EarthView InSAR軟件提取DEM的應(yīng)用

史衛(wèi)平,成 樞,劉國(guó)林

(山東科技大學(xué) 測(cè)繪工程學(xué)院,山東 青島 266510)

EarthView InSAR軟件提取DEM的應(yīng)用

史衛(wèi)平,成 樞,劉國(guó)林

(山東科技大學(xué) 測(cè)繪工程學(xué)院,山東 青島 266510)

介紹 EarthView InSAR軟件的功能特點(diǎn),并應(yīng)用EarthView InSAR軟件對(duì)加拿大魁北克省謝弗維爾鎮(zhèn)ERS-1影像數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,成功獲取該地區(qū)的數(shù)字高程模型。

合成孔徑雷達(dá)干涉測(cè)量;數(shù)字高程模型;EarthView InSAR;數(shù)據(jù)處理

合成孔徑雷達(dá)干涉測(cè)量技術(shù)(Synthetic Aperture Radar Interferometry)誕生于20世紀(jì)60年代末,是一門根據(jù)復(fù)雷達(dá)圖像的相位數(shù)據(jù),提取地面目標(biāo)三維空間信息的技術(shù),其基本思想[1-5]是:利用兩幅天線同時(shí)成像或一副天線相隔一定時(shí)間重復(fù)成像,獲取同一區(qū)域的復(fù)雷達(dá)圖像對(duì),由于兩幅天線與地面某一目標(biāo)之間的距離不等,使得在復(fù)雷達(dá)圖像對(duì)同名象點(diǎn)之間產(chǎn)生相位差,形成干涉紋圖(Interferogram),干涉紋圖中的相位值即為兩次成像的相位差測(cè)量值,根據(jù)兩次成像相位差與地面目標(biāo)的三維空間位置間存在的幾何關(guān)系,利用飛行軌道的參數(shù),即可測(cè)定地面目標(biāo)的三維坐標(biāo),它可以用來提供大范圍的高精度數(shù)字高程模型(DEM)。本文基于EarthView InSAR軟件,利用 ERS-1衛(wèi)星提供的SAR數(shù)據(jù)對(duì)加拿大魁北克省謝弗維爾鎮(zhèn)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究,取得了良好的效果。

1 EarthView InSAR軟件簡(jiǎn)介

目前,國(guó)內(nèi)外許多機(jī)構(gòu)和科研單位開發(fā)了可用于干涉測(cè)量處理的軟件,例如:荷蘭Delft科技大學(xué)的 Kampes等人開發(fā)的主要基于Unix或Linux的DORIS軟件;美國(guó)的一個(gè)研究 SAR小組開發(fā)的ASFSoftw areTools軟件;美國(guó)芝加哥大學(xué)的兩位教師創(chuàng)辦的公開渠道軟件RO I_PAC,目前有30多個(gè)科研機(jī)構(gòu)在使用;瑞士 GAMMA公司推出的基于Unix、Linux或 W indow s操作系統(tǒng)的 GAMMASAR軟件,其 ISP、D IFF&GEO模塊,能夠處理星載和機(jī)載干涉雷達(dá)數(shù)據(jù);EarthV iew InSAR干涉雷達(dá)處理軟件;國(guó)內(nèi)有“863”課題組支持開發(fā)的“通用遙感平臺(tái)”軟件,其中武漢大學(xué)的 Geo Imager 5.0和中國(guó)測(cè)繪遙感研究院的 Image Info 1.0也包含了InSAR處理模塊[6]。

EarthView InSAR軟件是加拿大A tlantis研究所開發(fā)的專業(yè)雷達(dá)處理軟件。該系統(tǒng)以W indow N T/2000系統(tǒng)為平臺(tái),具有良好的圖形化界面(GU I),并提供完全的處理過程,支持 ERS-1、ERS-2、RADARSA T及JERS-1等傳感器的 SAR數(shù)據(jù)格式。通過采用 EV-InSAR系統(tǒng)可獲取m級(jí)精度的DEM圖像,以及mm級(jí)的表面連續(xù)性變場(chǎng)圖像。可用于地震、地面沉降、滑坡、冰川運(yùn)動(dòng)等事件的形變場(chǎng)動(dòng)態(tài)演化過程的監(jiān)測(cè)與研究。

EarthView InSAR軟件與其他軟件相比該軟件有簡(jiǎn)化的安裝和授權(quán)程序,安裝操作簡(jiǎn)單,適合初學(xué)者,數(shù)據(jù)處理運(yùn)行速度相對(duì)較快。

2 InSAR數(shù)據(jù)處理流程

InSAR數(shù)據(jù)處理基本流程如圖1所示[6]。

圖1 InSAR數(shù)據(jù)處理基本流程

InSAR數(shù)據(jù)處理主要有以下幾個(gè)步驟[7]:

1)選擇合適的SAR干涉數(shù)據(jù)集。對(duì)準(zhǔn)不同的干涉應(yīng)用選取合適的SAR干涉影像對(duì),成功地進(jìn)行InSAR處理,要求進(jìn)行干涉處理的SAR圖像對(duì)必須相干。

2)SAR信號(hào)數(shù)據(jù)處理成SLC影像。如果所獲取的數(shù)據(jù)是 SAR原始信號(hào)(Raw Data),必須對(duì)SAR信號(hào)進(jìn)行成像處理,生成單視復(fù)影像(SLC)。

3)SAR影像對(duì)的配準(zhǔn)。在進(jìn)行SAR干涉測(cè)量時(shí),SAR影像對(duì)粗配準(zhǔn)后還必須進(jìn)行精配準(zhǔn)以保證輸出的干涉條紋具有良好的相干性。受配準(zhǔn)誤差干涉紋圖影響的可以通過相干強(qiáng)度分析出來,通常影像的配準(zhǔn)誤差必須在1/8個(gè)像元以下才對(duì)干涉條紋的質(zhì)量沒有明顯的影響。

4)配準(zhǔn)后的影像對(duì)作共軛相乘,生成干涉紋圖。計(jì)算相干系數(shù),一般情況下,相干系數(shù)存在一定的偏差,通過對(duì)相干估算值進(jìn)行空間平均可糾正這種偏差。

5)去除“平地效應(yīng)”。“平地效應(yīng)”是高度不變的平地在干涉紋圖中所表現(xiàn)出來的干涉條紋隨距離向和方位向的變化而呈周期性變化的現(xiàn)象?！捌降匦?yīng)”可通過對(duì)干涉紋乘以復(fù)相位函數(shù)去除。

6)干涉紋圖的濾波和二次采樣。通常需要對(duì)干涉紋圖進(jìn)行濾波和二次采樣,利用濾波消除頂?shù)臀灰茖?duì)相位數(shù)據(jù)的影響,方位向?yàn)V波增強(qiáng)干涉紋圖的信噪比,二次采樣減少后期處理的數(shù)據(jù)量。

7)相位解纏。相位解纏就是從相位差圖像中恢復(fù)真實(shí)相位差的過程。相位解纏是InSAR處理中尤為關(guān)鍵的一步,相位解纏結(jié)果的好壞直接影響InSAR的最終數(shù)據(jù)產(chǎn)品。

8)高程計(jì)算和地理編碼。為了實(shí)現(xiàn)解纏相位到高程的轉(zhuǎn)換,需要有精確的基線參數(shù),所以必須精確估算干涉測(cè)量的幾何參數(shù)。利用參數(shù)代入轉(zhuǎn)換公式,可實(shí)現(xiàn)解纏相位到高程數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換。InSAR DEM所處的坐標(biāo)系是SAR系統(tǒng)的斜距-方位坐標(biāo)系,為了將DEM提供給最終用戶使用,DEM必須轉(zhuǎn)換到通用的地理坐標(biāo)系中。

3 應(yīng)用實(shí)例

3.1 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)簡(jiǎn)介

實(shí)例中所用的干涉SAR圖像對(duì)是加拿大魁北克省謝弗維爾鎮(zhèn)ERS-1數(shù)據(jù)。其中,主圖像的獲取時(shí)間為1994-01-09,輔圖像的獲取時(shí)間為1994-01-12,時(shí)間間隔為3 d。

3.2 數(shù)據(jù)處理的步驟和成果圖

EarthView InSAR 4.0版本共有4種處理模式:DEM;利用外部DEM生成DEM(DEM With External);二軌法差分干涉處理(2-Pass Differential);三軌法差分干涉處理(3-Pass Differential)。本文選擇DEM模式,DEM模式用于生成與“常規(guī)”DEM(數(shù)字高程模型)有關(guān)的圖像產(chǎn)品,包括增強(qiáng)的干涉圖、相位解纏后的相位圖、高度圖和相干圖。

DEM產(chǎn)生時(shí),以SLC影像為初始輸入數(shù)據(jù),通過粗配準(zhǔn)、像元級(jí)配準(zhǔn)和亞像元級(jí)配準(zhǔn)、重采樣、干涉圖生成和去平地效應(yīng)、干涉圖濾波和解纏、高程轉(zhuǎn)換和地理編碼最終生成DEM和形變圖。

數(shù)據(jù)處理過程中,按照軟件具體操作順序進(jìn)行。具體運(yùn)行時(shí)分為8個(gè)步驟:數(shù)據(jù)輸入、配準(zhǔn)分析、配準(zhǔn)、產(chǎn)生并過濾干涉圖、增強(qiáng)干涉相位、干涉圖相位解纏、從相位產(chǎn)生DEM、輸出產(chǎn)品。其中,相位解纏是InSAR數(shù)據(jù)處理的關(guān)鍵步驟,相位解纏的好壞直接影響到生成DEM產(chǎn)品的質(zhì)量,在EarthView In-SAR軟件處理中(如圖2所示),采用的是迭代圓盤屏蔽算法(Iterative Disk M asking A lgo rithm)進(jìn)行相位解纏。該方法偶爾會(huì)出現(xiàn)解纏相位不好的情況,此時(shí)需要利用解纏編輯工具(Unw rap Edit Tool)對(duì)相位解纏后的圖像進(jìn)行改正,人為地設(shè)置一條屏蔽線,從而對(duì)斷點(diǎn)進(jìn)行修復(fù),最終得到高質(zhì)量的相位解纏結(jié)果。

圖2 EV-InSAR主界面

圖3中的粗直線表示為相位斷點(diǎn)的誤差。若放大圖像中央小山,可以看到小山周圍有一個(gè)U型區(qū)域,該區(qū)域中沒有被屏蔽的地區(qū)用深灰色表示,連接覆蓋區(qū)域的粗直線形成相位解纏斷點(diǎn)。在解纏圖像的右下角有一些相位解纏誤差。在此區(qū)域大多數(shù)粗直線是在相位解纏控制屏蔽之內(nèi)。其中一條粗直線代表有一個(gè)相位斷點(diǎn),即從一個(gè)像元到下一個(gè)像元有360°相位的跳躍。從相干圖3中,可以預(yù)見有相位斷點(diǎn)或低相干度的、被屏蔽出來的區(qū)域。從干涉圖4中,可以看到邊緣的連接是光滑的而且通過相位的旋轉(zhuǎn)循環(huán)是均勻的。在這些區(qū)域內(nèi),可以預(yù)料相位是連續(xù)的,且應(yīng)該沒有相位解纏誤差。因此,可以推斷,矩陣框內(nèi)粗直線事實(shí)上是相位斷點(diǎn),需要加以改正。

從圖4增強(qiáng)的干涉圖中可以看出,干涉條紋明顯,圖像相干性好于圖5反映帶有地理編碼的DEM情況,圖像顏色的變化反映地面的起伏狀況,顏色越深高程值越小,顏色越淺高程值越大。

圖5 帶有地理編碼的DEM

4 結(jié)束語

利用 EarthView InSAR 4.0軟件對(duì)加拿大魁北克省謝弗維爾鎮(zhèn)ERS-1數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,提取出了該地區(qū)m級(jí)精度的數(shù)字高程模型(DEM),進(jìn)一步展示了SAR數(shù)據(jù)提取DEM的有效性。該軟件不但能利用 ERS-1數(shù)據(jù)提取DEM,同時(shí)利用 RADARSA T數(shù)據(jù)提取高精度DEM。EarthView InSAR軟件功能比較強(qiáng)大,有效地提取D-InSAR技術(shù)獲取的地表變形信息(精度可達(dá)mm)。此外,該軟件的CTM模塊能夠方便的的實(shí)現(xiàn)PS技術(shù)的應(yīng)用。隨著InSAR數(shù)據(jù)處理技術(shù)的不斷發(fā)展與完善,EarthView InSAR軟件也將進(jìn)一步提高產(chǎn)品精度。

[1]ZEBKER H A,GOLDSTEIN R M.Topographic mapping from interferometric synthetic aperture radar observations[J].J Geophysical Research.1986,91(B5):4993-4999

[2]ZEBKER H A,W ERNER CL,et al Accuracy of topographic maps derived from ERS-1 interferometric radar[J].IEEE Transactionson Geoscience and Remote Sensing,1994,32(4):823-836.

[3]舒 寧.雷達(dá)影像干涉測(cè)量原理[M].武漢:武漢大學(xué)出版社,2003:13-14.

[4]劉國(guó)祥,劉文熙,黃丁發(fā).InSAR技術(shù)及其應(yīng)用中的若干問題[J].測(cè)繪通報(bào),2001(8):10-12.

[5]陳 強(qiáng),劉國(guó)祥,李永樹.粗/精軌道數(shù)據(jù)對(duì)衛(wèi)星 InSAR DEM精度影響的對(duì)比分析[J].遙感學(xué)報(bào),2006,10(4):475-481.

[6]李平湘,楊 杰.雷達(dá)干涉測(cè)量原理與應(yīng)用[M].北京:測(cè)繪出版社,2006:44,107-108.

[7]王 超,張 紅,劉 智,等.星載合成孔徑雷達(dá)干涉測(cè)量[M].北京:科學(xué)出版社,2002:68-70.

The application of generating DEM from EarthView InSAR software

SH IWei-ping,CHENG Shu,L IU Guo-lin
(Geomatics College,Shandong University of Science and Technology,Qingdao 266510,China)

The fuctiuon and features of EarthView InSAR software is exp lained.Based on the software and using the ERS-1 SAR data,it successfully obtained digital elevation model of Schefferville,Quebec,Canada.

InSAR;DEM;EarthView InSAR;data p rocessing

P237

A

1006-7949(2010)01-0065-03

2009-03-07

史衛(wèi)平(1984-),女,碩士研究生.

[責(zé)任編輯李銘娜]