黃 波，趙 淮，郭 莉

（1.自然資源部第一地理信息制圖院，陜西 西安 710054；2.自然資源部國土衛(wèi)星遙感應用中心，北京 100048）

數(shù)字高程模型（DEM）是一定范圍內規(guī)則格網點平面坐標和高程值的數(shù)據(jù)集，主要描述區(qū)域地貌形態(tài)的空間分布，是對地貌形態(tài)的虛擬表示[1]?，F(xiàn)有的DEM數(shù)據(jù)源采集方法主要包括野外實測、地形圖數(shù)字化和攝影測量，但上述方法均只能提供地面離散點的高程信息，且大面積獲取DEM的時間相對較長[2]。InSAR技術利用兩個不同天線位置對同一區(qū)域進行觀測，得到雷達數(shù)據(jù)[3]，根據(jù)數(shù)據(jù)中記錄的相位和強度，結合雷達傳感器自身的參數(shù)、平臺姿態(tài)和軌道等信息，利用幾何關系解算得到地物點的位置變化量或三維位置信息。因此，利用InSAR技術采集DEM數(shù)據(jù)比傳統(tǒng)測量方式更具優(yōu)勢[4]。

本文基于德國TanDEM-X衛(wèi)星獲取的原始SAR數(shù)據(jù)，通過數(shù)據(jù)聚焦、基線估算、生成干涉圖、干涉圖去平、自適應濾波與相干性計算、相位解纏、軌道精煉與重去平、相位轉高程和地理編碼等處理[2]，生成初始DSM產品；再經過人工編輯，得到DEM成果數(shù)據(jù)；然后收集該區(qū)域高精度控制點數(shù)據(jù)、1∶10 000 DEM成果數(shù)據(jù)和2020年制作的實景三維中國建設項目DEM成果數(shù)據(jù)進行精度檢測、地貌細節(jié)表達程度的比較分析等，客觀評價InSAR技術制作DEM數(shù)據(jù)的高程精度。

1 研究區(qū)概況

本文選取的研究區(qū)為西安市及其周邊地區(qū)，面積約為0.8萬km2，測區(qū)內平地、丘陵、山地、高山地地貌特征明顯，地物要素豐富，涉及城市人工建筑物密集、自然植被多樣、水域豐富、交通復雜，城市與農村并存。

2 數(shù)據(jù)來源

1）原始SAR數(shù)據(jù)。本文采用德國TanDEM-X衛(wèi)星獲取的原始SAR數(shù)據(jù)，利用中國測繪科學研究院研發(fā)的ISTM軟件進行相位解纏、差分運算、濾波等處理，生成初始DSM產品；再參考在線光學DOM數(shù)據(jù)，經人工編輯去噪、水域置平等處理，生成DSM產品；最后對建筑物、植被、橋梁等進行濾波，生成DEM成果數(shù)據(jù)，格網間距為10 m。

2）控制點數(shù)據(jù)。本文收集該區(qū)域1∶2 000像控點、1∶10 000控制點、等級控制點等，共240個，具體分布如圖1所示。

圖1 高精度控制點分布示意圖

3）1∶10 000 DEM成果數(shù)據(jù)。1∶10 000 DEM成果數(shù)據(jù)采用傳統(tǒng)生產方式，格網間距為5 m，主要是在“十二五”期間生產完成的。在1∶10 000 DLG數(shù)據(jù)的基礎上，選取其中的等高線、高程點、水系等要素以及已有的地形特征數(shù)據(jù)；同時利用各種地形特征信息提取算法，基于等高線數(shù)據(jù)采集地形特征點、特征線，進一步豐富地形特征信息，并按照統(tǒng)一設計的格網大小，采用合適的數(shù)學內插法生成1∶10 000 DEM成果數(shù)據(jù)。

4）實景三維DEM成果數(shù)據(jù)。2020年實景三維中國建設項目DEM數(shù)據(jù)主要由兩種方式生產：①一類區(qū)，基于已有1∶10 000或更高精度DEM數(shù)據(jù)，重采樣生成10 m格網間距1∶50 000 DEM，利用資源三號衛(wèi)星等立體影像和區(qū)域網平差優(yōu)化后的RPC參數(shù)恢復立體模型，對地貌變化區(qū)域（變化超過1倍等高距且面積超過1 km2的區(qū)域）進行更新，與周邊DEM數(shù)據(jù)進行協(xié)調處理，得到DEM成果數(shù)據(jù)，對DEM數(shù)據(jù)現(xiàn)勢性優(yōu)于2019年的區(qū)域，直接進行10 m重采樣生產制作，得到實景三維DEM成果數(shù)據(jù)；②二類區(qū)，基于資源三號衛(wèi)星等立體影像和區(qū)域網平差優(yōu)化后的RPC參數(shù)構建立體模型，通過多模型、多基線算法自動匹配獲取匹配點云數(shù)據(jù)，得到以景為單位的單景匹配點云數(shù)據(jù)，經接邊、鑲嵌、裁切等處理后，得到1∶50 000標準分幅的點云數(shù)據(jù)，基于點云數(shù)據(jù)、區(qū)域網平差成果以及其他相關資料，對建筑、橋梁、林地等非地面區(qū)域進行DEM濾波，并將地表高程降至地面高程，形成大地高DEM數(shù)據(jù)，再經正常高轉換、接邊處理、元數(shù)據(jù)制作和檢查驗收等步驟，最后生成1∶50 000 DEM成果數(shù)據(jù)。研究區(qū)內收集的數(shù)據(jù)主要是通過一類區(qū)生產方式獲得的，格網間距為10 m。

3 精度驗證

本文利用收集的240個控制點分別計算1∶10 000 DEM、實景三維DEM、InSAR技術制作的DEM數(shù)據(jù)的中誤差，結果如表1所示，可以看出，實景三維DEM是基于1∶10 000 DEM數(shù)據(jù)重采樣后更新生產所得，因此二者精度相差較?。籌nSAR技術制作的DEM數(shù)據(jù)精度可達3.43 m，根據(jù)CH/T 9009.2-2010《基礎地理信息數(shù)字成果1∶5 000、1∶10 000、1∶25 000、1∶50 000、1∶100 000數(shù)字高程模型》中的DEM精度指標（表2），初步認為滿足1∶25 000比例尺的精度要求，甚至接近1∶10 000比例尺的精度要求。

表1 控制點高程中誤差統(tǒng)計表/m

表2 DEM精度指標/m

4 地貌精細度對比

本文選取典型的平地、丘陵、山地（高山地）地貌案例，結合光學DOM，對比分析了1∶10 000 DEM、實景三維DEM、InSAR技術制作DEM數(shù)據(jù)的地貌表達精細度，結果如表3所示，可以看出，1∶10 000 DEM數(shù)據(jù)的地貌細節(jié)最突出，暈渲效果是最美觀的；InSAR技術制作的DEM數(shù)據(jù)地貌細節(jié)豐富，雖然噪聲相對較多，但反而更符合實際地形地貌特征；由于實景三維DEM數(shù)據(jù)是基于1∶10 000 DEM數(shù)據(jù)重采樣后進行的局部更新，因此其地貌細節(jié)和暈渲效果均較接近1∶10 000 DEM數(shù)據(jù)。

表3 3種DEM成果地貌精細度對比

5 結語

本文利用高等級控制點分別對1∶10 000 DEM、實景三維DEM、InSAR技術制作的DEM數(shù)據(jù)進行高程精度檢測，計算統(tǒng)計后發(fā)現(xiàn)，InSAR技術制作的DEM數(shù)據(jù)高程精度中誤差達到了3.43 m。由于SAR數(shù)據(jù)無法恢復立體模型，無法精確查看房屋建筑、橋梁、植被等非地面物體的高度，降高依賴于在線數(shù)據(jù)和作業(yè)人員的主觀經驗值，因此DEM數(shù)據(jù)的編輯誤差較大。鑒于此，本次檢驗初步認為InSAR技術制作的DEM數(shù)據(jù)能完全滿足1∶25 000 DEM精度要求。本文還對3種DEM數(shù)據(jù)的地貌表達精細度和暈渲效果進行了對比分析，結果表明InSAR技術制作的DEM數(shù)據(jù)能較好地反映地貌細節(jié)，暈渲效果也符合實際地形特征。

SAR數(shù)據(jù)不受復雜氣候條件的影響，可快速、高精度、大區(qū)域地進行對地觀測，現(xiàn)已被廣泛應用于地表變形監(jiān)測、災害監(jiān)測、區(qū)域DEM提取和濕地水位監(jiān)測等領域[5]。資源三號衛(wèi)星影像受天氣影響，需要人工消除或減輕云、云影、沙漠、冰雪、森林、陰影等影像弱紋理區(qū)域對地表高程的影響[6]。兩種數(shù)據(jù)源相互補充，當獲取大區(qū)域甚至境外DEM數(shù)據(jù)時，數(shù)據(jù)完整性和數(shù)據(jù)質量均能得到保障。本文對通過InSAR技術制作的DEM數(shù)據(jù)進行了客觀的分析與評價，初步明確其高程精度能達到1∶25 000 DEM的精度要求，結論比較合理、科學；今后仍需通過對不同地形實驗區(qū)和大量控制點進行實驗[7]，為開展大規(guī)模SAR數(shù)據(jù)利用InSAR技術制作DEM數(shù)據(jù)，做好扎實的理論驗證。