万万没想到，SAR处理如此简单

1 SAR卫星遥感：商业航天新蓝海

合成孔径雷达卫星（Synthetic Aperture Radar, SAR, 下称SAR卫星）是一种主动式微波高分辨率对地观测系统，具有全天时全天候观测特性以及一定的地表穿透能力。由于SAR数据包含相位、极化、振幅、多频等微波诸要素，使得SAR数据在灾害应急、地形测绘、海洋监测、农作物物候监测以及国防军事等方面具有独特的应用优势，越来越受到世界各国的重视。

▲光学遥感卫星与SAR卫星对比

随着商业航天时代到来，大量国内外初创公司涌入商业SAR赛道，SAR卫星向小卫星、低成本的方向发展。据报道，芬兰明星雷达卫星创企ICEYE筹集了1.52亿美元的资金，在2020年9月完成了8700万美元的C轮融资，已成功发射14颗SAR卫星，是目前世界上最大雷达卫星星座运营商；美国代表企业Capella Space总共获得了8000万美元的融资，已成功发射5颗SAR卫星(见公众号“36氪Pro研究”：商业小卫星蓝海：穿云透雨的雷达卫星，中美商业航天竞争新焦点)，颇受美军方青睐。总体来说，欧美企业引领新航天浪潮。相比于全球市场，中国SAR卫星市场无论是上游卫星运营，还是下游应用服务，都处于早期蓝海阶段。当前主要面临三大痛点：

• 急需SAR数据支撑

• 急需SAR数据处理软件

• 急需SAR应用云服务

航天宏图一号SAR卫星星座

经过市场调研，目前我国民用在轨运行SAR卫星包括高分三号、海丝一号、齐鲁一号等，数量十分有限，且不具备全球高精度立体测图的能力，形变监测等业务也无法有效开展。

国内大多数用户更多的是下载欧空局开放共享的中低分辨率哨兵一号SAR数据，以及花费高价购置国外商用SAR数据，民用SAR数据严重稀缺。鉴于此，航天宏图作为国内领先的卫星运营与卫星服务商，结合自身优势，提出建造国内首个分布式干涉SAR星座--航天宏图一号SAR卫星星座，采用1主3辅编队飞行构型，建成后将有效缓解国内SAR数据资源稀缺现状。

▲航天宏图一号SAR卫星星座示例图

开发适合中国人使用的PIE-SAR软件

下游应用服务对SAR卫星数据需求旺盛，但处理门槛较高、专业人员较少等问题，也困扰着下游应用的发展。目前主流处理SAR数据的软件平台大多为国外人员开发，其界面设计，功能使用更多的考虑外国人使用习惯，对初学者及国人不太友好。为此，航天宏图开发了PIE-SAR软件，旨在打造新一代，面向业务生产的国产自主可控SAR数据处理软件平台，让SAR数据处理变简单。

构建先进的国产PIE-Engine SAR云服务平台

谷歌地球引擎（Google Earth Engine, GEE）引领全球海量遥感多源数据并行处理。为了打破GEE在此领域的垄断地位，方便国人海量SAR遥感数据处理。航天宏图开发了基于容器云技术构建的专业PaaS/SaaS遥感云计算服务平台-PIE-Engine SAR。时空计算云服务采用微服务架构，利用分布式集群部署，可以实时、高效在线处理分析多源SAR遥感数据。

2PIE-SAR让SAR处理变简单

2.1 PIE-SAR定位及特色

PIE-SAR是一款针对国内外主流星载SAR传感器的数据处理分析软件，提供图形化操作界面。软件采用工作流、组件插件式、多层和多模块结构的设计思路，研制了星载SAR数据相关处理算法。针对不同行业用户，提供专题应用。

• 国产、自主可控

PIE-SAR产品基于完全松耦合的底层架构设计，具有弹性可伸缩的体系结构，支持热插拔式负载均衡，支持功能模块可无缝扩展；产品研发采用标准C++技术，完全自主可控代码，实现Windows、Linux以及国产操作系统的跨平台支持。

• 支持桌面及云端并行处理

提供灵活的桌面形式的人机交互SAR数据处理；并依托PIE-Engine遥感云服务平台，根据应用需求，支持SAR影像处理流程编排、并行调度、任务管控，实现大规模SAR影像数据产品的快速自动化生产。

▲依托PIE-Engine实现InSAR并行处理

▲依托PIE-Engine实现SAR DOM并行生产

• 可视化界面、交互简单、处理门槛低

可视化交互界面，符合国人用户习惯，操作简单，非专业用户可轻松使用。

▲PIE-SAR软件界面

2.2 PIE-SAR关键技术

• 地形复杂区SAR影像高精度无控定位技术

利用SAR模拟、幅度配准、SAR轨道改正技术，有效解决复杂山区既无法获得准确的轨道状态向量信息，同时又没有额外的地面控制点的SAR定位难题。

• RD生成RPC技术

采用与地形无关的方式，利用严密的距离-多普勒模型（Range-Doppler，RD）构建虚拟控制点格网来进行RFM建模，实现了一种RFM模型参数的快速无偏解算新方法，能够取得相对于RD模型很高的拟合精度，在几何定位功能上实现了对RD模型的有效替代，同时大大提高了计算效率。

• 先进的多模态配准技术

实现异源、异时相、异分辨率影像间的高效高精度自动匹配。光学与SAR影像自动匹配，平原地区匹配精度1-2个像素，山区2-4个像素。

• SAR差分干涉技术的高精度DSM提取技术

可有效削弱解缠相位和外部DEM中随机误差对DSM提取结果的影响，实现4米标准差的DSM成果提取。

• 哨兵TOPS模式SAR数据精配准技术

通过解析哨兵TOPS格式数据文件、数据ramp估计与补偿、EAP校正、基于DEM的精轨初始配准、Burst重叠区相位解缠、增强谱分集法（ESD）精配准等处理实现哨兵1号TOPS模式数据的配准精度达到千分之一像素。

• 时序形变监测技术

研发星载SAR数据的影像配准、干涉对选取、批量差分干涉相位提取、小基线时序形变解算、永久散射体点提取、三角网络构建、形变信息提取、时序结果分析等算法，形成 PS-InSAR及SBAS-InSAR时序形变监测技术，实现毫米级的地表形变监测。

2.3 PIE-SAR能力介绍

2.3.1 星载SAR数据快速支撑能力

数据解析方面，已支持星载SAR一代（ERS1/2、ENVISAT ASAR、ALOS-1 PALSAR）、二代（TerraSAR-X、COSMO-SkyMed、Radarsat-2、ALOS-2 PALSAR）、以及近年来的GF-3、Sentinel-1、TH-02A/B、海丝一号、ICEYE等数据，将其解析成PIE-SAR软件底层的通用数据格式。面对后续发射的SAR卫星，PIE-SAR软件会在第一时间对获取的数据进行解析，支撑相关处理及应用。

2.3.2 大区域SAR DOM产品自动化处理解决方案

基于自动匹配、点位测量、区域网平差、正射校正、质量评价、无缝镶嵌等功能，提供大区域SAR DOM产品自动化处理解决方案，实现大范围SAR数据的联合定位与应用。

针对公司项目任务及相关客户需求，依托国产高分三号数据，在平地、丘陵、山地、高山地、沙漠弱纹理等地区进行了SAR平差及DOM生产试验，正射校正精度在2个像素左右，满足应用需求。

▲SAR平差及校正

2.3.3 一键式InSAR处理提取DSM

提供InSAR干涉对配准、干涉图生成、平地相位去除、干涉图滤波、轨道精化、相位解缠、相高转换等通用的InSAR处理功能，实现自动化、批量DSM成果生产。并支持利用SAR影像模拟、SAR幅度配准、相位补偿等SAR差分干涉测量技术，实现复杂山区的高精度DSM提取。

服务于多云、多雾、多雪区等区域的测绘制图及应急监测，并为我国已经发射的天绘-02A/B星，GF-3等进行InSAR地形测绘，提供软件支撑；支持航天宏图一号SAR卫星进行全球高精度DSM、DEM产品生产。

▲InSAR技术提取DSM

2.3.4 支持D-InSAR及时序SAR形变监测

支持差分干涉处理提取矿区及地震形变场，支持大区域形变监测，服务于应急、减灾等行业。

▲D-InSAR技术提取形变场

便捷的时序SAR流程化处理与分析：提供Sentinel-1 A/B TOPS、TerraSAR-X、COSMO-SkyMed等多种星载SAR数据的影像配准、干涉对选取、批量差分干涉相位提取、小基线时序形变解算、永久散射体点提取、三角网络构建、形变信息提取、时序结果分析等功能，实现毫米级的地表形变监测。

可应用于城市地下水抽取沉降监测，城市建设（建筑物建设完成后的稳定沉降）沉降监测，线状地物沉降监测（铁路、公路、地铁（监测地表形变）），矿区缓慢沉降监测（开采前期与后期，废弃期）、滑坡等地质灾害的监测等，广泛应用于水利、电力、交通、应急减灾等行业。

▲时序SAR形变监测

2.3.1 极化SAR散射机理分析

支持极化合成、极化矩阵转换、极化滤波、极化分解、极化特征提取、极化分割、极化分类等极化SAR数据的全流程处理，实现对极化数据散射机理信息的深入分析。

▲极化SAR分析处理能力

2.3.2 行业专题应用

PIE-SAR软件瞄准解决实际而重大应用需求，注重实际需求与科学研究的行业应用开发，以及挖掘SAR蕴含的多维度信息如幅度、极化、相位相干性、多时相以及协同光学影像特有优势，让SAR卫星数据价值最大化。下面是利用PIE-SAR软件制作的相关行业应用案例。

• 水体识别

复杂风况与大尺度场景下水体识别对于洪水灾区分析，台风灾害监测以及水资源（水库，湖泊，湿地等）管理具有重要决策作用。

基于PIE-SAR的水体提取解决方案，已支撑20余家用户，包括水利部、减灾部、各地高分中心等单位。为洪涝灾害水体提取快速提取，洪水涨势以及淹没情况的快速掌握，防汛抗洪工作的及时开展提供了必要、有效的技术支持。自动化提取精度达85%。

▲苏北地区水体监测

▲长江中下游水体分布图

• 海洋目标监测

       🔸海岸线监测

由于海岸带活跃且脆弱，快速准确的监测海岸线的动态变化对于海域的使用管理具有十分重要的意义。海岸线自动提取技术可用于海岸线变迁监测、海岸带滨海湿地监测、海岛监测、围填海监测等。

▲海岸线变化监测

       🔸舰船检测

舰船检测有助于海事部门掌握海域动态，追踪港口繁忙度，分析预测贸易趋势变化对宏观经济走势的影响。

▲舰船检测

       🔸绿潮监测

下图为今年青岛爆发的绿潮灾害监测结果，为有关部门开展浒苔绿潮联防联控工作提供支撑。

▲青岛绿潮监测

• 土壤水反演

我们提供多种输入方式（如单/双/全极化，是否协同光学NDVI，以及单时相/多时相）的土壤水反演解决方案。对于农业抗旱具有重要作用。

▲树高估计

• 非法毁林

森林是重要碳汇，消除非法毁林，有助于提高政府有关部门执法督察科技水平，有效保护森林资源，实现巴黎目标。

下图为选取委内瑞拉某地因乱矿导致的大规模砍伐哨兵SAR时序监测结果，监测结果为森林不同砍伐时间编码。

▲委内瑞拉非法毁林

• 树高估计

树高是森林垂直结构的重要参数，与森林生物量和碳循环密切相关。PIE-SAR软件利用多层感知神经网络，可实现基于哨兵-1号数据的大尺度树高估计，支撑森林资源经营管理等业务应用。

▲树高估计

• 湿雪监测 

利用多时相哨兵SAR数据监测新疆天山某地冰川湿雪范围，掌握其时空变化信息对融雪径流预报、区域气候变化研究等有重要意义，也为政府部门应对气候变化提供重要参考。

▲新疆天山某地冰川湿雪监测

3 结语

商业SAR市场已成为目前国际商业航天竞争的新焦点。面对当前国内市场SAR卫星数据短缺，国产数据处理软件平台较少等现状，航天宏图一方面致力于构建航天宏图一号分布式干涉SAR卫星星座，夯实国产SAR数据底座；另一方面着力培育新一代国产SAR数据处理云服务生态，降低用户数据处理门槛。随着航天宏图一号SAR卫星星座的建成，我们将不断加强与各行业需求的深度融合，基于自身数据与软件服务平台优势积极参与国家重大研发计划申报，提升高校、科研院所与我司的产学研转化水平，真正发挥SAR数据价值最大化，为客户提供领先的一站式、全流程SAR应用服务。

感谢国家卫星海洋应用中心、ESA提供的高分三号，哨兵一号数据。

来源： 航天宏图
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