劉　暉

(四川省遙感信息測繪院，四川成都　610100)

合成孔徑雷達(dá)(synthetic aperture radar)是一種側(cè)視成像雷達(dá)，集合成孔徑技術(shù)，脈沖壓縮技術(shù)和數(shù)字信息處理技術(shù)于一體，作為遙感設(shè)備，其圖像分辨率基本上與光學(xué)圖像相當(dāng)，從它獲取的圖像里可以獲取豐富的信息。星載SAR使用微波傳感器，自身具有全天候、全天時(shí)高分辨率的成像探測能力，為獲取地球空間信息提供了重要手段。而星載SAR對于測繪應(yīng)用最大的優(yōu)勢在于它能夠不受天氣、氣候的影響，可以透過云層遮蓋獲取地面信息，這對于解決中國西部主要是四川盆地的遙感數(shù)據(jù)獲取具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。本文主要探討基于TerraSAR影像應(yīng)用于1∶10 000地形圖測繪的技術(shù)路線和可行的技術(shù)流程。

1　TerraSAR-X基本情況介紹

新型星載SAR衛(wèi)星發(fā)展至今，已經(jīng)在多個(gè)領(lǐng)域發(fā)揮著重要的不可替代的作用，在地形圖測繪方面也取得了一定的突破。SAR自身具備的高分辨率、多種成像模式、多極化和高質(zhì)量干涉數(shù)據(jù)的特點(diǎn)，SAR數(shù)據(jù)正越來越廣泛的應(yīng)用于基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)的測繪中。TerraSAR-X衛(wèi)星是目前比較主流的商業(yè)SAR衛(wèi)星，其基本技術(shù)參數(shù)見表1。

TerraSAR-X可提供1 m聚束模式的SAR影像和3 m條帶模式的SAR影像，同時(shí)可提供3 m重軌模式SAR干涉影像對和側(cè)視角相差在8°至20°之間的立體影像對。

表1　TerraSAR-X衛(wèi)星有關(guān)參數(shù)描述

2　基于TerraSAR-X影像的地形圖測繪

2.1　技術(shù)路線

全數(shù)字?jǐn)z影測量系統(tǒng)VirtuoZoSat(RPC模塊)充分利用了TerraSAR影像的相關(guān)軌道參數(shù)，建立立體模型開展立體測圖生產(chǎn)。TerraSAR本身提供了包含衛(wèi)星瞬時(shí)姿態(tài)RPC參數(shù)文件，為了便于理解，在實(shí)際生產(chǎn)過程中通俗的稱之為“外方位元素”。 TerraSAR影像提供的原始RPC文件記錄了衛(wèi)星在獲取影像時(shí)的位置和姿態(tài)參數(shù)，使用原始原始RPC定向還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足測繪地形圖的精度要求，必須做加密處理。TerraSAR影像的加密過程類似于普通的光學(xué)影像或是其他類型衛(wèi)星影像的加密過程，以外業(yè)控制點(diǎn)作為基礎(chǔ)，在立體影像中選擇明顯地物點(diǎn)作為加密點(diǎn)，通過平差計(jì)算后得到新的RPC文件，用于地形圖測繪。TerraSAR影像的加密過程本文不作詳細(xì)闡述，重點(diǎn)對于使用TerraSAR影像立體模型進(jìn)行地形圖測繪的技術(shù)路線和技術(shù)難點(diǎn)做一些探討。選取了四川中部山區(qū)和平地結(jié)合地區(qū)的1 m分辨率TerraSAR影像，進(jìn)行1∶10 000地形圖實(shí)驗(yàn)性生產(chǎn)，具體技術(shù)路線如下。

(1)影像處理：調(diào)整原始立體模型影像的直方圖，并進(jìn)行影像增強(qiáng)等處理，使影像反差適中，對地面要素的判讀達(dá)到最佳。

(2)TerraSAR影像加密：在原始RPC參數(shù)的基礎(chǔ)上通過加密和平差解算得到新的RPC參數(shù)，新的RPC參數(shù)符合地形圖測繪的精度要求。

(3)立體模型定向：使用加密后獲得的RPC參數(shù)，在VirtuoZoSat(RPC模塊)中建立立體模型，并裁切核線影像。

(4)利用VirtuoZoSat中立體測圖模塊進(jìn)行要素采集：主要對于道路、水系、居民地、附屬設(shè)施、植被等要素進(jìn)行判讀。

(5)對采集好的道路、水系、居民地、附屬設(shè)施、植被等要素進(jìn)行粗編輯：處理好各要素之間的關(guān)系并進(jìn)行符號化，粗編輯完成后制作外業(yè)工作底圖，供外業(yè)人員進(jìn)行野外核查。

2.2　TerraSAR影像立體模型建立方法

現(xiàn)在簡要介紹一下利用TerraSAR影像在VirtuoZoSat中建立立體模型的具體方法，基本思路和通常航空攝影測量的作業(yè)思路一致，大體可概括為：數(shù)據(jù)準(zhǔn)備、建立測區(qū)、建立模型、模型定向、核線生成。

(1)數(shù)據(jù)準(zhǔn)備：需要準(zhǔn)備原始影像和加密好的RPC文件，原始影像包括構(gòu)建立體模型需要的左、右影像(如圖1所示)。

圖1　TerraSAR立體模型左、右片

(2)在VirtuoZoSat中新建工程文件，設(shè)置基本參數(shù)(如圖2所示)。

圖2　新建工程

(3)將原始影像進(jìn)行格式轉(zhuǎn)換，使之成為VirtuoZoSat可以識別的格式(如圖3所示)。

圖3　TerraSAR影像引入

(4)模型建立好以后，開始在左、右影像中選擇連接點(diǎn)，也就是通常說的相對定向。連接點(diǎn)選擇完成后，進(jìn)行絕對定向計(jì)算，要求絕對定向單位權(quán)中誤差控制在一個(gè)像素以內(nèi)(如圖4所示)。

圖4　模型連接點(diǎn)選取

(5)由于TerraSAR影像像幅較大，為了用于地形圖生產(chǎn)，必須按照一定的范圍將立體模型劃分為多個(gè)子模型，可以根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)10 000分幅，也可以按照生產(chǎn)的要求進(jìn)行自定義劃分。運(yùn)行VirtuoZoSat工具菜單中的“創(chuàng)建子模型”，即可按照設(shè)定好的劃分范圍，將原始立體模型劃分為多個(gè)子模型，同時(shí)生成核線影像。

3　試生產(chǎn)情況

3.1　地表要素判讀情況

(1)居民地的判讀比較容易，特別是城區(qū)大面積居民地，由于街區(qū)的劃分較清晰，根據(jù)街區(qū)可明確劃分出成片的居民地。而城郊、鄉(xiāng)鎮(zhèn)、農(nóng)村散列居民地的判讀難度較大。主要原因在于TerraSAR影像在色彩反映上沒有特別明顯的區(qū)分，散列居民地由于四周植被、土質(zhì)的干擾，無法清晰準(zhǔn)確地加以區(qū)分(如圖5所示)。

圖5　城區(qū)大面積居民地

(2)街區(qū)的整體輪廓可以判斷，但是無法提取準(zhǔn)確的邊緣線，這是TerraSAR影像自身特點(diǎn)決定的。從圖5可以看出，城區(qū)街道線的邊緣無法準(zhǔn)確判讀，房屋、樹木等遮蓋影像街道邊線的提取。

(3)水系的提取相對容易，這也是由于水體對于雷達(dá)波的反射情況比較單一、在TerraSAR影像中反映出較深的顏色，如圖6中的河流和湖泊，比較容易判讀。同時(shí)，河流中的橋梁因?yàn)榉从吵鲚^水系為淺的顏色，也容易判讀。但是農(nóng)田地區(qū)用于灌溉的水渠在判讀上難度較大，經(jīng)過分析，如果溝渠寬度在3 m以上時(shí)，可以直接從影像中提取出輪廓(如圖6所示)。

圖6　水系

(4)交通要素在地形圖中是很重要的，在TerraSAR影像中是否能夠準(zhǔn)確判讀，也是我們最關(guān)心的。在經(jīng)過對影像的仔細(xì)分析后發(fā)現(xiàn)，公路和鐵路的大致輪廓可以根據(jù)經(jīng)驗(yàn)作初步判斷。規(guī)劃較好、鋪面平整、較寬的公路是比較容易判讀的，鐵路可參考相關(guān)資料進(jìn)行判讀。但是，從影像中僅僅可以判斷公路、鐵路的位置，對于公路的路面邊線卻無法準(zhǔn)確提取(如圖7所示)，主要原因在于公路邊的植被、陰影的遮擋。鐵路在1∶10 000地形圖中只需要采集中心線，參考相關(guān)資料可以準(zhǔn)確提取?？偟膩碚f，公路和水系一樣，只有當(dāng)寬度達(dá)到一定程度以后，才能直從TerraSAR影像直接提取，而農(nóng)村地區(qū)中的鄉(xiāng)村路、小路幾乎無法判讀。

圖7　鐵路和高速公路

(5)從整個(gè)TerraSAR影像反映的地表要素形態(tài)來看，植被在其中屬于幾乎無法判讀的一類要素，因此，測繪地形圖時(shí)，植被采集需要耗費(fèi)較多的外業(yè)工作量來完成。

(6)其他附屬要素、獨(dú)立地物均屬于無法判讀的要素，需要野外實(shí)地核查。

3.2　高程信息提取情況

(1)平坦地區(qū)反映地貌狀況時(shí)較多的采用高程點(diǎn)和地貌符號，可少量采集等高線，平坦地區(qū)按照每km2采集20個(gè)高程點(diǎn)的密度采集，山地按照每km215個(gè)高程點(diǎn)的密度采集。試生產(chǎn)過程中發(fā)現(xiàn)，TerraSAR影像構(gòu)建的立體模型，其立體效果遠(yuǎn)不如光學(xué)影像好，提取高程信息的難度較大。

(2)山地需要按照5 m等高距采集等高線，由于TerraSAR采用的是側(cè)視投影，在高差起伏較大的地區(qū)采集影像時(shí)，需要在山體兩側(cè)分別采集，其過程通常稱為升軌和降軌，如圖8所示。

圖8　升、降軌影像獲取

因?yàn)門erraSAR獲取影像的這種特點(diǎn)，在采集山地等高線的時(shí)候必須利用升軌影像和降軌影像對山體的兩側(cè)分別采集，這在實(shí)際生產(chǎn)中不利于生產(chǎn)效率的提高。

3.3　精度情況

試生產(chǎn)中采集了完整的一幅標(biāo)準(zhǔn)1∶10 000分幅地形圖，實(shí)地面積約23 km2，采集的要素包括了居民地、水系、交通、等高線、高程點(diǎn)這幾類可以在影像中直接判讀的要素，利用四川省空間框架建設(shè)項(xiàng)目加密成果中提取的20個(gè)備查點(diǎn)，分別對地形圖數(shù)據(jù)的平面和高程情況進(jìn)行精度評估，如表2、表3所示。

表2　平面中誤差統(tǒng)計(jì)　m

通過對平面、高程中誤差情況的分析，利用TerraSAR影像采集的1∶10 000地形圖平面精度能夠滿足1∶10 000地形圖生產(chǎn)規(guī)范的要求，而高程精度情況不夠理想，基本只能滿足高山地精度要求，需要進(jìn)一步研究和改進(jìn)。

表3　高程中誤差統(tǒng)計(jì)　m

4　與光學(xué)成像影像的比較

TerraSAR影像由于自身特點(diǎn)、以及成像方式和光學(xué)成像影像有所不同，在地形圖生產(chǎn)中在成本、質(zhì)量、效率等方面均有較大的差別，具體見表4。

表4　TerraSAR影像與光學(xué)成像影像的技術(shù)對照

從表4的比較可以看出，地形圖生產(chǎn)中，TerraSAR影像相對于光學(xué)成像影像僅僅在影像獲取難度、獲取成本、加密等方面具備一定優(yōu)勢，在對于地形圖最關(guān)鍵的精度問題上劣勢明顯，而生產(chǎn)效率也不夠理想，需要進(jìn)一步的探索技術(shù)解決方案。從以上結(jié)果也能夠看出，在西部受云霧影響的高山地區(qū)可以使用TerraSAR影像開展1∶10 000地形圖的生產(chǎn)。

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