機載SAR影像在1∶50000地形圖生產(chǎn)中的應(yīng)用

羅昌瓊 桂木政 楊本勇

(四川省遙感信息測繪院，四川成都 610100)

與光學(xué)遙感相比，雷達遙感是主動遙感，具有全天時、全天候的特點。對于西部橫斷山脈測區(qū)的云霧冰雪覆蓋區(qū)域，光學(xué)影像較難獲取實地地表覆蓋的情況，或已獲取的光學(xué)影像時效性較差，對此合成孔徑雷達(SAR)影像具有較強的優(yōu)勢性和時效性。

西部橫斷山脈區(qū)域地勢險峻，多高山峽谷，氣候多樣，生態(tài)環(huán)境奇特，海拔4 100m以上為寒帶，終年積雪，長冬無夏，為多云、多霧、多雪復(fù)雜地形區(qū)域，光學(xué)影像不能完全滿足地形圖測圖的要求，SAR雷達影像在此區(qū)域?qū)鈱W(xué)影像測圖是有力的補充，使橫斷山脈區(qū)域測圖得以順利完成。

1 機載SAR雷達影像數(shù)據(jù)及使用原則

考慮到西部測圖工程測圖區(qū)域的復(fù)雜性，為滿足測圖要求，并提高解譯精度，應(yīng)用了多種雷達影像進行信息互補。從極化方式的角度來說有單極化影像和全極化影像;從軌道情況來說有升軌影像和降軌影像。在此，僅就利用我國自主研發(fā)的首套機載多波段多極化干涉SAR數(shù)據(jù)獲取機載SAR影像數(shù)據(jù)，如何結(jié)合光學(xué)影像數(shù)據(jù)進行測圖作一個探討和交流。

1.1 機載SAR雷達影像數(shù)據(jù)

根據(jù)地形條件和用途，在不同區(qū)域分別獲取了一個側(cè)視方向、兩個側(cè)視方向或四個側(cè)視方向的2.5m分辨率X波段干涉數(shù)據(jù)、P波段極化數(shù)據(jù)及相應(yīng)的POS數(shù)據(jù)。

X波段機載SAR數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)體和頭文件參數(shù)存放在(*.raw)和(*.dat)文件中，主要用于過程DEM數(shù)據(jù)制作、地物地貌的測繪和SAR影像DOM(標(biāo)準(zhǔn)分幅)的制作。

P波段機載SAR數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)體和頭文件參數(shù)存放在(*.raw)和(*.led)文件中，主要用于地物的測繪和SAR影像標(biāo)準(zhǔn)分幅DOM、地表覆蓋數(shù)據(jù)等的制作。

POS數(shù)據(jù)是由機載POS系統(tǒng)(加拿大Applanix公司的IMU510系列)測量數(shù)據(jù)聯(lián)合地面GPS基準(zhǔn)站差分解算的飛機航跡信息。在成像過程中，相關(guān)航跡信息被寫入到影像參數(shù)文件中。

1.2 機載SAR雷達影像的解譯原則

雷達影像解譯是雷達影像應(yīng)用的主要難題，根據(jù)雷達影像的成像機理，雷達影像解譯主要按以下的原則進行:

①雷達的迎坡面容易產(chǎn)生疊掩，疊掩區(qū)在圖像上表現(xiàn)為強白色區(qū)，雷達的背坡面如果坡度較大或被遮擋，容易形成陰影，在影像上表現(xiàn)為沒有紋理的暗區(qū)域。陰影和疊掩區(qū)域無法解譯地物，但可用于了解大致的地形。

②雷達影像受相干成像機制的影響而存在斑點狀的噪聲，嚴重影響了雷達影像的可解譯性。除濾波外，調(diào)節(jié)影像顯示的拉伸范圍是一種常用的簡單有效的噪聲抑制方法，能夠提高目視解譯的效果。

③金屬材質(zhì)的地物如鐵軌、鐵塔等在雷達影像上呈現(xiàn)出亮色調(diào)。

④含水量較大的地物，如雨后的耕地、沼澤地相對較亮，呈現(xiàn)出中等亮色調(diào)。

⑤房屋、水泥電線桿、圍墻等垂直于地面的地物與地面構(gòu)成角反射器，當(dāng)其朝向雷達時，角反射器效應(yīng)特別明顯，容易形成亮區(qū)域。

⑥球狀、棱錐狀、陡巖等有表面垂直于雷達波束的地物在雷達呈現(xiàn)出亮色調(diào)。

⑦光滑的表面，如飛機場光滑的水泥地面、平靜的湖面、河流及水泥或瀝青道路由于產(chǎn)生鏡面反射呈現(xiàn)出暗色調(diào)。

⑧粗糙的表面如灌木、林地等呈現(xiàn)出中等色調(diào)。

1.3 機載SAR雷達影像使用原則

在SAR影像結(jié)合光學(xué)影像測圖生產(chǎn)中，根據(jù)原有光學(xué)影像的不同情況，SAR影像發(fā)揮著不同的作用，具體如下:

①光學(xué)影像能夠完成測圖的區(qū)域，應(yīng)利用SAR影像輔助地貌修測、地物和地表覆蓋數(shù)據(jù)解譯，充分發(fā)揮SAR影像的特點。

②光學(xué)影像因云、雪、霧導(dǎo)致絕對漏洞的區(qū)域必須使用SAR影像進行測圖。

③SAR影像在使用過程中，應(yīng)選擇無效信息最少的一個側(cè)視方向數(shù)據(jù)為主數(shù)據(jù)源，其他方向作為補充。

2 機載SAR在生產(chǎn)中應(yīng)用的方法和效果

2.1 地貌要素的修測和測繪

依據(jù)測區(qū)相關(guān)資料，分析了光學(xué)影像測圖情況，尤其是云霧、冰雪等無法測制區(qū)域的測圖情況等，在雷達立體觀測環(huán)境下，疊加光學(xué)等高線數(shù)據(jù)及具有高程信息的要素:①全面套合查看光學(xué)影像測圖的成果，修正光學(xué)影像不能滿足測圖精度的數(shù)據(jù);②補充光學(xué)影像無法測繪的區(qū)域，其工藝流程如圖1所示。

圖1 利用雷達影像修測地貌工藝流程

2.2 地物要素的更新和新增

利用機載SAR的四種正射影像圖(即X波段干涉數(shù)據(jù)的兩個側(cè)視方向正射影像圖和P波段極化數(shù)據(jù)的兩個側(cè)視方向正射影像圖)，對地物要素進行判讀和采集。室內(nèi)解譯由內(nèi)、外業(yè)人員一起，借助野外實地采集的雷達解譯樣本，按照雷達影像的解譯原則，通過將雷達影像和光學(xué)影像進行比對展開室內(nèi)解譯:①在雷達正射影像上判繪光學(xué)影像上沒有或無法判繪的地物和地表覆蓋信息;②處理SAR影像解譯后新增或更新要素與原要素之間的相互關(guān)系，其工藝流程如圖2所示。

圖2 利用雷達影像更新地物工藝流程

2.3 實例分析

(1)利用機載SAR立體雷達影像進行地貌修測或測繪

由于SAR雷達影像不受云、雪、霧的影響，因此，可利用機載SAR雷達立體影像將光學(xué)影像中被云、雪、霧覆蓋或山的陰影處只能粗略表示的地貌進行準(zhǔn)確表達，使地形圖中表達的地貌信息準(zhǔn)確，地形與實地相符合。如圖3中，由于山勢較高，在光學(xué)影像山的陰影處測繪的地貌，不能準(zhǔn)確表示實地地形情況，導(dǎo)致測繪的地形失真。而在圖4中，該區(qū)域利用機載SAR立體模型采集的地貌明顯更真實地反映了實地的地形，溝谷明顯，細貌真實。

圖3 光學(xué)影像山陰影處采集的地貌

(2)利用機載SAR雷達正射影像進行地物更新

對鐵絲網(wǎng)、電力線等光學(xué)影像很難判繪的地物，在機載SAR正射影像上清晰可見，如圖5、圖6為同一區(qū)域的光學(xué)和雷達正射影像，圖5光學(xué)影像中鐵絲網(wǎng)無法判讀，圖6機載SAR的P波段正射影像中鐵絲網(wǎng)(橫穿東西的亮黃色線狀物)清晰可見。

對云遮蓋或陰影下以及被雪覆蓋的地物，在機載SAR正射影像上清晰可見，如圖7中為光學(xué)影像中被云遮蓋的道路，在圖8機載SAR的X波段正射影像中清晰可見;如圖9中被雪覆蓋的湖泊，在圖10機載SAR的X波段正射影像中清晰可見。

圖4 雷達影像山陰影處采集的地貌

圖5 光學(xué)正射影像

圖6 機載SAR正射影像

圖7 有云遮蓋的光學(xué)正射影像

圖8 機載SAR的X波段正射影像

圖9 有雪覆蓋的光學(xué)正射影像

3 機載SAR在地形圖生產(chǎn)中應(yīng)用的不足

因SAR為斜距成像，由地形起伏引起的影像幾何失真大、輻射畸變突出，在高山地區(qū)表現(xiàn)得尤為突出，從而阻礙了從SAR影像中提取信息，并與其他具有地理參考的信息的綜合應(yīng)用。如圖11和圖12為同一區(qū)域的光學(xué)正射影像和機載SAR的P波段正射影像，圖11中各種植被(旱地、林地、草地等)之間的界線可很好地進行判繪，且植被也直觀易解譯，而在圖12中，地界并不明顯，且植被不直觀。

圖10 機載SAR的X波段正射影像

圖11 光學(xué)正射影像

圖12 機載SAR的P波段正射影像

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［2］CH/T1009—2010 全球定位實時動態(tài)(RTK)測量技術(shù)規(guī)范［S］

［3］張祖勛，張劍清.數(shù)字攝影測量［M］.武漢:武漢測繪科技大學(xué)出版社，1996