朱俊聰

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INSAR高精度DEM提取方法及其精度分析

朱俊聰

（昆明理工大學(xué)國(guó)土資源工程學(xué)院，云南 昆明 650093）

數(shù)字高程模型（DEM）可以傳達(dá)出所需要的地形、地貌及一些專題信息。因此獲取高質(zhì)量的DEM特別重要。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，InSAR技術(shù)也在不斷的更新發(fā)展，目前使用InSAR技術(shù)提取數(shù)字高程模型已經(jīng)越來越普遍，InSAR技術(shù)可以提供，大量、高速、高分辨率的數(shù)據(jù)。本文從合成孔徑雷達(dá)干涉測(cè)量技術(shù)的原理出發(fā),詳細(xì)的描述InSAR技術(shù)獲取DEM的技術(shù)流程，之后對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行精度分析，證明InSAR技術(shù)提取DEM是可行的，最后分析InSAR提取DEM的誤差來源及不足之處。

InSAR技術(shù)；DEM；系統(tǒng)誤差

0 引言

數(shù)字高程模型(DEM)可以表達(dá)我們所需要的地形、地貌及一些專題信息。之后利用DEM制作出研究區(qū)域所需要的專題地圖。目前獲取DEM的手段包括外業(yè)采集，攝影測(cè)量和地形圖數(shù)字化，這些方法都有一個(gè)缺陷就是在獲取大范圍的數(shù)據(jù)時(shí)所需要的周期長(zhǎng)無法高效的獲取數(shù)據(jù)。然而隨著科學(xué)技術(shù)的日益發(fā)展，目前可以通過合成孔徑雷達(dá)干涉測(cè)量（INSAR）技術(shù)高效的獲取高精度數(shù)字高程模型（DEM），InSAR技術(shù)是利用雷達(dá)系統(tǒng)獲取同一地區(qū)兩幅SAR影像所提供的相位信息進(jìn)行干涉處理，來獲取地表的三維信息，可以建立目標(biāo)地區(qū)的數(shù)字高程模型。Insar技術(shù)具有不受天氣影響，全天候，全天時(shí)，高效率，高分辨率等優(yōu)勢(shì)。InSAR如今已大量運(yùn)用在地形測(cè)繪上，比如地表形變的監(jiān)測(cè)、災(zāi)害的監(jiān)測(cè)、冰川的運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)、森林的資源調(diào)查監(jiān)測(cè)、農(nóng)業(yè)中的監(jiān)測(cè)和地形的制圖等各個(gè)領(lǐng)域得到了大范圍的使用，然而怎樣高效的運(yùn)用InSAR技術(shù)大范圍的提取高精度的數(shù)字高程模型任然需要不斷改進(jìn)。本文從InSAR高程測(cè)量的原理出發(fā)，探討獲取DEM的技術(shù)流程，設(shè)計(jì)出一套InSAR生成DEM的方案，并提出InSAR獲取DEM的不足之處[1-4]。

1 InSAR的基本原理

InSAR獲取DEM的基本原理為下，通過同一研究區(qū)域，利用激光條紋干涉使其構(gòu)成幾何模型的成像，擁有兩幅或者兩幅以上的SAR天線，采集同一研究區(qū)域擁有視差的兩幅圖像，這些圖像具有干涉信息，而且兩幅圖像是單視復(fù)數(shù)主輔圖像的關(guān)系，之后利用它們的干涉相位信息逐步解析，地面的高程數(shù)值利用最小二乘法反演得出，因此就獲取了研究區(qū)域的數(shù)字高程模型（DEM）[6]。

圖1 干涉雷達(dá)幾何示意圖

如圖所示A1和A2為測(cè)量時(shí)天線各種所在的位置，S為所探測(cè)的研究對(duì)象，H是A1到大地參考面的距離，目標(biāo)S到大地考面的距離是h；天線各自之間的距離是B，也叫做基線長(zhǎng)度；水平線和基線之間的夾角α；其中A1天線的夾角為θ；目標(biāo)點(diǎn)S到天線A1的距離為R1，到天線A2的為R2。

三角形A1A2S使用余弦定理：

所以

天線A1、A2到觀測(cè)點(diǎn)S的斜距差為天線A1、A2到點(diǎn)S的實(shí)際量測(cè)相位差為ε，得：

（3）帶入（2）得：

把（4）代入（5）得：

從（6）式我們可以看出確定了H、、、、B、，就可以輸出目標(biāo)點(diǎn)的高程。

2 InSAR技術(shù)獲取DEM的技術(shù)流程

通過InSAR技術(shù)獲取目標(biāo)區(qū)域DEM的步驟包括:聚焦模塊、SLC數(shù)據(jù)對(duì)的基線估算、生成研究區(qū)域干涉圖、干涉圖去平、干涉圖濾波，之后生成相干系數(shù)圖、相位解纏相位編輯、軌道精煉重去平、相位轉(zhuǎn)高程地理編碼最后得到數(shù)字高程模型；特別重要的步驟為復(fù)SLC數(shù)據(jù)對(duì)的配準(zhǔn)、干涉圖的去噪以及相位的解纏。通過InSAR技術(shù)獲取目標(biāo)區(qū)域DEM的具體流程如下圖所示：

圖2 處理流程圖

本文以橫斷山脈最為研究區(qū)域。實(shí)驗(yàn)所用的數(shù)據(jù)為COSMO SkyMed SLC數(shù)據(jù)像對(duì)，數(shù)據(jù)的極化方式為：HH極化，天線的入射角：43.95°，范為：4060′6130 pixels（約為12′18 km2），其中像元間隔：3′3 m，輔助數(shù)據(jù)：90米分辨率的SRTMDEM。處理數(shù)據(jù)所用的軟件為ENVI。

2.1 圖像配準(zhǔn)

圖像的配準(zhǔn)主要有粗度和高精兩個(gè)配準(zhǔn)步驟組成。配準(zhǔn)之前首先進(jìn)行基線估算，對(duì)兩景數(shù)據(jù)進(jìn)行基線估算，從像對(duì)軌道參數(shù)中得到基線估算結(jié)果，估算數(shù)據(jù)是否符合做InSAR提取DEM，看相干性，相干性越高高程精度越大。然后利用相干系數(shù)法對(duì)兩幅影像進(jìn)行處理[5]。

相干系數(shù)法是利用兩幅影像的特點(diǎn)進(jìn)行匹配，由從前的相關(guān)匹配的方法發(fā)展傳承，對(duì)于信噪比高的地方能發(fā)揮較好的效果，相比于其他方法運(yùn)算簡(jiǎn)便高效，成為了最為普遍的方法。此方法不僅考慮了SLC的振幅信號(hào)而且考慮到了相位信號(hào)，在配準(zhǔn)方面較為精準(zhǔn)[8]。

2.2 干涉圖生成

實(shí)部和虛部共同構(gòu)成了SAR圖像上的各個(gè)像素，所以SAR圖像為復(fù)數(shù)圖像，不僅包含了回波信號(hào)的相位信息而且包含了相位信息。對(duì)主影像和從影像進(jìn)行配準(zhǔn)，之后對(duì)從影像再次重采樣，然后對(duì)SAR主影像和從影像所一一對(duì)應(yīng)的像素通過共軛相乘之后生成干涉圖。實(shí)驗(yàn)中先進(jìn)行SAR單視復(fù)圖像對(duì)的配準(zhǔn)，之后進(jìn)行方向位和距離位的預(yù)濾波處理，再進(jìn)行濾波后的主圖像和輔圖像之間進(jìn)行復(fù)共軛相乘，就得到實(shí)驗(yàn)所需要的干涉圖。也就是在輔圖像上匹配和主圖像反應(yīng)同一地物每一個(gè)像素點(diǎn)，稱之為同名點(diǎn)。

2.3 平地相位消除

實(shí)驗(yàn)中為了使相位處理變得簡(jiǎn)便，就使用去平地的方法需要對(duì)干涉相位處理。平地效應(yīng)消除方案使用的方法主要有以下兩種:一種是基于軌道參數(shù)的數(shù)值計(jì)算方法另一種是條紋主頻率估計(jì)法。第一種方法能狗真正意義上的去除平地效應(yīng)，然而這種方法需要高精度的軌道參數(shù)以及目標(biāo)中心位置參數(shù)，如果存在一定的軌道誤差，通常會(huì)產(chǎn)生一些新的干涉條紋，這種方法計(jì)算量大繁瑣；本文采用的去平地效應(yīng)的方案是利用條紋率和平地相位兩者的關(guān)系。此算法簡(jiǎn)便高效，可以較有效的去除平地效應(yīng)，是一種常用的方法。

2.4 相位解纏

利用InSAR技術(shù)提取DEM的重要步驟就是相位解纏。相位解纏將直接影響到實(shí)驗(yàn)提取DEM的精度。相位解纏就是把相位由主值(區(qū)間為(-p，p])恢復(fù)到真實(shí)相位值的過程。本文相位解纏方案使用的是改進(jìn)的最小費(fèi)用流法，設(shè)置一個(gè)不太大的相關(guān)性閾值（0.15和0.2之間）。

2.5 軌道精煉重去平

選擇控制點(diǎn)進(jìn)行軌道精煉和重去平，期間如果軌道參數(shù)不夠精確，影響從干涉相位轉(zhuǎn)變?yōu)榈匦胃叨龋笫褂肎CP重新定義基線參數(shù)，然后計(jì)算相位偏移（如獲取絕對(duì)相位值），之后重新修改解纏圖像的頭文件中的軌道參數(shù)，就可以得到較好的軌道精煉和重去平的結(jié)果。

2.6 相位高程轉(zhuǎn)換

相位轉(zhuǎn)高程就是運(yùn)用觀測(cè)時(shí)天線斜距、載體軌道參數(shù)還有選擇一些控制點(diǎn)的斜距、相位信息來反演出斜距域高度的信息。本文相位轉(zhuǎn)高程步驟使用的是高程模糊度法。此方法采用的計(jì)算方法是迭代，一點(diǎn)點(diǎn)的靠近各個(gè)像點(diǎn)的高程的真值，所以得到的高程精度較高。也是經(jīng)常作為相位轉(zhuǎn)高程的計(jì)算方法。

2.7 地理編碼

地理編碼就是高程反演的過程使用觀測(cè)時(shí)天線的斜距、載體軌道參數(shù)并且選取一定控制的斜距、相位信息反演斜距域高度信息。也就是把雷達(dá)的坐標(biāo)轉(zhuǎn)化為地理坐標(biāo)的過程稱之為地理編碼。本文采用的是向地理編碼轉(zhuǎn)換坐標(biāo)。使用提前下載好的目標(biāo)區(qū)域的數(shù)字高程模型，把雷達(dá)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為地理坐標(biāo)，取數(shù)字高程模型的柵格點(diǎn)一一匹配在SAR圖像上，就完成了地理編碼方案。實(shí)驗(yàn)經(jīng)過聚焦模塊、SLC數(shù)據(jù)對(duì)的基線估算、生成研究區(qū)域干涉圖、干涉圖去平、干涉圖濾波，之后生成相干系數(shù)圖、相位解纏相位編輯、軌道精煉重去平、相位轉(zhuǎn)高程地理編碼最后得到數(shù)字高程模型（DEM）。如圖3所示[7]。

圖3 處理結(jié)果DEM

3 精度分析

實(shí)驗(yàn)利用軟件ENVI生成DEM，在處理數(shù)據(jù)時(shí)所使用的參DEM為90米分辨率的SRTM DEM，因此實(shí)驗(yàn)結(jié)果中存在著絕對(duì)高程，并且在空間上和參考DEM對(duì)等。精度分析利用InSAR技術(shù)提取DEM與90米分辨率的SRTM DEM來對(duì)比，就可以清晰的看出InsSAR技術(shù)提取的DEM分辨率和精度。實(shí)驗(yàn)所生成的DEM分辨率為15米。

3.1 分辨率對(duì)比分析

在坐標(biāo)軸中主意標(biāo)出每一個(gè)點(diǎn)的高程就是所謂的DEM的實(shí)質(zhì)，實(shí)驗(yàn)圖中的坐標(biāo)是由無數(shù)個(gè)矩形所組成的。這些矩形的長(zhǎng)為DEM的分辨率。分辨率數(shù)值越小，分辨率也越高，描繪的地形準(zhǔn)確度也越高。實(shí)驗(yàn)利用ENVI生成的數(shù)字高程模型分辨率是15m，提前下載的已知DEM為90米分辨率的SRTM DEM，這兩個(gè)數(shù)字高程模型都可以描繪我們所需要的地形、地貌的紋理特征，如圖4所示。

圖4 原圖（左）和InSAR獲取DEM（右）

如圖所示，將實(shí)驗(yàn)結(jié)果局部放大左半部分為90米分辨率的SRTM DEM，右半部分為InSAR技術(shù)提取的DEM，可以明顯看出90米分辨率的地形細(xì)節(jié)不是很精細(xì)

3.2 平均分辨率分析

用ENVI生成的數(shù)字高程模型用ENVI進(jìn)行掩膜分析平均分辨率，如圖5所示，最小值為3.3最大值為67.1平均高程分辨率為5.3。從直方圖可以看出絕大多數(shù)為3.8.所以用InSAR來提取DEM是可行的。

圖5 平均高程分辨率

4 InSAR技術(shù)提取DEM誤差分析

用InSAR提取的DEM精度較高，然而獲取的DEM結(jié)果仍存在一定的誤差。以下幾點(diǎn)為產(chǎn)生誤差的原因。

4.1 SAR圖像獲取間隔

實(shí)驗(yàn)獲取的SAR圖像具有一定的時(shí)間周期間隔，在周期間隔里可能產(chǎn)生一定的形變量。如果在時(shí)間間隔中地形產(chǎn)生了形變將會(huì)直接影響到InSAR提取的DEM的精度。因此實(shí)驗(yàn)在獲取兩幅SAR影像時(shí)時(shí)間間隔應(yīng)盡量的短，提取的DEM的精度也就越高。

4.2 失真現(xiàn)象

如圖6所示，灰黑色部分誤差較大多數(shù)為山脊，誤差區(qū)間為7~13 m之間。因?yàn)樯郊共糠指叩推鸱鼑?yán)重，所以會(huì)有透視收縮現(xiàn)象發(fā)、山頂和山底有一定陰影現(xiàn)象發(fā)生。實(shí)驗(yàn)在InSAR獲取DEM的過程中，未曾矯正此等失真現(xiàn)象，因此山脊的地方誤差明顯；還有另一個(gè)原因?yàn)樯絽^(qū)植被茂盛，對(duì)相干性產(chǎn)生了影響，這也將對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生一定的誤差[9-13]。

圖6 處理結(jié)果分析

4.3 參考DEM引起誤差

實(shí)驗(yàn)InSAR提取DEM的過程，為了將結(jié)果DEM高程為絕對(duì)高程，實(shí)驗(yàn)選擇90米分辨率的SRTM DEM。然而參考DEM的精度會(huì)直接影響到結(jié)果DEM的精度。所以在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的時(shí)候，應(yīng)該盡量選擇精度較高的參考DEM，參考DEM的精度越高，利用InSAR技術(shù)提取DEM精度也越高。

5 結(jié)論

通過實(shí)驗(yàn)證明使用INSAR技術(shù)大范圍的提取DEM方案是可取的，該方法可以做為大范圍簡(jiǎn)便獲取高精度地形圖以及更新的方法之一，此方法提取的DEM精度較高。然而利用InSAR提取高精度的DEM仍然存在著一些問題亟待解決，比如SAR圖像的獲取需要一定的時(shí)間周期間隔，在周期間隔里就會(huì)產(chǎn)生一定的形變量，如山脊部分高低起伏區(qū)域和高樓大廈的區(qū)域需要的干涉處理和精確高程的反演有一定的難度疊掩、陰影等的存在，可能會(huì)降低干涉處理的精度影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果。參考DEM的精度也會(huì)直接影響到結(jié)果DEM的精度[14-17]。

相信隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展InSAR技術(shù)也在不停的更新發(fā)展，使用InSAR技術(shù)提取數(shù)字高程模型將會(huì)越來越普遍，然而要使InSAR技術(shù)提取DEM變的更加精確無誤并且被大范圍的使用，仍然存在著某些問題亟待解決。

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Methods on High-accuracy DEM Extraction from Interferometric SAR and Its Accuracy Analysis

ZHU Jun-cong

(Faculty of Land Resources Engineering,Kunming University of Science and Technology, Kunming 650093)

The model of Digital elevation (DEM) can convey That Our needed topography, landform and some thematic informations. Therefore, How to obtaining high-quality DEM is particularly It is important That with the continuous development of science and technology, InSAR technology has been constantly updated and developed. At present, it is more and more common to use InSAR technology to extract digital elevation model. InSAR technology can provide a large amount of date, high-speed and high-resolution data. Based on the principle of synthetic aperture radar interferometry technology, this paper describes in detail the technical process of InSAR technology to obtain DEM, then conducts precision analysis of experimental results to prove that InSAR technology is feasible to extract DEM, and finally analyzes the error sources and deficiencies of InSAR technology to extract DEM.

InSARtechnique; DEM; Systemerror

TP751

A

10.3969/j.issn.1003-6970.2018.10.032

朱俊聰(1993-)，男，昆明理工大學(xué)國(guó)土資源工程學(xué)院碩士研究生，研究方向?yàn)?S集成及應(yīng)用與地理信息系統(tǒng)。

朱俊聰. INSAR高精度DEM提取方法及其精度分析[J]. 軟件，2018，39（10）：170-174