王曉東

(中煤航測(cè)遙感局，西安 710199)

0 引言

機(jī)載雷達(dá)干涉測(cè)量(InSAR)技術(shù)，經(jīng)過近二十年的研究，其理論日臻成熟，并且由于雷達(dá)干涉測(cè)量具有以下優(yōu)點(diǎn)：①不依賴于太陽(yáng)光，而是利用自身發(fā)射的電磁波，可以全天時(shí)工作；②能夠穿云破霧，不受天氣影響，可以全天候工作；③雷達(dá)干涉測(cè)量可以直接獲取地形的高程信息。許多歐美國(guó)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, 廣泛應(yīng)用于地形測(cè)繪、森林測(cè)量、資源調(diào)查和環(huán)境制圖、地質(zhì)環(huán)境和災(zāi)害監(jiān)測(cè)等方面[1-3]。 我國(guó)也在近幾年開展了機(jī)載高分辨率InSAR技術(shù)在地形測(cè)繪方面的應(yīng)用研究。

由于機(jī)載InSAR不同于光學(xué)航空攝影所獲取的影像[4]，無(wú)法采用原有的像片調(diào)繪方法進(jìn)行地物的定性和定位。因此，本文針對(duì)這種機(jī)載InSAR新技術(shù)，研究其SAR影像的判讀定性和定位方法，從而解決基于SAR影像的調(diào)繪方法。

1 機(jī)載SAR影像的成像原理

由于SAR影像其特殊的側(cè)視成像機(jī)理，對(duì)于高出地表的地物，則產(chǎn)生頂?shù)孜灰片F(xiàn)象，即雷達(dá)波束到頂部A的時(shí)間比到底部B的時(shí)間短，頂部影像a先被記錄，底部影像b后被記錄，如圖1所示，因此頂部影像a和底部影像b的位置在單片SAR影像中不是同一位置(在正射投影中A與B、C與D被視為同一點(diǎn))，其影像中的定位產(chǎn)生了誤差Δr：

Δr=Δh/tanη， ΔR=Δh/cosη

圖1 地物高度引起的投影差Figure 1 Relief displacement caused by object height

2 基于機(jī)載SAR影像調(diào)繪

2.1 基于SAR影像地物性質(zhì)判讀

根據(jù)SAR影像進(jìn)行地物的性質(zhì)判讀，與光學(xué)影像判讀方法相似?？筛鶕?jù)SAR影像地物的直觀特征——形狀、色調(diào)、陰影等進(jìn)行地物性質(zhì)初步判斷。然后，結(jié)合背景知識(shí)，從地物空間分布規(guī)律、相互關(guān)系進(jìn)一步判斷，從而確定地物性質(zhì)。

2.1.1 形狀

SAR影像上各種形狀，是地表上各類物體外部輪廓的側(cè)視圖像。它們均按側(cè)視投影的成像規(guī)律，在影像上呈現(xiàn)出相應(yīng)的幾何形狀。所以，地物在影像上的形狀是判讀的重要特征之一。

平坦地面上的物體，在SAR影像上的形狀，與該物體平面形狀基本相似。例如：田塊、田埂、道路、和池塘河流等，如圖2所示。

傾斜面上的平面物體，由于SAR影像近距離壓縮的成像規(guī)律，使影像的形狀變形：即遠(yuǎn)離雷達(dá)天線的影像變寬，而靠近雷達(dá)天線的影像變窄，如圖3所示。

高出地面的物體，大多數(shù)地物在雷達(dá)圖像上形狀與其在人們的視覺中形狀相差很大，而且常常是實(shí)際目標(biāo)的部分輪廓[6]， 例如平頂樓房， 在雷達(dá)影

像上亮斑表現(xiàn)為“L”形。如圖4所示。

另外雷達(dá)影像上構(gòu)像的形狀，隨著投影差的大小而改變。因?yàn)槲矬w的高度和影像的位置不同，其頂部影像的位移值就各異。例如煙囪、獨(dú)立樹等，假設(shè)有幾座高度和大小均相同的煙囪，它們?cè)谟跋癫煌奈恢蒙蠘?gòu)像，其影像形狀就各不相同，如圖5所示，即遠(yuǎn)離雷達(dá)天線的地物投影差比靠近雷達(dá)天線的相同地物的投影差要小。

2.1.2 色調(diào)

SAR影像的色調(diào)是地物目標(biāo)后向散射回波強(qiáng)度的表現(xiàn)。光滑表面地物，對(duì)雷達(dá)波產(chǎn)生鏡面反射，幾乎沒有回波信號(hào)，因此該類地物在影像上的色調(diào)為黑色調(diào)，如水庫(kù)、道路等；粗糙表面地物，對(duì)雷達(dá)波產(chǎn)生漫反射，天線可以接收到較強(qiáng)回波，因此影像上的色調(diào)為亮色調(diào)，如房屋等；中等粗糙度地物，對(duì)雷達(dá)波產(chǎn)生混合反射，雷達(dá)天線可以接收到部分回波，在影像上為灰色調(diào)，如林地等。

所以，對(duì)于面狀要素除了形狀是其判讀的重要特征，影像的色調(diào)也是面狀要素判讀的另一重要特征，如圖6所示。

2.1.3 影像的陰影

機(jī)載SAR系統(tǒng)沿直線傳播的雷達(dá)波束受高大的地物目標(biāo)阻擋時(shí)，位于高大的地物目標(biāo)的背面就接收不到電磁波，因而也就不會(huì)有雷達(dá)回波，故在雷達(dá)圖像的相應(yīng)位置上出現(xiàn)暗區(qū)，此即為雷達(dá)陰影[7]。因此地面上該部分沒有回波返回雷達(dá)天線，從而在圖像上形成陰影。

適當(dāng)?shù)睦走_(dá)陰影增強(qiáng)了圖像的立體感， 突出了地物目標(biāo)特性，有利于目標(biāo)判讀，它是高出地面的物體較易判讀。但大面積的陰影，會(huì)造成陰影區(qū)內(nèi)的信息喪失，不利于地物目標(biāo)的判讀和信息提取。SAR影像中陰影是影像調(diào)繪的困難地區(qū)，對(duì)此區(qū)域應(yīng)采取實(shí)測(cè)的方法進(jìn)行地物的調(diào)繪。

圖2 平坦地面InSAR影像上地物形狀Figure 2 Level ground object form on InSAR image

圖3 迎面坡和背坡的壓縮變形Figure 3 Compressive deformations on apron slope and back slope

圖4 SAR影像上的L型疊掩結(jié)構(gòu)建筑物Figure 4 L typed layover structure building on SAR image

2.1.4 地物空間關(guān)系

自然界中，地面上各類地物之間的空間分布總是相互聯(lián)系的。掌握這種相互關(guān)系位置的規(guī)律，就可以由易于識(shí)別的物體影像，進(jìn)而判讀另一類物體。特別是某一地物在SAR影像不明顯時(shí)，通過與其位置關(guān)系緊密的地物影像，判讀出該地物。

參照上述判讀特征，當(dāng)判讀出鐵路與河渠相交時(shí)，可以判讀出橋梁的位置和性質(zhì)；而在公路與河溝相交處，不是橋就是涵洞；當(dāng)大車路在山腳終止，則

可以判讀出山洞或泉的位置。所以在SAR影像調(diào)繪中充分利用地物空間的相互關(guān)系，可以幫助我們進(jìn)一步確定地物的性質(zhì)。

2.2 基于SAR影像的地物定位

由于SAR影像數(shù)據(jù)中或多或少地存在著地形起伏、地物高度、疊掩、陰影等引起的定位誤差，因此要進(jìn)行地物調(diào)繪的定位，就必須了解影響定位精度的因素。

2.2.1 地形起伏、地物高度引起的像點(diǎn)位移

由于SAR影像其特殊的側(cè)視成像機(jī)理，對(duì)于高出地表的垂直地物，則產(chǎn)生頂?shù)孜灰片F(xiàn)象[8]，如圖7所示。因此頂部影像a和底部影像b的位置在單片SAR影像中不是同一位置，在影像中產(chǎn)生了Δr定位誤差。

由圖7幾何關(guān)系可知：

ΔR=Δh/cosη

(1)

Δr=Δh/tanη

(2)

其次，由于在單片SAR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(diǎn)，而底部的影像或因遮擋或?yàn)殛幱岸灰锥ㄎ弧Ｒ虼?，?duì)于垂直地物的定位，如果定位在地物影像的頂部位置，須經(jīng)過投影差改正，才能達(dá)到準(zhǔn)確定位的目的。

2.2.2 地球曲率引起的像點(diǎn)位移

對(duì)于測(cè)區(qū)范圍較大時(shí)，應(yīng)考慮地球曲率引起的像點(diǎn)位移， 而地球曲率引起的像點(diǎn)位移類似于地形起伏引起的像點(diǎn)位移[6]，如圖8所示。把地球表面上的點(diǎn)P到地球切平面的正射投影距離Δh視為地形起伏，可利用像點(diǎn)位移公式(2)來(lái)估計(jì)地球曲率所引起的像點(diǎn)位移，這里應(yīng)注意像點(diǎn)位移方向相反。

圖5 不同位置相同高度引起的投影差Figure 5 Relief displacements caused by different positions with same height

圖6 水域、房屋、田地、樹林影像色調(diào)Figure 6 Image hues of waters, houses, farmland and woods

圖7 地物高度引起的投影差Figure 7 Relief displacement caused by object height

圖8 地球曲率的影響Figure 8 Impacts from earth curvature

2.2.3 透視收縮和疊掩引起的定位誤差

當(dāng)局部地形傾角小于雷達(dá)波束的入射角時(shí)，產(chǎn)生透視收縮現(xiàn)象。同理，對(duì)于大于等于入射角時(shí)，出現(xiàn)疊掩效應(yīng)。當(dāng)?shù)匦蔚膬A角近似入射角時(shí)，整個(gè)傾斜區(qū)域變成為單一的分辨單元，整個(gè)傾斜面的散射能力被積累起來(lái)，產(chǎn)生了非常亮的像素。用于生成這些影像的地形校正程序在疊掩區(qū)域上以均勻地面像素間隔復(fù)制這種飽和強(qiáng)度值，因此在圖像上就形成了拖尾效應(yīng)，如圖9所示。

圖9 疊掩區(qū)域的拖尾效應(yīng)Figure 9 Smearing from layover area

疊掩區(qū)域影響定位精度，主要有兩方面，一是疊掩引起的頂?shù)椎怪?，因此，在調(diào)繪定位時(shí)，應(yīng)特別注意底部位置的準(zhǔn)確判斷，否則將影響定位精度；二是疊掩區(qū)的拖尾效應(yīng)“淹沒”了該區(qū)域的地物地貌的細(xì)節(jié)，這也直接影響到地物地貌的定位精度和性質(zhì)判讀，因此，必要時(shí)需采用測(cè)量?jī)x器進(jìn)行實(shí)地測(cè)量和調(diào)繪。

2.2.4 陰影引起的定位誤差

與疊掩有關(guān)的影像失真是雷達(dá)陰影。當(dāng)局部目標(biāo)以一個(gè)大于或等于發(fā)射波形的入射角的角度向雷達(dá)傾斜時(shí)，陰影就出現(xiàn)了，如圖10所示。當(dāng)陰影條件出現(xiàn)后，陰影區(qū)域不能散射任何信號(hào)[8]。也就是說，陰影區(qū)域的任何地物地貌信息將無(wú)法獲取，因此，陰影區(qū)域?qū)Χㄎ痪鹊挠绊懯秋@而易見的。對(duì)此區(qū)域應(yīng)采用實(shí)地測(cè)量的方法進(jìn)行準(zhǔn)確定位。

圖10 地形起伏引起的陰影區(qū)域Figure 10 Shadow area caused by topographic relief

3 基于SAR影像調(diào)繪方法的應(yīng)用

根據(jù)機(jī)載SAR成像原理，以及SAR影像中存在的像點(diǎn)位移，我們先后開發(fā)了“定位誤差糾正系統(tǒng)”、“垂直地物高度測(cè)量系統(tǒng)”，以期解決調(diào)繪中的定位和高度量測(cè)問題，并應(yīng)用于約40km2的外業(yè)調(diào)繪項(xiàng)目中。后期又采用實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)其調(diào)繪成果進(jìn)行了精度評(píng)估，詳見表1。經(jīng)計(jì)算統(tǒng)計(jì)，調(diào)繪成果定位中誤差為0.87m，滿足國(guó)家規(guī)范要求(規(guī)范要求：1∶10 000比例尺為 5 m)。

表1 調(diào)繪成果精度評(píng)估

4 結(jié)論

基于SAR影像調(diào)繪方法不同于光學(xué)影像調(diào)繪，影像判讀除了根據(jù)影像的判讀特征——形狀、色調(diào)和陰影、空間相對(duì)位置等進(jìn)行調(diào)繪，更要考慮地物表面粗糙度、復(fù)介電常數(shù)、地形坡度、波長(zhǎng)、波束入射角、極化方式等影響。地物定位須根據(jù)SAR圖像的成像原理,充分考慮地形起伏、地物高度、疊掩、陰影等引起的定位誤差。

總之，基于SAR影像調(diào)繪應(yīng)根據(jù)具體情況，綜合地運(yùn)用各種可用的判讀特征。一般從最明顯的直接特征著手進(jìn)行定性，再運(yùn)用其他特征加以比較和驗(yàn)證，充分考慮影響定位精度的因素，最后采用適當(dāng)?shù)姆椒ǎ_定該地物在影像上的正確位置。