苗小利

(西安煤航技術(shù)發(fā)展研究院，陜西西安710054)

一、引 言

機(jī)載干涉合成孔徑雷達(dá)(InSAR)技術(shù)，經(jīng)過近20年的研究，其理論日臻成熟，并且由于雷達(dá)干涉測量具有全天時、全天候工作的優(yōu)點(diǎn)，可以直接獲取地形的高程信息，其應(yīng)用領(lǐng)域也得到不斷推廣。許多歐美國家已將實(shí)用化的機(jī)載高分辨率InSAR技術(shù)作為一種新的、先進(jìn)的技術(shù)手段，逐漸應(yīng)用于地形測繪方面;而我國地形測繪應(yīng)用則處于起步階段，“十一五”期間，在國家863計(jì)劃的支持下，筆者所在單位在四川省綿陽試驗(yàn)區(qū)進(jìn)行了4000多平方千米的飛行掃描，開展了機(jī)載InSAR測制1∶10 000 DEM、DOM、DLG的示范應(yīng)用研究。本文介紹了這次試驗(yàn)的工藝流程和作業(yè)方法，分析了3D數(shù)字測繪成果的精度及其影響因素。

二、機(jī)載InSAR測制數(shù)字測繪成果工藝流程和方法

雷達(dá)干涉測量(InSAR)是基于時間測距的成像機(jī)理，利用雷達(dá)回波信號所攜帶的相位信息，以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]，直接獲得數(shù)字地表模型(DSM)，如圖 1(a)所示。通過濾波、編輯處理，生成數(shù)字高程模型(DEM)，如圖1(b)所示。

SAR影像則是由單視復(fù)型數(shù)據(jù)(SLC)的實(shí)部和虛部，計(jì)算出振幅值，然后進(jìn)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)，如圖2所示。

而DLG則是在上述DEM、DOM數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上測制而成，即從DEM數(shù)據(jù)派生出DLG的地貌要素?cái)?shù)據(jù)，如圖3(a)所示，從DOM數(shù)據(jù)測制DLG地物要素?cái)?shù)據(jù)，如圖3(b)所示，最后合并形成DLG成果，如圖3(c)所示。

圖1 DSM、DEM成果

圖2 DOM成果

圖3 DLG成果

綜上所述，機(jī)載 InSAR系統(tǒng)測制 DEM、DOM、DLG數(shù)字測繪成果的工藝流程如圖4所示。

上述工藝流程是基于單片機(jī)載InSAR數(shù)據(jù)，它具有以下優(yōu)點(diǎn)：

1)該工藝簡單明了，充分利用機(jī)載INSAR系統(tǒng)直接獲取高精度的DSM和DOM數(shù)據(jù)。

圖4 機(jī)載InSAR系統(tǒng)測制3D成果工藝流程

2)采用該工藝生產(chǎn)DLG產(chǎn)品，無須開發(fā)新的立體測圖系統(tǒng)，節(jié)省了生產(chǎn)成本，有利于新技術(shù)的推廣應(yīng)用。

3)可以實(shí)現(xiàn)一項(xiàng)任務(wù)多人作業(yè)的生產(chǎn)方式，提高了生產(chǎn)效率。

三、DEM、DOM、DLG 成果精度

基于上述工藝流程和作業(yè)方法，在綿陽試驗(yàn)區(qū)內(nèi)測制完成了10幅1∶10 000比例尺的3D數(shù)字測繪成果，并抽查了3幅DEM、1幅DOM、1幅DLG成果，所用檢測點(diǎn)均勻分布在圖內(nèi)、包括了各種地形地貌以及困難地區(qū)，其精度見表1～表3。

由統(tǒng)計(jì)結(jié)果可知，采用機(jī)載InSAR系統(tǒng)測制的DEM成果高程中誤差在±0．5m左右，DOM成果的平面中誤差約為±2．7 m，DLG成果的平面中誤差約為±2．5 m、等高線及高程注記點(diǎn)高程中誤差在±0．9m左右。

表1 DEM高程精度統(tǒng)計(jì)

表2 DOM平面精度統(tǒng)計(jì)

表3 DLG平面、高程精度統(tǒng)計(jì)

四、精度分析

1．高程精度分析

由上述工藝流程可知，DEM的高程精度直接影響著數(shù)字測繪成果的高程精度，而影響DEM的高程精度有以下幾個方面因素。

1)成像雷達(dá)系統(tǒng)參數(shù)：通過成像雷達(dá)系統(tǒng)參數(shù)、姿態(tài)參數(shù)和軌道間的幾何關(guān)系，可以重建地面高程模型，因此成像雷達(dá)系統(tǒng)的參數(shù)直接影響著DEM的質(zhì)量。本文采用中科院電子學(xué)所自主研發(fā)的機(jī)載雙天線、X波段的InSAR系統(tǒng)，研制中充分考慮到基線長度、基線傾角、干涉相位、飛行(平臺)高度、雷達(dá)距離等因素對高程測量精度的影響，并給出了以上因素對高程測量誤差的指標(biāo)要求，從系統(tǒng)設(shè)計(jì)與研制環(huán)節(jié)上保證了高程測量精度優(yōu)于0．5m，這一點(diǎn)從表1的高程精度統(tǒng)計(jì)中也可反映出。

2)干涉測量困難地區(qū)：即易產(chǎn)生疊掩和陰影的區(qū)域，包括高山區(qū)、水域、高植被區(qū)、城鎮(zhèn)居民區(qū)等，這是受側(cè)視雷達(dá)成像機(jī)制的制約，在這些區(qū)域中，或因地形起伏不可避免地產(chǎn)生陰影現(xiàn)象，陰影區(qū)沒有回波信號，相干性差，嚴(yán)重影響DEM質(zhì)量;或因水域部分產(chǎn)生鏡面反射，也無法接收到回波信號，繼而影響DEM質(zhì)量;或因高植被區(qū)域，X波段不能穿透樹冠樹葉到達(dá)地面，無法得到地面的回波信號，因此影響DEM質(zhì)量。為此，對密集建筑物區(qū)域、森林、道路、水域等區(qū)域的高程精度進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)(見表4)，明顯看出，這些地區(qū)的高程精度較低。

表4 困難地區(qū)高程精度統(tǒng)計(jì)

3)DEM濾波和編輯處理：除了上述兩種客觀因素的影響，后期的濾波和編輯處理也影響著DEM的精度。對于DEM濾波方法有多種，每種方法都各自有其優(yōu)缺點(diǎn)，適用范圍也不盡相同，但一般都還需要后期的人機(jī)交互式濾波和編輯。特別是小范圍的“異常區(qū)”(如圖5(a)所示)、靜止水面(如圖5(b)所示)、流動水域(如圖5(c)所示)、建筑物區(qū)域(如圖5(d)所示)、樹林區(qū)(如圖5(e)所示)等，都需要經(jīng)過人機(jī)交互編輯處理后，使“異常區(qū)”正常、靜止水面置平、流動水域平緩過渡、建筑物區(qū)域及樹林區(qū)合理，如圖6所示。

圖5 DSM所生成的等高線

圖6 DEM所生成的等高線

表5統(tǒng)計(jì)了稻田區(qū)域進(jìn)行濾波和編輯處理前后的高程精度，從統(tǒng)計(jì)結(jié)果可以看出，采用正確的濾波和編輯處理方法，能夠有效地提高高程精度。

2．平面精度分析

為了得到困難地區(qū)的平面精度，就房屋、道路交叉口、池塘等成像地物，對其DOM進(jìn)行了平面精度統(tǒng)計(jì)，結(jié)果如表6所示。

表5 濾波前后DEM精度統(tǒng)計(jì)

表6 1∶10 000困難地區(qū)平面精度統(tǒng)計(jì)

由表6統(tǒng)計(jì)可知，困難地區(qū)能夠成像地物的平面中誤差小于3m，高程中誤差為±1．08 m，由此可知，機(jī)載InSAR技術(shù)的困難地區(qū)對高程影響較大，對成像地物的平面精度影響不大。

五、結(jié)束語

綜上所述，通過試驗(yàn)區(qū)的實(shí)踐，獲取了大量的試驗(yàn)數(shù)據(jù)和檢測數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)表明，我國自主研發(fā)的機(jī)載InSAR系統(tǒng)及其數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，經(jīng)過多年的不斷完善和改進(jìn)，達(dá)到了設(shè)計(jì)的標(biāo)稱精度;通過干涉處理獲取DSM的高程精度優(yōu)于航空攝影測量;在此技術(shù)上生產(chǎn)的 DEM、DOM、DLG產(chǎn)品滿足1∶10 000國家規(guī)范的精度要求。因此，機(jī)載InSAR系統(tǒng)有效地彌補(bǔ)了航空攝影測量受制于天氣的不足，由于其具有即時飛行、成圖周期短的優(yōu)勢，形成了一條高速的從數(shù)據(jù)獲取、數(shù)據(jù)處理、智能信息提取、基礎(chǔ)地理信息建庫、更新等部分組成的全數(shù)字化數(shù)據(jù)鏈，必將為國民經(jīng)濟(jì)建設(shè)和國防建設(shè)提供高效快速的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)保障。

[1]廖明生林琿．雷達(dá)干涉測量——原理與信號處理基礎(chǔ)[M]．北京：測繪出版社，2003：36-41．

[2]宋建社，鄭永安，袁禮海．合成孔徑雷達(dá)圖像理解與應(yīng)用[M]．北京：科學(xué)出社，2008，P57-59．

[3]CURIANDER J C，MCDONOUGH R N．Synthetic Aperture Radar：Systems and Signal Processing[M]．[S．L．]：WILEY，1991．

[4]丁瓊，劉國祥，蔡國林，等．InSAR DEM精度與地形特征的關(guān)系分析[J]．測繪科學(xué)，2009，1(1)：147-148．