靳國(guó)旺

(1．信息工程大學(xué) 地理空間信息學(xué)院，河南鄭州450052;2．中國(guó)測(cè)繪科學(xué)研究院，北京100039)

一、引 言

傳統(tǒng)的攝影測(cè)量是利用光學(xué)攝影機(jī)獲取被測(cè)對(duì)象的硬拷貝像片，研究和確定所攝物體的形狀、大小、性質(zhì)及其空間位置的理論、技術(shù)和方法[1]。經(jīng)歷了模擬攝影測(cè)量、解析攝影測(cè)量和數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量3個(gè)階段，如今其概念已得到擴(kuò)展。授課過(guò)程中，通常把攝影測(cè)量定義為：攝影測(cè)量是利用攝影機(jī)或其他傳感器采集被測(cè)對(duì)象的圖像信息，通過(guò)加工處理和分析，獲取有價(jià)值的可靠信息的理論和技術(shù)[2]。從所處理的圖像來(lái)看，目前的攝影測(cè)量既可以處理傳統(tǒng)的硬拷貝像片，又可以處理數(shù)字化影像或數(shù)字影像。按獲取影像的傳感器類別劃分，攝影測(cè)量可分為光學(xué)(可見(jiàn)光)攝影測(cè)量、雷達(dá)攝影測(cè)量和X射線攝影測(cè)量等。

由于利用雷達(dá)傳感器獲取被測(cè)對(duì)象圖像的方式與傳統(tǒng)攝影方法獲取目標(biāo)圖像的方式不同，關(guān)于“雷達(dá)攝影測(cè)量”概念是否合適尚存在一些分歧。結(jié)合擴(kuò)展的攝影測(cè)量定義，本文認(rèn)為利用雷達(dá)傳感器獲取被測(cè)對(duì)象的圖像信息屬于廣義攝影的范疇，“雷達(dá)攝影測(cè)量”概念正確，它是利用雷達(dá)成像傳感器獲取被測(cè)對(duì)象的圖像信息，通過(guò)加工、處理和分析，獲取被測(cè)對(duì)象的形狀、大小、空間位置、性質(zhì)[3]及相互關(guān)系等有價(jià)值的可靠信息的理論和技術(shù)，是攝影測(cè)量的重要分支之一。雷達(dá)攝影測(cè)量中，合成孔徑雷達(dá)(synthetic aperture radar，SAR)技術(shù)和合成孔徑雷達(dá)干涉測(cè)量(interferometric synthetic aperture radar，InSAR)技術(shù)各有所長(zhǎng)。

在測(cè)繪生產(chǎn)中，光學(xué)攝影測(cè)量技術(shù)應(yīng)用較多，但隨著近年來(lái)國(guó)家西部大開(kāi)發(fā)戰(zhàn)略的實(shí)施和國(guó)家測(cè)圖工程的開(kāi)展，面向常年陰雨、云霧地區(qū)測(cè)繪的雷達(dá)攝影測(cè)量技術(shù)迅速發(fā)展和應(yīng)用，特別是具有快速、全天時(shí)、全天候、高精度等突出優(yōu)勢(shì)的InSAR技術(shù)已在全球地形測(cè)繪中發(fā)揮了重要作用，受到廣泛關(guān)注。但I(xiàn)nSAR技術(shù)往往被視為與攝影測(cè)量不同的技術(shù)，容易忽視它與傳統(tǒng)光學(xué)攝影測(cè)量的共性。因此本文將分析、總結(jié)InSAR技術(shù)與傳統(tǒng)光學(xué)攝影測(cè)量技術(shù)的相通之處，提出用攝影測(cè)量觀念看待InSAR技術(shù)的理念，強(qiáng)調(diào)InSAR技術(shù)是一種廣義的攝影測(cè)量技術(shù)，結(jié)合測(cè)繪生產(chǎn)需求，設(shè)計(jì)InSAR測(cè)繪作業(yè)流程，給出一些需要注意的問(wèn)題。

二、InSAR簡(jiǎn)述

InSAR是利用具有一定視角差的兩部天線(或一部天線兩次經(jīng)過(guò))獲取被測(cè)對(duì)象具有相干性的復(fù)數(shù)圖像信息，并通過(guò)匹配、干涉圖濾波、相位解纏、基線估計(jì)、相位高程轉(zhuǎn)換等處理環(huán)節(jié)，由其干涉相位反演地形信息或者形變信息的理論和技術(shù)[5]。

如圖1所示，InSAR處理流程主要包括：主輔圖像匹配、預(yù)濾波、干涉圖生成、去平地效應(yīng)、干涉圖濾波、干涉質(zhì)量評(píng)價(jià)、相位解纏、基線估計(jì)、高程信息反演、DEM重建和正射影像制作等步驟。其中，預(yù)濾波和去平地效應(yīng)為可選步驟，在一些處理方案中可不采用。

InSAR技術(shù)已在全球高精度地形測(cè)繪中表現(xiàn)出了非凡優(yōu)勢(shì)[5]，它在常年多云、多雨、多霧地區(qū)的地形測(cè)繪中具有重要的應(yīng)用價(jià)值。但我國(guó)面向測(cè)繪生產(chǎn)的InSAR技術(shù)研究起步較晚，忽視了InSAR技術(shù)與傳統(tǒng)光學(xué)攝影測(cè)量技術(shù)之間的密切聯(lián)系，影響了我國(guó)InSAR技術(shù)的實(shí)用化進(jìn)程。

為了增進(jìn)對(duì)InSAR技術(shù)的理解，本文將總結(jié)InSAR與攝影測(cè)量之間的共性，提出了用攝影測(cè)量觀念理解InSAR技術(shù)的理念，以期借鑒現(xiàn)有的攝影測(cè)量生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)實(shí)用化的InSAR測(cè)繪生產(chǎn)方案。

圖1 InSAR處理流程

三、InSAR與光學(xué)攝影測(cè)量的共性

(1)均利用電磁波成像

雖然傳統(tǒng)的攝影是利用可見(jiàn)光成像，屬于被動(dòng)成像方式，而雷達(dá)成像依靠雷達(dá)系統(tǒng)發(fā)射微波成像，屬于主動(dòng)成像方式，但不管是可見(jiàn)光還是微波，它們都屬于廣義的電磁波，利用它們獲取被測(cè)目標(biāo)的圖像均屬于廣義的攝影范疇。

(2)成像時(shí)均滿足角分辨率的理論公式

無(wú)論是光學(xué)成像，還是雷達(dá)成像，它們都屬于電磁波成像，在成像規(guī)律上存在同一性。對(duì)于真實(shí)孔徑成像，若以ρθ表示角分辨率;λ表示波長(zhǎng);D表示孔徑大小;k表示經(jīng)驗(yàn)系數(shù)。則它們都滿足角分辨率的理論公式

從式(1)可以看出，在孔徑相通的條件下，波長(zhǎng)越長(zhǎng)，角分辨率越低，而微波波長(zhǎng)比光波波長(zhǎng)大幾個(gè)數(shù)量級(jí)，所以真實(shí)孔徑雷達(dá)成像的角分辨率較低。為了提高成像分辨率，已廣泛采用合成孔徑雷達(dá)成像方式，即利用相干方式成像來(lái)提高分辨率，這容易引起誤解：SAR成像和光學(xué)成像存在本質(zhì)差異。

如前所述，若采用真實(shí)孔徑成像方式，雷達(dá)成像分辨率要比光學(xué)成像分辨率低幾個(gè)數(shù)量級(jí)，因此為了提高分辨率，雷達(dá)成像一般采用合成孔徑方式。而目前的光學(xué)成像系統(tǒng)即使采用真實(shí)孔徑方式成像，分辨率也能滿足大量應(yīng)用需求，所以往往忽視光學(xué)相干成像方式。實(shí)際上，無(wú)論是雷達(dá)系統(tǒng)還是光學(xué)系統(tǒng)，均可采用相干成像方式提高成像的分辨率，其分辨率極限均取決于所采用的電磁波信號(hào)的帶寬。所以，為了進(jìn)一步提高光學(xué)系統(tǒng)的成像分辨率，采用合成孔徑方式成像必將成為重要的發(fā)展方向。

(3)所得圖像都是從三維空間向二維平面的投影

傳統(tǒng)光學(xué)攝影采用的是中心投影方式，滿足像點(diǎn)、投影中心、物點(diǎn)3點(diǎn)共線的條件，可用共線條件方程來(lái)表達(dá)物點(diǎn)和像點(diǎn)之間的關(guān)系;SAR成像采用的是距離投影，滿足天線相位中心與物點(diǎn)之間的距離與像點(diǎn)所代表的距離相等條件，可用距離條件和多普勒條件表示物點(diǎn)和像點(diǎn)之間的關(guān)系。

換言之，光學(xué)圖像和SAR圖像都是對(duì)三維空間的二維投影，其物點(diǎn)和像點(diǎn)之間的關(guān)系均可由兩個(gè)方程式構(gòu)成的方程組來(lái)表達(dá)，區(qū)別僅是方程的形式不同。

對(duì)于光學(xué)圖像，若以(x，y)表示像點(diǎn)坐標(biāo)，(x0，y0，-f)表示攝影像片的內(nèi)方位元素;(X，Y，Z)表示地面點(diǎn)坐標(biāo);(XS，YS，ZS)表示攝站點(diǎn)坐標(biāo);(ai，b，ci)(i=1，2，3)表示方向余弦。則攝影時(shí)的共線條件方程可表達(dá)為

對(duì)于SAR圖像，若以(x，y)表示SAR斜距圖像像點(diǎn)坐標(biāo);(X，Y，Z)表示地面點(diǎn)坐標(biāo);Ds0表示近距延遲;My表示圖像的斜距向采樣間隔;λ表示雷達(dá)波波長(zhǎng);fdc表示多普勒頻移;P表示目標(biāo)點(diǎn)的位置矢量;表示目標(biāo)點(diǎn)的速度矢量;矢量A表示天線相位中心的位置矢量;表示天線相位中心的速度矢量。則SAR成像時(shí)滿足的方程為

(4)都離不開(kāi)三角形交會(huì)

無(wú)論是光學(xué)立體攝影測(cè)量，還是InSAR測(cè)量，其基本原理都離不開(kāi)三角形交會(huì)。如圖2所示，光學(xué)立體攝影測(cè)量采用的是兩條直線相交，可理解為是角度交會(huì);而InSAR采用的是兩個(gè)圓弧相交，可理解為距離交會(huì)。

圖2 交會(huì)三角形

(5)均利用“視差”測(cè)量

在光學(xué)立體攝影測(cè)量中，左右視差與被測(cè)目標(biāo)的高度(深度)密切聯(lián)系，左右視差的變化直接反應(yīng)了高度的變化;在InSAR中，地面高程的變化反映在干涉相位的變化中，其干涉相位與左右視差存在密切聯(lián)系。若用p表示左右視差;Δφ表示解纏干涉相位;φ0表示干涉相位偏置;Mr表示距離向采樣間隔。則以像素?cái)?shù)表達(dá)的左右視差與干涉相位的關(guān)系為

重復(fù)軌道InSAR

雙天線InSAR

在InSAR中，要求基線較短，此時(shí)干涉相位的變化對(duì)應(yīng)的視差變化較小，因而一般目視難以發(fā)現(xiàn)其變化。

近幾年快速發(fā)展的小基高比(短基線)光學(xué)攝影測(cè)量方法與InSAR測(cè)量方法存在很多相似之處，在短基線條件下，提高視差測(cè)量精度是提高目標(biāo)測(cè)量精度的關(guān)鍵，因而需要重視相位信息的利用。

(6)為減少對(duì)控制點(diǎn)數(shù)量的需求，均需采用區(qū)域網(wǎng)平差方法

在可見(jiàn)光攝影測(cè)量生產(chǎn)作業(yè)中，通常采用區(qū)域網(wǎng)平差方法由少量地面控制點(diǎn)加密出測(cè)圖用的大量地面控制點(diǎn)，從而實(shí)現(xiàn)稀疏控制條件下的大面積測(cè)圖。

在前期InSAR研究和處理中，由于缺乏實(shí)際測(cè)繪生產(chǎn)需求牽引，忽視了對(duì)區(qū)域網(wǎng)平差技術(shù)的研究，同時(shí)也給人們?cè)斐闪恕癐nSAR與攝影測(cè)量不同，無(wú)需區(qū)域網(wǎng)平差”的觀念。但隨著國(guó)家西部測(cè)圖工程的實(shí)施，如何在大區(qū)域范圍內(nèi)采用盡量少的地面控制點(diǎn)進(jìn)行InSAR地形測(cè)圖問(wèn)題擺在我們面前。若不采用區(qū)域網(wǎng)平差方法進(jìn)行InSAR處理，將存在以下問(wèn)題：

1)對(duì)于每個(gè)干涉像對(duì)，都需要足夠數(shù)量、分布合理的地面控制點(diǎn)。在大區(qū)域范圍內(nèi)完成所有干涉像對(duì)的干涉處理就需要大量、分布合理的地面控制點(diǎn)，從而需要消耗大量的時(shí)間、人力和財(cái)力;

2)試驗(yàn)結(jié)果表明，由于干涉參數(shù)解算誤差的存在，不同干涉數(shù)據(jù)獲取的DEM及正射影像之間存在較大的相對(duì)誤差，影響了后續(xù)處理。因此，對(duì)于In-SAR處理而言，仍需借鑒傳統(tǒng)攝影測(cè)量中已成熟運(yùn)用的區(qū)域網(wǎng)平差思想，由少量的地面控制點(diǎn)，通過(guò)各干涉像對(duì)之間的同名連接點(diǎn)，解算各干涉像對(duì)的干涉參數(shù)并加密測(cè)圖用的大量地面控制點(diǎn)。

(7)均可利用多基線策略提高穩(wěn)健性

在突變地形、高樓林立的城市等特殊條件下，均需要采用多基線技術(shù)來(lái)解決病態(tài)問(wèn)題，提高測(cè)量的可靠性和穩(wěn)健性。

在傳統(tǒng)光學(xué)攝影測(cè)量中，為了減小攝影測(cè)量處理中的病態(tài)問(wèn)題，提高影像匹配的自動(dòng)化程度和攝影測(cè)量的精度，往往采用多基線攝影測(cè)量方式。

在面向陡峭地形、城市等復(fù)雜情況測(cè)圖時(shí)，InSAR技術(shù)難以有效發(fā)揮作用。若基線較短，獲取的高程精度較低;若基線較長(zhǎng)，雖然理論上能獲取較高的高程精度，但由于疊掩、相位欠采樣等因素的影響，很難有效地進(jìn)行干涉圖濾波和相位解纏，給其測(cè)繪應(yīng)用帶來(lái)困難。為了提高對(duì)復(fù)雜地表的干涉處理能力，也需采用多基線技術(shù)，它與多基線攝影測(cè)量技術(shù)具有相通性，充分利用不同基線干涉數(shù)據(jù)之間的互補(bǔ)信息，提高干涉測(cè)量的精度和可靠性。

(8)均涉及影像鑲嵌、判讀、調(diào)繪、控制點(diǎn)測(cè)量等

與光學(xué)攝影測(cè)量類似，InSAR測(cè)繪作業(yè)包括內(nèi)業(yè)和外業(yè)兩大部分。內(nèi)業(yè)工作主要包括成像處理、干涉處理、同名點(diǎn)選點(diǎn)、影像判繪、矢量數(shù)據(jù)采集、編輯、控制點(diǎn)加密、干涉參數(shù)定標(biāo)等工作;外業(yè)工作主要包括控制點(diǎn)布設(shè)、控制點(diǎn)測(cè)量、野外調(diào)繪等工作。

四、InSAR測(cè)繪作業(yè)流程設(shè)計(jì)

借鑒光學(xué)攝影測(cè)量作業(yè)方案，設(shè)計(jì)了如圖3所示的InSAR測(cè)繪作業(yè)流程，主要包括：成像處理、輻射校正、幾何參數(shù)與干涉參數(shù)定標(biāo)和控制點(diǎn)加密、干涉處理、DEM和正射影像的鑲嵌與分幅、矢量采集與編輯、調(diào)繪等關(guān)鍵步驟。

圖3 InSAR測(cè)繪作業(yè)流程

在InSAR測(cè)繪作業(yè)中，需要注意以下細(xì)節(jié)問(wèn)題：

1)對(duì)于相位解纏，應(yīng)考慮相干性的影響，需考慮解纏的正確性和精度，而不是單純地為了完成所有干涉數(shù)據(jù)的相位解纏。對(duì)于陰影、疊掩、水域及其他相干性較低的區(qū)域，可不進(jìn)行解纏，而采用其他處理策略，以免影響后續(xù)處理。

2)由于噪聲等因素的影響，獲取的DEM中存在粗差，因此，干涉處理中需考慮DEM的粗差探測(cè)、剔除和人工編輯等工作。

3)為了減少系統(tǒng)誤差積累，在SAR成像和干涉處理時(shí)，應(yīng)采用方位向分塊處理策略，而不是盡量大范圍一次成像和干涉處理。

4)在布設(shè)地面控制點(diǎn)時(shí)，應(yīng)考慮周邊、均勻布設(shè)方案。

5)大區(qū)域InSAR處理時(shí)，應(yīng)考慮各航線之間的適度重疊，以利于連接點(diǎn)選取、區(qū)域網(wǎng)平差和控制點(diǎn)加密等工作。

五、結(jié)束語(yǔ)

本文從攝影測(cè)量和雷達(dá)干涉測(cè)量的基本概念出發(fā)，分析、總結(jié)了傳統(tǒng)光學(xué)攝影測(cè)量和雷達(dá)干涉測(cè)量之間的共同點(diǎn)，結(jié)合雷達(dá)干涉測(cè)量在實(shí)際測(cè)繪生產(chǎn)中所面臨的問(wèn)題，提出了用攝影測(cè)量觀念理解InSAR技術(shù)的理念，設(shè)計(jì)了InSAR測(cè)繪作業(yè)流程，給出了一些需要注意的細(xì)節(jié)問(wèn)題。

本文觀點(diǎn)是筆者結(jié)合攝影測(cè)量教學(xué)實(shí)踐和In-SAR技術(shù)的理論及應(yīng)用研究提出的，僅代表個(gè)人觀點(diǎn)，不妥之處敬請(qǐng)各位專家和同行批評(píng)指正。

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