□ 郄惠強(qiáng)張偉東董震宋建剛

（1.黑龍江地理信息工程院，黑龍江哈爾濱150081；2.黑龍江農(nóng)墾勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，黑龍江哈爾濱150090）

基于機(jī)載雷達(dá)（SAR）影像生產(chǎn)1∶50000數(shù)字高程模型（DEM）方法的研究

□ 郄惠強(qiáng)1張偉東2董震1宋建剛1

（1.黑龍江地理信息工程院，黑龍江哈爾濱150081；2.黑龍江農(nóng)墾勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，黑龍江哈爾濱150090）

簡(jiǎn)要介紹了利用機(jī)載雷達(dá)（SAR）影像進(jìn)行1∶5萬(wàn)數(shù)字高程模型（DEM）的試驗(yàn)生產(chǎn)，通過(guò)具體的生產(chǎn)過(guò)程，對(duì)機(jī)載雷達(dá)影像生產(chǎn)1∶50000 DEM的數(shù)據(jù)特點(diǎn)、生產(chǎn)流程、精度指標(biāo)等方面進(jìn)行了分析研究，為機(jī)載雷達(dá)影像批量化生產(chǎn)DEM產(chǎn)品提供了相應(yīng)的生產(chǎn)技術(shù)流程及質(zhì)量控制方法。

機(jī)載SAR影像；數(shù)字高程模型；干涉DEM；立體DEM

引言

隨著測(cè)繪技術(shù)的快速發(fā)展，雷達(dá)影像測(cè)量技術(shù)的重要性已經(jīng)突顯出來(lái)。雷達(dá)影像測(cè)量技術(shù)有力地克服了因測(cè)區(qū)自然地理環(huán)境艱難、氣候條件復(fù)雜而帶來(lái)的光學(xué)影像無(wú)法成圖的不利局面，具有效率高、勞動(dòng)強(qiáng)度低等優(yōu)點(diǎn)，是空間數(shù)據(jù)采集的極為有效的手段，在基礎(chǔ)地理信息產(chǎn)品生產(chǎn)中具有很強(qiáng)優(yōu)勢(shì)。

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和社會(huì)的進(jìn)步，各部門(mén)對(duì)地理信息產(chǎn)品的需求也越來(lái)越大，地理信息產(chǎn)品的及時(shí)更新成為必然發(fā)展要求。雷達(dá)影像測(cè)量技術(shù)為縮短地圖更新周期，減少生產(chǎn)成本，提高空間信息獲取的實(shí)時(shí)性提供了有效方法。雷達(dá)影像測(cè)量技術(shù)可以大幅度提高數(shù)據(jù)處理效率、減少地面控制工作、縮短地圖更新周期。

雷達(dá)影像測(cè)量技術(shù)在提高測(cè)繪保障能力方面所發(fā)揮的作用也越來(lái)越大，它能為國(guó)土資源調(diào)查、生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)、災(zāi)害預(yù)防、資源開(kāi)發(fā)、國(guó)防安全等方面提供強(qiáng)有力的基礎(chǔ)地理信息保障。所以，利用雷達(dá)影像獲得基礎(chǔ)地理信息產(chǎn)品成為測(cè)繪技術(shù)發(fā)展的必然趨勢(shì)。

1.機(jī)載SAR影像的獲取

此次選擇不同地形類(lèi)別的2幅機(jī)載SAR影像進(jìn)行試生產(chǎn)，應(yīng)用SAR正射糾正技術(shù)、SAR干涉測(cè)量技術(shù)和SAR立體測(cè)量技術(shù)進(jìn)行DEM生產(chǎn)試驗(yàn)。

機(jī)載SAR影像數(shù)據(jù)是利用我國(guó)自主研制的我國(guó)首套機(jī)載多波段多極化干涉SAR數(shù)據(jù)獲取集成系統(tǒng)獲取的。該系統(tǒng)具有X和P兩個(gè)波段的傳感器，通過(guò)系統(tǒng)集成，形成了在統(tǒng)一的飛控系統(tǒng)的控制下，具備同時(shí)獲取兩個(gè)波段的SAR數(shù)據(jù)和輔助數(shù)據(jù)的能力。在實(shí)際獲取影像時(shí)，根據(jù)地形條件和用途在不同區(qū)域分別獲取了四個(gè)側(cè)視方向的2.5米分辨率的X波段干涉數(shù)據(jù)、P波段極化數(shù)據(jù)及相應(yīng)的POS數(shù)據(jù)用于生產(chǎn)試驗(yàn)。

影像數(shù)據(jù)預(yù)處理主要包括極化合成、濾波去噪等，對(duì)于P波段數(shù)據(jù)的四種極化方式HH、VV、HV和VH，按照HH、HV、VV的順序進(jìn)行彩色合成，并對(duì)彩色合成影像進(jìn)行線性增強(qiáng)處理，形成真實(shí)反映地表特征的最佳色彩效果。

2.機(jī)載SAR影像的定向

首先利用機(jī)載SAR糾正模塊OrthSAR，在每張雷達(dá)影像上選取一個(gè)地形或地物特征，然后在SPOT-5 HRS和雷達(dá)影像上選取同名點(diǎn)，利用光學(xué)立體影像加密成果解算得到雷達(dá)影像加密點(diǎn)，最后把所得到的大地坐標(biāo)返回到OrthSAR軟件中，利用雷達(dá)數(shù)據(jù)飛行中的同步獲得的POS數(shù)據(jù)，進(jìn)行定向。

2.1 影像同名點(diǎn)選刺

影像同名點(diǎn)選刺如圖1所示。

圖1 雷達(dá)影像和光學(xué)影像同名點(diǎn)

2.2 影像加密作業(yè)流程

影像加密作業(yè)流程如圖2所示。

圖2 雷達(dá)影像加密流程圖

3.干涉DEM的生成

3.1 干涉生成DEM流程

干涉生成DEM是從覆蓋同一地區(qū)的兩幅雷達(dá)干涉影像對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)中提取相位差，并借助獲取SAR數(shù)據(jù)的瞬間儀器生成的姿態(tài)數(shù)據(jù)（POS）生成DEM。干涉生成DEM流程如圖3所示。

圖3 干涉生成DEM流程圖

3.2 數(shù)據(jù)預(yù)處理

需處理的干涉圖是從原始數(shù)據(jù)直接處理得出的，其近距端存在無(wú)效數(shù)據(jù)，遠(yuǎn)距端數(shù)據(jù)信噪比比較低，干涉效果比較差，甚至?xí)绊懙胶罄m(xù)的處理結(jié)果，因此需要裁剪，如圖4、圖5所示。

圖4 影像近距無(wú)效區(qū)和遠(yuǎn)距噪聲噪聲較高區(qū)域裁剪示意

圖5 影像航向重疊裁剪示意

3.3 選刺控制點(diǎn)

利用X波段獲得的干涉影像數(shù)據(jù)對(duì)照已有的加密條帶立體數(shù)據(jù)找到同名點(diǎn)，然后用光學(xué)影像平差軟件PixelGrid進(jìn)行同名點(diǎn)坐標(biāo)解算，最后把所得到的點(diǎn)位坐標(biāo)返回到OrthSAR軟件中，輔助雷達(dá)數(shù)據(jù)飛行中同步獲得的POS數(shù)據(jù)進(jìn)行定向，以消除定向誤差。

3.4 平地效應(yīng)去除

平地效應(yīng)就是水平面上高度相同的兩個(gè)物體由于衛(wèi)星的距離不同所產(chǎn)生的相位差異。造成種現(xiàn)象的根本原因是合成孔徑雷達(dá)采用的是斜距成像的方式，它是依據(jù)接收信號(hào)的先后順序成像的，先接收的信號(hào)先記錄。

平地效應(yīng)的存在使得干涉條紋過(guò)于密集，對(duì)于相位解纏造成很大的困難，因此需要將其去除以方便相位解纏處理。所以利用機(jī)載POS數(shù)據(jù)以及POS與天線之間的幾何關(guān)系，可以計(jì)算出兩天線的坐標(biāo)，并進(jìn)一步計(jì)算出基線向量，利用直接定位的方法可以計(jì)算出視向量并單位化，將基線向量與單位化后視向量點(diǎn)乘所得數(shù)值近似看作兩天線對(duì)于同一目標(biāo)的斜距差，并從干涉相位中扣除斜距差對(duì)應(yīng)的相位。

3.5 相位濾波和相位解纏

由于噪聲的存在，需要對(duì)去平后的干涉條紋圖進(jìn)行濾波。輸入去濾波后的干涉圖，程序自動(dòng)檢索相干質(zhì)量圖、創(chuàng)建掩膜圖和解纏后相位圖，從參數(shù)文件中讀取解纏參考點(diǎn)的行列號(hào)、影像寬度，并設(shè)置相干性閾值。

3.6 相高轉(zhuǎn)換和DEM改正

在解纏之后，即要對(duì)解纏后的相位值進(jìn)行相高轉(zhuǎn)換，以獲得該地區(qū)的高程信息。在相高轉(zhuǎn)換過(guò)程中，首先將去平步驟中去除的平地相位再加入到解纏后的相位中，再根據(jù)相位差、天線位置、天線與目標(biāo)點(diǎn)的幾何關(guān)系等計(jì)算出目標(biāo)點(diǎn)的高程。

由于基線、斜距、平均高程等參數(shù)不準(zhǔn)確，使得計(jì)算得出的高程值不準(zhǔn)確，因此需要控制點(diǎn)對(duì)DEM進(jìn)行改正。無(wú)效區(qū)填充值，陰影或其他相干性差的區(qū)域在解纏時(shí)被掩膜掉，在相高轉(zhuǎn)換的時(shí)候這些區(qū)域的高程值為0，不利于后續(xù)的地理編碼，需要給一個(gè)值，默認(rèn)參數(shù)1即可。

3.7 干涉數(shù)據(jù)地理編碼和拼接

把經(jīng)過(guò)改正的DEM數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成TIF格式的數(shù)據(jù)，利用加密的控制點(diǎn)把每個(gè)干涉的DEM點(diǎn)進(jìn)行重新的地理編碼，即把每個(gè)DEM的點(diǎn)位投影到大地坐標(biāo)上。接下來(lái)要進(jìn)行單片干涉數(shù)據(jù)拼接，經(jīng)過(guò)編碼的干涉數(shù)據(jù)在拼接前要檢查。因?yàn)橛行﹩?wèn)題是飛機(jī)獲取干涉數(shù)據(jù)時(shí)存在許多影響干涉的因素，會(huì)形成干涉影像。

在排除各種質(zhì)量不好的干涉數(shù)據(jù)后，對(duì)每個(gè)單片的雷達(dá)干涉DEM進(jìn)行地理編碼，然后利用ERDAS軟件把單片的干涉數(shù)據(jù)鑲嵌起來(lái)，圖內(nèi)純黑色的為雷達(dá)干涉陰影區(qū)即無(wú)反射雷達(dá)波返回區(qū)域，豎直的黑白印是單片干涉數(shù)據(jù)拼接高程有差異的地方。

3.8 融合生成干涉DEM

DEM的處理方法有兩種，一是利用DEM軟件將兩個(gè)不同的側(cè)視方向進(jìn)行相互融合；二是利用已有的低精度DEM和干涉的DEM融合。融合的目的是把干涉數(shù)據(jù)中無(wú)雷達(dá)波反射的陰影區(qū)的DEM進(jìn)行補(bǔ)充，以得到完整的DEM成果。

4.立體DEM的生成

首先在已有的DLG數(shù)據(jù)中提取等高線和高程點(diǎn)作為DEM的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)源，然后在立體狀態(tài)下量測(cè)等高線無(wú)法表示的地形地貌特征處的特征點(diǎn)、線，最后使用等高線、高程點(diǎn)和特征點(diǎn)、線構(gòu)TIN，內(nèi)插生成立體DEM成果。如圖6所示。

5.結(jié)束語(yǔ)

圖6 立體DEM成果

在此次生產(chǎn)試驗(yàn)中，我們進(jìn)一步對(duì)所生產(chǎn)的DEM成果進(jìn)行了精度檢測(cè)。利用野外實(shí)測(cè)的控制點(diǎn)和內(nèi)業(yè)立體量測(cè)的檢測(cè)點(diǎn)對(duì)干涉DEM數(shù)據(jù)進(jìn)行了高程精度的檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果滿(mǎn)足1∶50000 DEM的生產(chǎn)精度要求，檢測(cè)點(diǎn)中誤差3.79米。利用野外實(shí)測(cè)的控制點(diǎn)和內(nèi)業(yè)立體量測(cè)的檢測(cè)點(diǎn)對(duì)立體DEM數(shù)據(jù)進(jìn)行了高程精度檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果滿(mǎn)足1∶50000 DEM的生產(chǎn)精度要求，丘陵地檢測(cè)點(diǎn)中誤差2.22米，山地檢測(cè)點(diǎn)中誤差6.07米。通過(guò)利用雷達(dá)影像進(jìn)行數(shù)字高程模型（DEM）的生產(chǎn)試驗(yàn)，使我們對(duì)雷達(dá)影像的數(shù)據(jù)特點(diǎn)、作業(yè)流程、精度指標(biāo)有了客觀的認(rèn)識(shí)和評(píng)價(jià)，為雷達(dá)影像生產(chǎn)DEM產(chǎn)品提供了確鑿的依據(jù)和技術(shù)支持。同時(shí)，也為機(jī)載雷達(dá)（SAR）影像的批量化生產(chǎn)DEM產(chǎn)品開(kāi)拓了思路，提供了相應(yīng)的生產(chǎn)技術(shù)流程及質(zhì)量控制方法。

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【2】曾齊紅.機(jī)載激光雷達(dá)點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理與建筑三維重建[D].上海：上海大學(xué)出版社，2009.

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郄惠強(qiáng)（1959年——），男，黑龍江哈爾濱人，測(cè)繪工程師，大專(zhuān)學(xué)歷，主要從事測(cè)繪內(nèi)業(yè)數(shù)字化生產(chǎn)管理工作。

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2095-7319（2014）04-0020-05