苗小利

(西安煤航技術(shù)開發(fā)應(yīng)用分公司, 陜西 西安 710054)

0 前 言

由于雷達干涉測量(INSAR)具有全天時全天候工作的優(yōu)點，可以直接獲取地形的高程信息，因此其應(yīng)用領(lǐng)域得到了不斷推廣.許多歐美國家已將實用化的機載高分辨率INSAR 技術(shù)作為一種新的、先進的技術(shù)手段逐漸應(yīng)用于地形測繪方面.近幾年,我國也開展了基于INSAR技術(shù)地形測繪的研究與試驗，初步形成了基于單片正射INSAR影像、數(shù)字高程模型生產(chǎn)DLG數(shù)據(jù)的工藝流程和作業(yè)方法，推動了機載INSAR技術(shù)在地形測繪方面的應(yīng)用.

1 機載INSAR技術(shù)生產(chǎn)DLG產(chǎn)品的工藝流程

雷達干涉測量(INSAR)是基于時間測距的成像機理，利用雷達回波信號所攜帶的相位信息獲取地表的高程信息，其原理是通過兩副天線同時觀測，獲得同一區(qū)域的重復(fù)觀測數(shù)據(jù)(復(fù)數(shù)影像對)，提取同一目標(biāo)對應(yīng)的兩個回波信號之間的相位差，結(jié)合觀測平臺的軌道參數(shù)等提取高程信息[1]，生成DEM數(shù)據(jù).INSAR影像則是由SLC數(shù)據(jù)的實部和虛部計算出振幅值，然后進行灰度化變換，生成原始影像，再經(jīng)過變換以及去噪聲、地理編碼后生成DOM數(shù)據(jù),而DLG數(shù)據(jù)的高程、平面坐標(biāo)則分別源于機載INSAR技術(shù)生成DEM、DOM數(shù)據(jù)，因此基于INSAR技術(shù)生產(chǎn)DLG產(chǎn)品的工藝流程有別于其他技術(shù)手段，具體如圖1所示.

圖1 機載InSAR系統(tǒng)生產(chǎn)DLG流程

2 機載INSAR技術(shù)生產(chǎn)DLG的作業(yè)方法

2.1 平面定位方法

由于單片INSAR影像特殊的側(cè)視成像機理，對于高出地表的垂直地物，則產(chǎn)生頂?shù)孜灰片F(xiàn)象[3]，即雷達波束到頂部A的時間比到底部B的時間短，頂部影像a先被記錄，底部影像b后被記錄，如圖2所示，因此頂部影像a和底部影像b的位置在單片INSAR影像中不是處于同一位置(正射投影A、B兩點應(yīng)為同一點)，在影像中產(chǎn)生了Δr(其中Δr=Δh/tanη，ΔR=Δh/cosη)的定位誤差.

圖2 地物高度引起的投影差

其次在單片INSAR影像中，垂直地物的頂部的影像往往沒有遮擋，多呈現(xiàn)為突出的高亮點，而底部的影像或因遮擋或為陰影而不易定位，因此基于單片INSAR影像垂直地物的定位，如果在地物影像的頂部位置，須經(jīng)過誤差改正，才能達到底部定位的目的.

所以，雖然INSAR是以影像形式顯示地物目標(biāo)特征，但是它不同于光學(xué)傳感器的成像方式和成像機理[1]，因此基于機載INSAR影像平面定位時應(yīng)特別關(guān)注其誤差的分布規(guī)律，才能達到準(zhǔn)確定位.

2.2 地貌數(shù)據(jù)采集方法

DLG數(shù)據(jù)包括地貌數(shù)據(jù)的采集、自然地物和人工地物的采集.利用機載INSAR技術(shù)可以直接獲取地表的DEM數(shù)據(jù)，從DEM數(shù)據(jù)我們可以生成等高線和高程注記點數(shù)據(jù)，從而形成了地貌數(shù)據(jù).具體方法如下：首先是利用自主開發(fā)的程序DEM數(shù)據(jù)處理軟件，將原始的DEM RAW格式數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成ASC碼格式或矢量圖形數(shù)據(jù)，然后采用成熟的商業(yè)軟件(如ARCGIS)生成等高線，利用自主開發(fā)的軟件通過內(nèi)插從DEM數(shù)據(jù)中讀取高程注記點，如圖3所示.概括起來可以形成如圖4所示的作業(yè)流程.

圖3 DEM數(shù)據(jù)生成的等高線和內(nèi)插的高程點及其注記 圖4 等高線和高程注記提取流程圖

2.3 地物要素的判采方法

地物版數(shù)據(jù)采集，包括兩方面的內(nèi)容，一是INSAR影像的地物目標(biāo)的識別(定性),二是INSAR影像的地物目標(biāo)的定位.對于地物目標(biāo)的定位應(yīng)從SAR的成像原理入手分析，由于SAR影像為側(cè)視投影，因此它不同于光學(xué)影像的中心投影，更不同于地形圖的正射投影，即是將INSAR斜距影像校正成地距的正射影像，但因地物、地形高度引起的頂?shù)椎怪?、陰影、疊掩等無法消除，這是影響INSAR影像定位精度的主要原因,因此在DLG數(shù)據(jù)采集過程中點線面三類要素的定位精度就成為關(guān)注的重點.

對于地物目標(biāo)的識別與判讀， INSAR圖像與光學(xué)圖像類似，可以將地物目標(biāo)分為點狀地物、線狀地物和面狀地物，這些不同類型的地物目標(biāo)在圖像上具有不同的表征形式,判讀方法也有所不同.

2.3.1 點狀地物目標(biāo)

INSAR圖像上的點狀地物目標(biāo)是指以亮點形式呈現(xiàn)在圖像上的目標(biāo).通常這些目標(biāo)的幾何尺寸小于一個分辨單元的地面尺寸，但它的回波信號相當(dāng)強，在整個地塊的回波中占據(jù)了主導(dǎo)地位，這時像素的信號幾乎就只反映它的存在[2].如地面控制點(角反射器)、高壓輸電線塔、油井、油罐、液體、氣體貯存設(shè)備、衛(wèi)星地面接收站、信號燈等，都呈現(xiàn)為點狀地物目標(biāo).

點狀地物目標(biāo)都處在一定背景中，能否從背景中識別判讀出點目標(biāo)，不僅與點狀地物目標(biāo)的性質(zhì)有關(guān)，也與背景的特性和圖像噪聲有關(guān).在點狀地物目標(biāo)識別中，背景的干擾主要表現(xiàn)為相干斑噪聲，因此點狀地物判采時應(yīng)注意區(qū)別相干斑噪聲.

2.3.2 線狀地物目標(biāo)

線狀地物目標(biāo)通常有表示兩種情況，一是表示不同類地物要素的界線，如水陸界線，二是當(dāng)?shù)孛娴匚镆氐臋M向尺寸小于分辨單元尺寸時，表示為線狀要素.采集線狀要素應(yīng)注意，人工線狀地物要素通常都比較直，很少彎曲，即使有轉(zhuǎn)彎的地方也總是鈍角，如鐵路、公路、橋梁、機場跑道、梯田坎等；而自然線狀地物要素情況比較復(fù)雜，如自然河流的彎曲方向變化較多，而地質(zhì)斷裂造成的線性體則多為直線或有一定弧度.在采集中應(yīng)充分利用這些成像的特征.

2.3.3 面狀地物目標(biāo)

面狀地物目標(biāo)通常是由許多同一類型的散射點組成，其位置是隨機的，所接收到的電磁波相位不同，其振幅也是隨機的，但沒有任何一個散射點的回波散射可以在總回波功率占主導(dǎo)地位[2].表現(xiàn)在圖像上，這類地物最強和最弱信號的周期變化，形成一系列亮點和暗點相間的圖斑，且色調(diào)一致.在地形圖中面狀地物主要有街區(qū)式居民地、露天體育場、雙線河流、湖泊、池塘、水庫、雙線水渠、土質(zhì)植被等.兩種相鄰的地物目標(biāo)后向散射系數(shù)之差便可形成邊界線.相鄰地物目標(biāo)反差越大，邊界線越清楚,判采這類地物時可以利用地物的幾何特征、紋理信息等進行.

3 精度檢測

基于以上的作業(yè)方法，經(jīng)過了兩個試驗區(qū)的實施，并進行了成果的平面精度檢測和高程精度的檢測，統(tǒng)計結(jié)果如表1～表3所示，從表中數(shù)據(jù)不難看出其平面精度能夠達到1∶10 000、1∶50 000成圖精度的要求，而高程精度能夠達到1∶50 000的成圖要求、1∶10 000丘陵地區(qū)的成圖精度要求.

表1 平面精度統(tǒng)計表

表2 高程精度統(tǒng)計表

表3 規(guī)范限差要求

4 結(jié)束語

綜上所述，將機載INSAR技術(shù)用于生產(chǎn)DLG產(chǎn)品，通過兩個試驗區(qū)的試驗和生產(chǎn)，采用上述工藝和作業(yè)方法可以滿足1∶5萬的精度要求，同時也能達到1∶1萬丘陵地區(qū)的高程、平面精度的要求.如果要達到1∶1萬平地的高程精度，還需要提高機載INSAR技術(shù)獲取DEM數(shù)據(jù)的精度，或采取野外實測的方法進行.

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