用攝影測量觀念理解InSAR技術(shù)

靳國旺

(1．信息工程大學(xué) 地理空間信息學(xué)院，河南鄭州450052;2．中國測繪科學(xué)研究院，北京100039)

一、引 言

傳統(tǒng)的攝影測量是利用光學(xué)攝影機獲取被測對象的硬拷貝像片，研究和確定所攝物體的形狀、大小、性質(zhì)及其空間位置的理論、技術(shù)和方法[1]。經(jīng)歷了模擬攝影測量、解析攝影測量和數(shù)字?jǐn)z影測量3個階段，如今其概念已得到擴(kuò)展。授課過程中，通常把攝影測量定義為：攝影測量是利用攝影機或其他傳感器采集被測對象的圖像信息，通過加工處理和分析，獲取有價值的可靠信息的理論和技術(shù)[2]。從所處理的圖像來看，目前的攝影測量既可以處理傳統(tǒng)的硬拷貝像片，又可以處理數(shù)字化影像或數(shù)字影像。按獲取影像的傳感器類別劃分，攝影測量可分為光學(xué)(可見光)攝影測量、雷達(dá)攝影測量和X射線攝影測量等。

由于利用雷達(dá)傳感器獲取被測對象圖像的方式與傳統(tǒng)攝影方法獲取目標(biāo)圖像的方式不同，關(guān)于“雷達(dá)攝影測量”概念是否合適尚存在一些分歧。結(jié)合擴(kuò)展的攝影測量定義，本文認(rèn)為利用雷達(dá)傳感器獲取被測對象的圖像信息屬于廣義攝影的范疇，“雷達(dá)攝影測量”概念正確，它是利用雷達(dá)成像傳感器獲取被測對象的圖像信息，通過加工、處理和分析，獲取被測對象的形狀、大小、空間位置、性質(zhì)[3]及相互關(guān)系等有價值的可靠信息的理論和技術(shù)，是攝影測量的重要分支之一。雷達(dá)攝影測量中，合成孔徑雷達(dá)(synthetic aperture radar，SAR)技術(shù)和合成孔徑雷達(dá)干涉測量(interferometric synthetic aperture radar，InSAR)技術(shù)各有所長。

在測繪生產(chǎn)中，光學(xué)攝影測量技術(shù)應(yīng)用較多，但隨著近年來國家西部大開發(fā)戰(zhàn)略的實施和國家測圖工程的開展，面向常年陰雨、云霧地區(qū)測繪的雷達(dá)攝影測量技術(shù)迅速發(fā)展和應(yīng)用，特別是具有快速、全天時、全天候、高精度等突出優(yōu)勢的InSAR技術(shù)已在全球地形測繪中發(fā)揮了重要作用，受到廣泛關(guān)注。但I(xiàn)nSAR技術(shù)往往被視為與攝影測量不同的技術(shù)，容易忽視它與傳統(tǒng)光學(xué)攝影測量的共性。因此本文將分析、總結(jié)InSAR技術(shù)與傳統(tǒng)光學(xué)攝影測量技術(shù)的相通之處，提出用攝影測量觀念看待InSAR技術(shù)的理念，強調(diào)InSAR技術(shù)是一種廣義的攝影測量技術(shù)，結(jié)合測繪生產(chǎn)需求，設(shè)計InSAR測繪作業(yè)流程，給出一些需要注意的問題。

二、InSAR簡述

InSAR是利用具有一定視角差的兩部天線(或一部天線兩次經(jīng)過)獲取被測對象具有相干性的復(fù)數(shù)圖像信息，并通過匹配、干涉圖濾波、相位解纏、基線估計、相位高程轉(zhuǎn)換等處理環(huán)節(jié)，由其干涉相位反演地形信息或者形變信息的理論和技術(shù)[5]。

如圖1所示，InSAR處理流程主要包括：主輔圖像匹配、預(yù)濾波、干涉圖生成、去平地效應(yīng)、干涉圖濾波、干涉質(zhì)量評價、相位解纏、基線估計、高程信息反演、DEM重建和正射影像制作等步驟。其中，預(yù)濾波和去平地效應(yīng)為可選步驟，在一些處理方案中可不采用。

InSAR技術(shù)已在全球高精度地形測繪中表現(xiàn)出了非凡優(yōu)勢[5]，它在常年多云、多雨、多霧地區(qū)的地形測繪中具有重要的應(yīng)用價值。但我國面向測繪生產(chǎn)的InSAR技術(shù)研究起步較晚，忽視了InSAR技術(shù)與傳統(tǒng)光學(xué)攝影測量技術(shù)之間的密切聯(lián)系，影響了我國InSAR技術(shù)的實用化進(jìn)程。

為了增進(jìn)對InSAR技術(shù)的理解，本文將總結(jié)InSAR與攝影測量之間的共性，提出了用攝影測量觀念理解InSAR技術(shù)的理念，以期借鑒現(xiàn)有的攝影測量生產(chǎn)經(jīng)驗設(shè)計實用化的InSAR測繪生產(chǎn)方案。

圖1 InSAR處理流程

三、InSAR與光學(xué)攝影測量的共性

(1)均利用電磁波成像

雖然傳統(tǒng)的攝影是利用可見光成像，屬于被動成像方式，而雷達(dá)成像依靠雷達(dá)系統(tǒng)發(fā)射微波成像，屬于主動成像方式，但不管是可見光還是微波，它們都屬于廣義的電磁波，利用它們獲取被測目標(biāo)的圖像均屬于廣義的攝影范疇。

(2)成像時均滿足角分辨率的理論公式

無論是光學(xué)成像，還是雷達(dá)成像，它們都屬于電磁波成像，在成像規(guī)律上存在同一性。對于真實孔徑成像，若以ρθ表示角分辨率;λ表示波長;D表示孔徑大小;k表示經(jīng)驗系數(shù)。則它們都滿足角分辨率的理論公式

從式(1)可以看出，在孔徑相通的條件下，波長越長，角分辨率越低，而微波波長比光波波長大幾個數(shù)量級，所以真實孔徑雷達(dá)成像的角分辨率較低。為了提高成像分辨率，已廣泛采用合成孔徑雷達(dá)成像方式，即利用相干方式成像來提高分辨率，這容易引起誤解：SAR成像和光學(xué)成像存在本質(zhì)差異。

如前所述，若采用真實孔徑成像方式，雷達(dá)成像分辨率要比光學(xué)成像分辨率低幾個數(shù)量級，因此為了提高分辨率，雷達(dá)成像一般采用合成孔徑方式。而目前的光學(xué)成像系統(tǒng)即使采用真實孔徑方式成像，分辨率也能滿足大量應(yīng)用需求，所以往往忽視光學(xué)相干成像方式。實際上，無論是雷達(dá)系統(tǒng)還是光學(xué)系統(tǒng)，均可采用相干成像方式提高成像的分辨率，其分辨率極限均取決于所采用的電磁波信號的帶寬。所以，為了進(jìn)一步提高光學(xué)系統(tǒng)的成像分辨率，采用合成孔徑方式成像必將成為重要的發(fā)展方向。

(3)所得圖像都是從三維空間向二維平面的投影

傳統(tǒng)光學(xué)攝影采用的是中心投影方式，滿足像點、投影中心、物點3點共線的條件，可用共線條件方程來表達(dá)物點和像點之間的關(guān)系;SAR成像采用的是距離投影，滿足天線相位中心與物點之間的距離與像點所代表的距離相等條件，可用距離條件和多普勒條件表示物點和像點之間的關(guān)系。

換言之，光學(xué)圖像和SAR圖像都是對三維空間的二維投影，其物點和像點之間的關(guān)系均可由兩個方程式構(gòu)成的方程組來表達(dá)，區(qū)別僅是方程的形式不同。

對于光學(xué)圖像，若以(x，y)表示像點坐標(biāo)，(x0，y0，-f)表示攝影像片的內(nèi)方位元素;(X，Y，Z)表示地面點坐標(biāo);(XS，YS，ZS)表示攝站點坐標(biāo);(ai，b，ci)(i=1，2，3)表示方向余弦。則攝影時的共線條件方程可表達(dá)為

對于SAR圖像，若以(x，y)表示SAR斜距圖像像點坐標(biāo);(X，Y，Z)表示地面點坐標(biāo);Ds0表示近距延遲;My表示圖像的斜距向采樣間隔;λ表示雷達(dá)波波長;fdc表示多普勒頻移;P表示目標(biāo)點的位置矢量;表示目標(biāo)點的速度矢量;矢量A表示天線相位中心的位置矢量;表示天線相位中心的速度矢量。則SAR成像時滿足的方程為

(4)都離不開三角形交會

無論是光學(xué)立體攝影測量，還是InSAR測量，其基本原理都離不開三角形交會。如圖2所示，光學(xué)立體攝影測量采用的是兩條直線相交，可理解為是角度交會;而InSAR采用的是兩個圓弧相交，可理解為距離交會。

圖2 交會三角形

(5)均利用“視差”測量

在光學(xué)立體攝影測量中，左右視差與被測目標(biāo)的高度(深度)密切聯(lián)系，左右視差的變化直接反應(yīng)了高度的變化;在InSAR中，地面高程的變化反映在干涉相位的變化中，其干涉相位與左右視差存在密切聯(lián)系。若用p表示左右視差;Δφ表示解纏干涉相位;φ0表示干涉相位偏置;Mr表示距離向采樣間隔。則以像素數(shù)表達(dá)的左右視差與干涉相位的關(guān)系為

重復(fù)軌道InSAR

雙天線InSAR

在InSAR中，要求基線較短，此時干涉相位的變化對應(yīng)的視差變化較小，因而一般目視難以發(fā)現(xiàn)其變化。

近幾年快速發(fā)展的小基高比(短基線)光學(xué)攝影測量方法與InSAR測量方法存在很多相似之處，在短基線條件下，提高視差測量精度是提高目標(biāo)測量精度的關(guān)鍵，因而需要重視相位信息的利用。

(6)為減少對控制點數(shù)量的需求，均需采用區(qū)域網(wǎng)平差方法

在可見光攝影測量生產(chǎn)作業(yè)中，通常采用區(qū)域網(wǎng)平差方法由少量地面控制點加密出測圖用的大量地面控制點，從而實現(xiàn)稀疏控制條件下的大面積測圖。

在前期InSAR研究和處理中，由于缺乏實際測繪生產(chǎn)需求牽引，忽視了對區(qū)域網(wǎng)平差技術(shù)的研究，同時也給人們造成了“InSAR與攝影測量不同，無需區(qū)域網(wǎng)平差”的觀念。但隨著國家西部測圖工程的實施，如何在大區(qū)域范圍內(nèi)采用盡量少的地面控制點進(jìn)行InSAR地形測圖問題擺在我們面前。若不采用區(qū)域網(wǎng)平差方法進(jìn)行InSAR處理，將存在以下問題：

1)對于每個干涉像對，都需要足夠數(shù)量、分布合理的地面控制點。在大區(qū)域范圍內(nèi)完成所有干涉像對的干涉處理就需要大量、分布合理的地面控制點，從而需要消耗大量的時間、人力和財力;

2)試驗結(jié)果表明，由于干涉參數(shù)解算誤差的存在，不同干涉數(shù)據(jù)獲取的DEM及正射影像之間存在較大的相對誤差，影響了后續(xù)處理。因此，對于In-SAR處理而言，仍需借鑒傳統(tǒng)攝影測量中已成熟運用的區(qū)域網(wǎng)平差思想，由少量的地面控制點，通過各干涉像對之間的同名連接點，解算各干涉像對的干涉參數(shù)并加密測圖用的大量地面控制點。

(7)均可利用多基線策略提高穩(wěn)健性

在突變地形、高樓林立的城市等特殊條件下，均需要采用多基線技術(shù)來解決病態(tài)問題，提高測量的可靠性和穩(wěn)健性。

在傳統(tǒng)光學(xué)攝影測量中，為了減小攝影測量處理中的病態(tài)問題，提高影像匹配的自動化程度和攝影測量的精度，往往采用多基線攝影測量方式。

在面向陡峭地形、城市等復(fù)雜情況測圖時，InSAR技術(shù)難以有效發(fā)揮作用。若基線較短，獲取的高程精度較低;若基線較長，雖然理論上能獲取較高的高程精度，但由于疊掩、相位欠采樣等因素的影響，很難有效地進(jìn)行干涉圖濾波和相位解纏，給其測繪應(yīng)用帶來困難。為了提高對復(fù)雜地表的干涉處理能力，也需采用多基線技術(shù)，它與多基線攝影測量技術(shù)具有相通性，充分利用不同基線干涉數(shù)據(jù)之間的互補信息，提高干涉測量的精度和可靠性。

(8)均涉及影像鑲嵌、判讀、調(diào)繪、控制點測量等

與光學(xué)攝影測量類似，InSAR測繪作業(yè)包括內(nèi)業(yè)和外業(yè)兩大部分。內(nèi)業(yè)工作主要包括成像處理、干涉處理、同名點選點、影像判繪、矢量數(shù)據(jù)采集、編輯、控制點加密、干涉參數(shù)定標(biāo)等工作;外業(yè)工作主要包括控制點布設(shè)、控制點測量、野外調(diào)繪等工作。

四、InSAR測繪作業(yè)流程設(shè)計

借鑒光學(xué)攝影測量作業(yè)方案，設(shè)計了如圖3所示的InSAR測繪作業(yè)流程，主要包括：成像處理、輻射校正、幾何參數(shù)與干涉參數(shù)定標(biāo)和控制點加密、干涉處理、DEM和正射影像的鑲嵌與分幅、矢量采集與編輯、調(diào)繪等關(guān)鍵步驟。

圖3 InSAR測繪作業(yè)流程

在InSAR測繪作業(yè)中，需要注意以下細(xì)節(jié)問題：

1)對于相位解纏，應(yīng)考慮相干性的影響，需考慮解纏的正確性和精度，而不是單純地為了完成所有干涉數(shù)據(jù)的相位解纏。對于陰影、疊掩、水域及其他相干性較低的區(qū)域，可不進(jìn)行解纏，而采用其他處理策略，以免影響后續(xù)處理。

2)由于噪聲等因素的影響，獲取的DEM中存在粗差，因此，干涉處理中需考慮DEM的粗差探測、剔除和人工編輯等工作。

3)為了減少系統(tǒng)誤差積累，在SAR成像和干涉處理時，應(yīng)采用方位向分塊處理策略，而不是盡量大范圍一次成像和干涉處理。

4)在布設(shè)地面控制點時，應(yīng)考慮周邊、均勻布設(shè)方案。

5)大區(qū)域InSAR處理時，應(yīng)考慮各航線之間的適度重疊，以利于連接點選取、區(qū)域網(wǎng)平差和控制點加密等工作。

五、結(jié)束語

本文從攝影測量和雷達(dá)干涉測量的基本概念出發(fā)，分析、總結(jié)了傳統(tǒng)光學(xué)攝影測量和雷達(dá)干涉測量之間的共同點，結(jié)合雷達(dá)干涉測量在實際測繪生產(chǎn)中所面臨的問題，提出了用攝影測量觀念理解InSAR技術(shù)的理念，設(shè)計了InSAR測繪作業(yè)流程，給出了一些需要注意的細(xì)節(jié)問題。

本文觀點是筆者結(jié)合攝影測量教學(xué)實踐和In-SAR技術(shù)的理論及應(yīng)用研究提出的，僅代表個人觀點，不妥之處敬請各位專家和同行批評指正。

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