也生成定位后的相干性圖像。

SARscape支持雙過、三過、四過差分兩種方式，從DInSAR數據中生成微分干涉圖以評估厘米級的地形變化。

圖：三種D-InSAR處理方法

SAR立體量測生成DEM工具

用不同的入射角獲取的高分辨率的斜距或地距數據，通過立體量測的方法生成的DEM。

多孔徑干涉測量工具（MAI）

多孔徑干涉測量技術是將構成干涉像對的一對數據，在主影像和從影像的原始的多普勒帶寬上分解成多個小的全頻譜復數數據，派生出一個前視和一個后視復數影像。分別對這些前視和后視的干涉像對進行差分干涉處理，然后將前、后視干涉圖進行相位差分，得到一個代表方位向位移的差分干涉圖，這種方法能得到方位向上的地表位移量。

提供完整的MAI處理功能，包括：MAI干涉圖生成和去平地效應、MAI干涉圖濾波和相干性生成、MAI相位解纏、軌道精煉和重去平、相位轉形變。

振幅偏移量測工具

主從像對的數據偏移量是以像素的個數來計算的，用振幅（強度）數據來計算地表的形變信息，可用于快速、不連貫形變事件的量測。提供完整的振幅偏移量測工具，包括：振幅偏移計算、偏移優化和重去平、偏移量轉形變和地理編碼。

相干RGB假彩色合成工具

相干RGB假彩色合成技術是對輸入的一對slc像對做一系列處理，如多視、配準、地理編碼、相干性計算和地理編碼等，將這些成功進行RGB假彩色合成，凸顯地物在不同特征圖像上的表現，有助于地物的解譯或現象的解釋。

相干變化檢測工具

相干變化檢測工具通過計算兩幅SAR圖像的相干系數，根據相干性大小判定對應像素是否發生變化，相干系數越小，表示發生變化，相干系數接近1，表示地物穩定，未發生變化。可應用于地震、洪水評估、地質探測軍事偵察等。

2.3實用工具

提供眾多的實用工具，包括制圖轉換、數據統計、彩色合成、生成地面控制點文件、生成TIFF文件、圖像修改、PRF校正、質量分析等。

SARscape還為InSAR處理提供眾多實用工具，包括：

-???? 基線估算

-???? 多基線估算

-???? 大氣位相延遲修正

-???? 復數據多視

-???? 干涉數據配準

-???? 干涉差分處理

-???? 地形/橢球體去平

-???? 殘余相位去除

-???? 相位編輯

-???? 合成升軌/降軌形變結果

2.4形變建模工具

提供形變建模的工具，可以根據輸入的參數進行形變模型的構建和模擬出形變的量和斷裂帶。形變建模工具是利用大地測量數據進行建模，從而描繪造成地殼位移常見來源（如地殼板塊運動、火山噴發等）的特征。構建模型的目的是用分析解法重現所觀察的信號。也可以使用非線性或線性反演算法完成逆反演。

2?????? 其他模塊功能介紹

3.1聚焦擴展模塊

SARscape的聚焦模塊，可以對RAW數據中每個點的反射率利用經過優化的調焦算法實現數據快速聚焦處理，直接輸出SLC數據，并支持聚焦前對RAW數據的鑲嵌。

聚焦模塊支持的傳感器數據類型：

?? ERS-1/2 SAR

?? JERS-1 SAR

?? ENVISAT ASAR Image Mode

?? ENVISAT ASAR Alternating Polarization

?? ENVISAT ASAR Wide Swath

?? ENVISAT ASAR IM mode data

?? ALOS PALSAR-1 Single Polarization

?? ALOS PALSAR-1 Dual Polarization

?? ALOS PALSAR-1 Full Polarization

?? Sentinel-1 IW

此外，支持自定義雷達系統的聚集處理，可以根據規范的元數據格式，對其他RAW格式的雷達數據進行聚焦。

3.2Gamma/Gaussian濾波擴展模塊

斑點噪聲是SAR成像系統的一大特色，源自基本分辨單元內地物的隨機散射，在圖像上表現為信號相關（如在空間上相關）的小斑點，它既降低了圖像畫面質量，又嚴重影響圖像的自動分割、分類、目標檢測以及其它定量專題信息的提取 。

SARscape提供基于Gamma/Gaussian 分布式模型的濾波核，能夠最大程度地去除噪聲，同時保留雷達圖像的紋理屬性和空間分辨率信息。

由PRIVAEERS N.V.研發的Gamma分布式模型算法是迄今最合適的方法，包括處理SLC數據的獨立復雜高斯斑點模型和處理多視強度數據的伽馬斑點模型。

3.3掃描式干涉雷達處理擴展模塊

ScanSAR是一種具有天線掃描功能的SAR工作模式，在該模式下，系統利用突發模式(Burst mode )技術來獲得寬的距離向測繪帶，但同時也帶來了其方位向幾何分辨率的損失，具有數據量巨大和回波信號不連續的特點。

SARscape提供ScanSAR模式處理支持，同時與干涉處理模塊結合，可用于處理生成大范圍的干涉圖像、相干圖像、地面斷層圖。該模塊支持：

二過干涉處理生成DEM和相關產品
N過差分干涉生成地表形變制圖和相關產品

支持ENVISAT ASAR ScanSAR模式、PALSAR-2 ScanSAR全孔徑slc數據、Terrasar ScanSAR模式的干涉處理。

3.4極化雷達處理擴展模塊

對極化SAR和極化SAR干涉處理。對極化SAR處理功能包括：測定偏振矩陣、偏振信號、偏振合成、偏振特征、Pauli分解、Entropy-Anisotropy-Alfa分解、Entropy-Anisotropy-Alfa分類；極化SAR干涉處理包括：SLC數據的幾何校正、極化相位差和干涉圖生成、極化/干涉相干性、相干性優化。

極化功能：
- 極化定標矩陣：用默認或自定義的極化定標參數精確估計目標散射矩陣
- 極化信號：從線性極化數據集，創建任意極化正交基準的散射矩陣
- 極化分解：提供相干（Pauli分解）和非相干（熵-α-各向異性特征分解）的方法來做散射矩陣的分解，前者用于一致的目標特征，后者用于分散式的目標特征。提供雙極化熵各向異性分解，用于雙極化slc數據集的相干矩陣的特征分解。
- 極化分類：在熵-α-各向異性特征分解之后的基礎上，利用非監督分類法來對不同的散射特性進行分類
- 極化特征：提供了對交叉極化強度數據進行組合的方法，可用于進一步解譯或分類
極化干涉功能：
- SLC數據配準：主從影像的配準及在距離向的重采樣
- 相位合成：相組分生成，包含幾何（常相位）和平地或已知地形（有DEM的情況）
- 相干性優化：代表主要散射機制的干涉圖和相干數據的生成
- 極化相位差/干涉圖生成：可生成1）兩個相同獲得方式的不同極化數據的極化相位差；2）兩個不同獲得方式的相同極化方式的“經典”干涉
- 合成平地相位：用相同相對的不同極化合成相位進行干涉去平
- 極化相干性：相干數據的極化相位差或單極化干涉的生成

3.5干涉疊加擴展模塊

干涉疊加技術是挖掘時間序列SAR圖像可以識別區域（像素）范圍內，一定時間內地面位移表現在信號相關和一致性，獲取mm級的形變信息。SARscape提供三個應用工具：

PS (Persistent Scatterers，永久散射體)

進行點目標的分析，得到表現為高的相干性的局部散射體的形變信息和精確的高程信息，輸入圖像的數量對最后要進行PS鑒定的像元相干性的估算非常重要，如果輸入圖像的數量不足的話，在整個處理過程中，整個區域會有大量的高相干性目標和很多“假形變”信息，一般來說，輸入影像的數量應該大于20幅，為保證正確的相干性和PS鑒定結果。

該方法基于對確定的“相干雷達反射信號”（永久散射體）的若干處理。著重分析這些確定的每個目標對象（圖像上的某個像素）的相位歷史，而不是傳統的對整個輸入圖像的處理。

在SARscape軟件中，PS操作主要分為五個步驟，另外還有一個可選步驟，即定義處理子區：

（1）?????????? 連接圖生成

??? 選擇一個超級主影像，根據設定的基線閾值對所有圖像建立主-從關系，所有的數據都將配準到一個主圖像，這個主圖像可自動分配也可以用戶自己選擇。

（2）?????????? 干涉工作流

??? 這一步是根據像對的連接關系，對每一對像對進行干涉工作流處理。所有圖像都要配準和重采樣到參考文件，這涉及到4個因素（至少2個）的過采樣，避免在大基線的情況下干涉條紋過密而混淆。不同于標準的InSAR處理，因為PS方法是找點目標，所以不進行光譜移動和普通的多普勒帶寬濾波。會生成每個從影像和參考主影像的干涉圖。

（3）?????????? PS反演Step1

??? 第一次生成的形變結果，包括速率和高程改正值，這個結果沒有去除大氣影響的相位。

（4）?????????? PS第二次反演Step2

??? 使用大氣校正步驟，生成最終的形變結果。

（5）?????????? 地理編碼

所有PS相關結果（形變速率、高度殘差、形變序列、KML、矢量文件等）投影到地圖系統中。

SBAS (Small Baselines，短基線)

進行離散點目標分析，得到的結果和干涉模塊類似，不同的是它是針對大區域的多景SAR做的，而不是雙過（最多四過）干涉。和PS比起來，SBAS技術對輸入圖像的個數不是非常敏感，因為用的是離散分布的相干目標而不是一個像元，而且在SBAS中，會進行一些空間位移相關性的假設。不過，圖像個數越多，得到的結果越好（甚至大氣組分的干涉位相都能被很好的估算和去除）。輸入的數據數量至少是5幅。包括以下5個步驟：

(1)??? 連接圖

該功能定義了SAR相對組合和連接網絡，用來生成多個差分干涉。對所有圖像建立對應關系，看每對主從影像的基線是否在閾值內，將所有的數據都配準到一個主圖像，這個主圖像可自動分配也可用戶自己選擇。提供了最大最小基線、是否僅正向配對、冗余量、允許分離的部分等幾個設置選項，來進行圖像匹配。

(2)??? 干涉生成到相位解纏

生成去平和濾波后的干涉圖、相干系數圖、相位解纏結果SBAS反算

(3)??? 軌道精煉和重去平

對所有的像對進行軌道精煉和重去平，GCP的范圍要覆蓋在所有干涉像對上。

(4)??? SBAS反演第一步

SBAS反演的核心步驟，第一次估計位移速率和殘余地形，用來對合成的干涉圖進行去平，重新做相位解纏和精煉，生成更優化的結果，用于下一步計算。基于模型計算出所有像對的形變（日期、速度、加速度和加速度變化）和高程（校正值和新的DEM），提供無位移模型、線性模型、二次方模型、三次方模型四個模型。

(5)??? SBAS反演第二步

計算時間序列上的位移，在第一步得到的形變速率(_disp_first)基礎上，進行定制的大氣濾波，從而估算和去除大氣相位，得到更加純凈的時間序列上的最終位移結果。提供大氣高通、大氣低通兩個選項，對大氣影響進行估計，最后每個時間都從測量的位移中減去這些大氣部分。

(6)??? 地理編碼和柵格轉矢量

將所有的結果都編碼到所選擇的坐標系下，形變結果可以重新定義投影，如果要做下一步柵格矢量轉換，比如要對數據做地理編碼。

將柵格結果轉為矢量的shape和kml文件。輸出的數據是shape格式的矢量文件和kml文件，包含：斜距方向的位移速率、每個數據和最早時間的圖像的位移、所有的時間序列的圖像得到的總的綜合位移、多時相的相干性、使用干涉測量做的像素制圖和高程DEM、輸入DEM的高程糾正。以及以不同顏色標識的位移信息，正值（藍色）：位移方向是往傳感器的方向；負值（紅色）：位移方向是遠離傳感器的方向

層析SAR（Continuous Tomography）分析

一套完整的工具來處理連續層析成像數據，該技術提供了高程切片，該技術可以利用一系列的干涉圖像沿SAR高程方向增強了分辨率。可以得到地物的高度和形變信息。

實用工具
- SBAS連接圖編輯工具：該功能可以對連接圖步驟生成的SAR像對組合和連接網絡進行編輯。
- PS連接圖編輯工具：可加入新的數據參與到PS處理中，加入新的數據時，只對新增的數據進行干涉工作流處理，節省時間。
- 連接圖查看器：查看生成的連接圖。
- PS分析工具：圖形表示每個永久散射體位移記錄。
- 時間序列分析：圖形表示用SBAS方法提取的形變信息。