雷達(dá)干涉測量技術(shù)獲取多分辨率山區(qū)高程模型①

薛繼群,鄧喀中,范洪冬,祝傳廣

(1.中國礦業(yè)大學(xué)國土環(huán)境與災(zāi)害監(jiān)測國家測繪局重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江蘇徐州221116,2.中國礦業(yè)大學(xué)江蘇省資源環(huán)境信息工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江蘇徐州221116)

0 引 言

合成孔徑雷達(dá)干涉測量技術(shù)[1-4](InSAR)是從覆蓋同一地區(qū)的兩幅合成孔徑雷達(dá)(SAR)影像的對(duì)應(yīng)像素提取相位差圖(即干涉圖),并借助雷達(dá)姿態(tài)數(shù)據(jù)生成數(shù)字高程模型的一種新技術(shù),在地形測繪[3-4]、地表形變監(jiān)測[5-7]、冰川運(yùn)動(dòng)[8-9]研究等方面都表現(xiàn)出快速、高精度、全天時(shí)、全天候、大區(qū)域等突出優(yōu)勢。隨著高分辨率SAR衛(wèi)星的研制與成功發(fā)射(COSMO-SkyMed和TerraSAR-X),InSAR技術(shù)已經(jīng)成為目前發(fā)展迅速、極具潛力的對(duì)地觀測及測繪新技術(shù)之一。InSAR技術(shù)的基本原理是利用單軌雙天線同時(shí)接收雷達(dá)回波或者重軌單天線間隔一定時(shí)間兩次接收雷達(dá)回波,獲取統(tǒng)一區(qū)域的兩個(gè)雷達(dá)回波信號(hào),然后,根據(jù)這兩個(gè)雷達(dá)回波信號(hào)之間產(chǎn)生的相位差和一些軌道數(shù)據(jù)來計(jì)算地面目標(biāo)的高程信息。

2000年,美國使用“奮進(jìn)號(hào)”航天飛機(jī)進(jìn)行雷達(dá)地形測繪任務(wù)(SRTM),只利用11天就獲取了全球80%的陸地表面的干涉數(shù)據(jù),繪制了4600多萬張地貌圖片,生成了高分辨率的DEM數(shù)據(jù),此次任務(wù)后得到的 DEM 數(shù)據(jù)就稱為 SRTM DEM[10]。對(duì)于我國分辨率為90 m,其高程方向的精度大約為10 m左右,在地形起伏較大的地區(qū),精度會(huì)相應(yīng)的更低些[11]。

在西部空白區(qū)缺少地面實(shí)測資料的前提下,SRTM DEM是現(xiàn)階段最為可靠的參考DEM.隨著高分辨率SAR影像的出現(xiàn),使得利用InSAR技術(shù)獲取的DEM的分辨率也隨之提高,同時(shí)也能獲取較低分辨率的DEM.在不同分辨率、不同地形條件、不同相干性條件下,如何有效地利用SRTM DEM信息來評(píng)價(jià)現(xiàn)有InSAR技術(shù)獲取的DEM精度也就成了現(xiàn)時(shí)亟需探討的問題。

因此,利用兩幅 2010年1月間隔僅 1天的COSMO-Skymed影像,基于GAMMA軟件平臺(tái),結(jié)合從SRTM DEM中選取的有效控制點(diǎn),獲取西部某山區(qū)4個(gè)不同分辨率(4 m、10 m、20 m、50 m)的DEM,分別以高坡度、低坡度、低相干性三個(gè)區(qū)域?yàn)檠芯繉?duì)象,與該地區(qū)的SRTM DEM進(jìn)行比較,評(píng)價(jià)InSAR DEM的精度。

1 InSAR獲取DEM基本流程及技術(shù)路線

1.1 基本流程

InSAR技術(shù)獲取DEM的基本流程如圖1所示。從圖中可以看出,InSAR生成DEM的過程比較復(fù)雜,其中基線估計(jì)是現(xiàn)階段研究的熱點(diǎn),也是整個(gè)處理過程中的難點(diǎn)問題。

基線是InSAR以及差分雷達(dá)干涉(D-InSAR)的關(guān)鍵參數(shù),低精度的基線會(huì)嚴(yán)重影響平地效應(yīng)以及干涉相位與高程之間的轉(zhuǎn)換。研究表明[14]:厘米級(jí)的基線精度是必須的,因此,基線估計(jì)是相當(dāng)重要的環(huán)節(jié)?；€估計(jì)的主要方法[15-17]:

1)利用衛(wèi)星軌道數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算;

2)基于干涉條紋圖的基線估計(jì)方法;

3)基于地面控制點(diǎn)的基線估計(jì)方法;第3種方法是目前使用最廣泛、精度最高的方法。

圖1 InSAR獲取DEM流程[12-13]

由于本次實(shí)驗(yàn)針對(duì)高山地區(qū)缺乏地面實(shí)測控制點(diǎn)數(shù)據(jù),從SRTM DEM中獲取控制點(diǎn)是最為可靠的途徑。為了排除控制點(diǎn)選取對(duì)DEM數(shù)據(jù)的影響,本文選取了相同位置的16個(gè)控制點(diǎn),這些控制點(diǎn)分布均勻、相干系數(shù)高且多在地勢平坦地區(qū)。

1.2 技術(shù)路線

DEM不同的分辨率意味著每個(gè)像元點(diǎn)在地面的面積也就不相同。分辨率低則每個(gè)像元表示的地面點(diǎn)面積就大,這樣容易忽略一些細(xì)節(jié)信息。比如在分辨率高的DEM上顯示的溝壑,而在分辨率低的DEM就可能只是一塊平坦的區(qū)域。由于SRTM DEM對(duì)于我國來說分辨率為90 m,其高程方向的精度大約為l0 m左右,在地形起伏較大的地區(qū),精度會(huì)相應(yīng)的更低些,所以易忽略一些細(xì)節(jié)信息。

圖2 技術(shù)路線圖

基于圖2的技術(shù)路線,利用InSAR技術(shù)通過不同的多視處理得到不同分辨率的DEM,而其他步驟保持一致,包括采用相同的濾波方法、相位解纏方法(基于最小成本流技術(shù)和不規(guī)則三角網(wǎng))、基線估計(jì)時(shí)選擇相同的控制點(diǎn),以避免除分辨率外的其它因素對(duì)DEM精度造成影響。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

試驗(yàn)區(qū)位于我國西部地區(qū),該區(qū)域平均氣溫為0～8℃,平均海拔5000 m,植被稀少,地表無較大水系,但地勢起伏,坡度較大,且該地區(qū)常年被積雪覆蓋,普通的光學(xué)遙感無法有效地對(duì)其進(jìn)行探測。本次實(shí)驗(yàn)選取兩幅COSMO-Skymed影像(表1),并根據(jù)實(shí)驗(yàn)?zāi)康倪x取ABC三個(gè)區(qū)域(如圖3,底圖為10 m分辨率的InSAR DEM)為研究對(duì)象進(jìn)行進(jìn)一步的詳細(xì)分析。

表1 用于實(shí)驗(yàn)的干涉雷達(dá)影像參數(shù)

圖3 選取的三個(gè)研究區(qū)域ABC

2.2 整體DEM精度分析

根據(jù)圖1與圖2的InSAR處理流程,獲取該區(qū)域四種不同分辨率的數(shù)字高程模型(如圖3),分別為4 m、10 m、20 m、50 m;以SRTM DEM為參考標(biāo)準(zhǔn),做差比較(如圖4),并計(jì)算整體、A B C區(qū)域平均高程差值(表2)。

表2 不同分辨率DEM平均高程差值

結(jié)合圖4、5可以看到,該高山地區(qū)的海拔很高,同時(shí)落差也很大。由圖5看出:大部分區(qū)域的差值呈現(xiàn)黑色,這說明利用InSAR技術(shù)獲取的DEM與SRTM DEM基本保持一致,尤其是50 m分辨率高程差值絕大部分呈現(xiàn)深黑色,表明更接近SRTM DEM;表2的數(shù)據(jù)則更為直觀,高程平均差值相對(duì)于該高山地區(qū)的海拔而言都較小,且分辨率越低,與SRTM DEM的平均高程差值就越小。

圖4 四種不同分辨率的數(shù)字高程模型

圖5 InSAR DEM與SRTM DEM高程差值

2.3 高、低坡度區(qū)域分析

坡度是反映地形特征的重要指標(biāo),也是 In-SAR DEM 精度的重要影響因素[10]。

圖6 高坡度區(qū)域A高程差值圖

圖7 低坡度區(qū)域B高程差值圖

在該高山地區(qū),A和B為典型的高、低坡度區(qū)域。A區(qū)域的最高坡度達(dá)60.9°,B區(qū)域的最高坡度為23.6°。圖6、圖7分別為四種分辨率下A區(qū)域、B區(qū)域的高程差值圖。

由圖6、圖7及表2可以看出:

1)在坡度大的A區(qū)域,利用InSAR技術(shù)獲取的DEM與SRTM DEM高程差值異常大(亮白部分),遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于B區(qū)域差值;

2)無論坡度高低,其分辨率越高,其差值越大;

3)相比于低坡度地區(qū),高坡度地區(qū)的高程差值對(duì)分辨率的變化更為敏感,表2中A區(qū)域平均高程差值從4 m到20 m分辨率減少了近169.17 m,而B區(qū)域?yàn)?05.67 m.

2.4 低相干區(qū)域分析

C區(qū)域相干系數(shù)為0.137,低相干區(qū)域C高程差值圖如圖8?？梢钥闯?C區(qū)域DEM高程差值不同于A、B區(qū)域,呈現(xiàn)明顯的規(guī)律性變化,尤其是D區(qū)域,分辨率為10 m圖8(b)時(shí)與SRTM DEM高程差值比20 m圖8(c)、50m圖8(d)更小。此外,C區(qū)域不同分辨率的InSAR DEM(表2)與SRTM DEM高程差值也很大,即使其50 m分辨率的DEM與SRTM DEM的平均高程差值也達(dá)到380 m.筆者認(rèn)為:該區(qū)域的DEM坡度大,在干涉成像時(shí)易出現(xiàn)雷達(dá)陰影、疊掩等現(xiàn)象,造成相干性較差,其所獲取的DEM精度有待商榷。

圖8 低相干區(qū)域C高程差值圖

3 結(jié) 論

利用一組COSMO-Skymed影像獲取西部某山區(qū)4個(gè)不同分辨率(4 m、10 m、20 m、50 m)的DEM,分別以高坡度、低坡度、低相干性三個(gè)區(qū)域?yàn)檠芯繉?duì)象,比較4個(gè)不同分辨率的DEM精度。實(shí)驗(yàn)結(jié)論如下:

1)本次利用雷達(dá)干涉測量技術(shù)獲取的DEM與SRTM DEM基本保持一致;

2)低坡度區(qū)域比高坡度區(qū)域的DEM精度更高,這說明SRTM DEM能更有效地評(píng)價(jià)低坡度區(qū)域的InSAR DEM精度;

3)相比于低坡度地區(qū),高坡度地區(qū)的高程差值對(duì)分辨率的變化更為敏感;

4)DEM分辨率越高,它與SRTM DEM的差值就越大,筆者認(rèn)為這與SRTM DEM本身的分辨率較低有關(guān)。由于SRTM DEM的分辨率為90 m,在采樣時(shí)易忽略一些地區(qū)的細(xì)節(jié)信息,而用In-SAR技術(shù)獲取的DEM的分辨率明顯更高,高程變化信息也更豐富,這就造成了其與SRTM DEM的差異。同時(shí),隨著InSAR技術(shù)獲取的DEM分辨率愈小,其細(xì)節(jié)更為粗糙,高程變化信息更為模糊,這就與SRTM DEM相近;

5)對(duì)于低相干區(qū)域,其DEM的精度大致上有第3條的規(guī)律,但其可靠性不強(qiáng),即使其50 m分辨率的DEM與SRTM DEM也存在較大差距。

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