基于InSAR技術(shù)的DEM提取及誤差分析

陳雷

摘要：合成孔徑雷達(dá)具有全天時(shí)全天候的對(duì)地實(shí)時(shí)觀測(cè)優(yōu)勢(shì)，結(jié)合干涉測(cè)量精度高的特點(diǎn)，InSAR技術(shù)能夠提取高精度的數(shù)字高程模型以及對(duì)地表微小形變進(jìn)行監(jiān)測(cè)。干涉測(cè)量利用其豐富的相位信息轉(zhuǎn)化為高程信息，再加上獲取SAR圖像的優(yōu)勢(shì)使得InSAR提取DEM得以廣泛應(yīng)用，是近年來(lái)研究的熱點(diǎn)之一。本文以多種星載SAR數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，應(yīng)用多種SAR干涉處理軟件進(jìn)行DEM提取的研究，并進(jìn)行精度對(duì)比。首先闡述了合成孔徑雷達(dá)的基本原理，并介紹了干涉測(cè)量的主要工作方式。然后研究了InSAR生成DEM的基本處理流程，包括數(shù)據(jù)配準(zhǔn)，干涉條紋圖的生成，去平地效應(yīng)和濾波，相位解纏，地理編碼，DEM的生成。以ERS-1/2和ENVISAT數(shù)據(jù)為例應(yīng)用ERDAS IMAGINE的InSAR模塊進(jìn)行處理，每一步都給出了具體的說(shuō)明。

Abstract： The synthetic aperture radar has the advantages of all-weather and all-time observation for the ground. Combined with the characteristics of high interferometry precision， InSAR technology can extract high precision digital elevation model and monitor the small deformation of the surface. Interferometry transforms its abundant phase information into elevation information. The advantage of accessing SAR image makes the application of extracting DEM by InSAR more wide. It is one of the hot spot of research in recent years. Based on a variety of spaceborne SAR data， this paper uses many SAR interference processing softwares to study DEM extraction and carry out the precision comparison. It firstly expounds the basic principle of synthetic aperture radar and introduces the main work pattern of interferometric measure. And then， it studies the basic processing procedure of InSAR to generate DEM， the processing procedure includs data registration， the generation of interference fringes pattern， elimination of flat-earth effect and smoothing， phase unwrapping， geocoding， DEM generation. ERS-1/2 and ENVISAT data is taken as an example to process by tha application of InSAR module of ERDAS IMAGINE， each step is given the specific instructions.

關(guān)鍵詞：干涉合成孔徑雷達(dá)；影像配準(zhǔn)；干涉條紋圖；相位解纏；DEM

Key words： interferometric synthetic aperture radar；image registration；interference fringes pattern；phase unwrapping；DEM

中圖分類號(hào)：P237 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-4311（2016）09-0221-04

0 引言

近年來(lái)，隨著數(shù)字地球、數(shù)字中國(guó)、數(shù)字區(qū)域、數(shù)字城市等研究在全球的蓬勃展開，DEM為這些數(shù)字工程提供著重要的空間數(shù)據(jù)支持，是其創(chuàng)建和應(yīng)用的基礎(chǔ)。另外隨著遙感技術(shù)的發(fā)展，利用遙感影像獲取DEM在我國(guó)西部測(cè)繪工作也已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用。本文在深入研究InSAR影像提取DEM的關(guān)鍵技術(shù)理論的基礎(chǔ)上，對(duì)各關(guān)鍵技術(shù)已有算法進(jìn)行了分析與總結(jié)，使用多種數(shù)據(jù)對(duì)InSAR影像提取DEM的技術(shù)流程與方法進(jìn)行了實(shí)施和比較其優(yōu)缺點(diǎn)。并對(duì)提取的DEM進(jìn)行了有效的精度分析，總結(jié)了影響DEM精度的一些因素。

1 主要研究?jī)?nèi)容

干涉合成孔徑雷達(dá)（InSAR）是微波遙感領(lǐng)域發(fā)展的重要方向，它不僅具有SAR的優(yōu)點(diǎn)，而且由于利用了雷達(dá)回波的相位信息，使得InSAR在獲取地表數(shù)字高程模型和地形微小形變方面起到越來(lái)越重要的作用。隨著星載和機(jī)載SAR系統(tǒng)的迅速發(fā)展，InSAR數(shù)據(jù)處理技術(shù)的研究也在蓬勃發(fā)展，這些新的發(fā)展改善了SAR圖像質(zhì)量和拓展了新的應(yīng)用。本文針對(duì)InSAR技術(shù)獲取DEM開展研究，主要包括以下內(nèi)容：

①深入研究合成孔徑雷達(dá)干涉測(cè)量的基本原理、測(cè)量方式以及數(shù)據(jù)處理的主要流程和主要方法。

②研究InSAR圖像提取DEM的配準(zhǔn)和干涉圖濾波方法[1]。對(duì)目前的經(jīng)典的配準(zhǔn)方法和SAR濾波方法分別進(jìn)行分析對(duì)比，研究各種算法的適用性及優(yōu)缺點(diǎn)。

③使用ERDAS和SARscape軟件進(jìn)行提取DEM的主要流程，本文主要研究ERS-1/2串聯(lián)飛行和ENVISAT的bam地震區(qū)的數(shù)據(jù)在軟件支持下的數(shù)據(jù)處理流程，并對(duì)各部分的處理結(jié)果作出比較和分析。

2 數(shù)據(jù)來(lái)源

2003年12月26日世界時(shí)01時(shí)56分52秒，伊朗東南部發(fā)生里氏6.5級(jí)強(qiáng)地震，有千年歷史的古城巴姆（Bam）附近，震中經(jīng)緯度為29.01N，58.26E。本實(shí)驗(yàn)采用的數(shù)據(jù)是2003年12月和2004年一月獲取的該地區(qū)的雷達(dá)單視復(fù)圖像圖1。

3 技術(shù)路線

研究了利用SAR數(shù)據(jù)獲取DEM的處理流程和方法，包括影像的配準(zhǔn)，干涉條紋圖的生成，去平地效應(yīng)，濾波去除噪聲，相位解纏，地理編碼，DEM的生成，并對(duì)每一步的原理進(jìn)行了詳細(xì)的闡述。最后，本文以ERS-1/2和ENVISAT數(shù)據(jù)為例，以ERDAS IMAGINE和SARscape軟件為基礎(chǔ)，應(yīng)用研究的處理方法，做了整個(gè)的干涉數(shù)據(jù)處理流程的試驗(yàn)，對(duì)獲得的DEM進(jìn)行了精度分析和解釋。

4 DEM提取過(guò)程

4.1 基于ERDAS Imagine系統(tǒng)完成DEM的提取

利用ERDAS Imagine軟件系統(tǒng)中RADAR模塊的子模塊InSAR，它是利用干涉技術(shù)對(duì)SAR影像進(jìn)行DEM提取[2]的專用模塊。

①數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，利用InSAR模塊處理的雷達(dá)影像只能用ERDAS的專用格式（*.img），因此在進(jìn)行處理之前得進(jìn)行數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換，即必須將原始的SLC的SAR圖像轉(zhuǎn)換為*.img格式。ERDAS在輸入輸出模塊提供了這種格式的轉(zhuǎn)換。本次試驗(yàn)用的是ERS的數(shù)據(jù)，包括5個(gè)文件，其中dat_01.001是記錄數(shù)據(jù)的主要文件，格式轉(zhuǎn)換該文件。

②數(shù)據(jù)導(dǎo)入，將格式轉(zhuǎn)換之后的主從影像在Reference Image和Match Image文件選擇框中選擇導(dǎo)入。

③影像配準(zhǔn)，影像配準(zhǔn)包括粗配準(zhǔn)和精配準(zhǔn)。所謂配準(zhǔn)是指主從影像上的同名點(diǎn)，通過(guò)計(jì)算偏移量，建立兩幅圖像之間的對(duì)應(yīng)數(shù)學(xué)關(guān)系。首先進(jìn)行醋配準(zhǔn)。再進(jìn)行完粗配準(zhǔn)后，從影像進(jìn)行重采樣處理，然后采用相同的方法自動(dòng)匹配搜索，得到一系列的像素點(diǎn)的偏移量和延展值。當(dāng)子像元配準(zhǔn)精度達(dá)到1/8像元時(shí)，便可滿足干涉處理要求。

④航跡修正，根據(jù)現(xiàn)有的軌道預(yù)測(cè)和建模技術(shù)需要對(duì)傳感器的軌跡進(jìn)行修正。修正參考圖像和匹配圖像需要有地面控制點(diǎn)文件。

⑤影像裁剪，影像裁剪根據(jù)用戶需求選擇研究區(qū)的范圍對(duì)影像進(jìn)行裁剪，輸出的DEM就是裁剪后的那一部分。本次試驗(yàn)選擇最大重疊區(qū)域進(jìn)行裁剪。

⑥干涉圖生成，生成干涉圖是為了提取正確的干涉相位，并用于InSAR圖像的相位解纏。首先選擇參考DEM，然后執(zhí)行干涉條紋圖的生成。

⑦相位解纏，相位解纏是同觀測(cè)相位計(jì)算絕對(duì)相位的過(guò)程。通過(guò)設(shè)置起始和終止相干系數(shù)，對(duì)相位解纏進(jìn)行人工干預(yù)，控制哪些點(diǎn)會(huì)被解纏哪些點(diǎn)不會(huì)被解纏。當(dāng)參數(shù)確定后可以采用最小二乘法或路徑跟蹤法進(jìn)行相位解纏。

⑧高程計(jì)算和地理編碼，經(jīng)過(guò)相位解纏后可以得到每個(gè)點(diǎn)的斜高，然后利用各點(diǎn)斜高及其相互關(guān)系可以計(jì)算出模型中各點(diǎn)的高程。此步驟中需要設(shè)定輸出DEM的文件名、輸出路徑和空間分辨率。InSAR模塊默認(rèn)的投影方式為主影像的投影方式，因此可以進(jìn)行設(shè)置。沒有地面控制點(diǎn)得到的DEM為相對(duì)高程。在執(zhí)行完成后可以看到Height Values Type為relative。

⑨生成最終DEM成果圖2，通過(guò)上面一系列的步驟可以得到DEM數(shù)據(jù)，用ERDAS系統(tǒng)的影像觀察窗打開，也可以在Virtual GIS窗口進(jìn)行三維立體顯示，更直觀的觀測(cè)研究區(qū)的地形起伏狀況[3]。

4.2 基于SARscape提取DEM

①數(shù)據(jù)導(dǎo)入。首先將原始的雷達(dá)記錄數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成SARscape下可以進(jìn)行后續(xù)處理的SLC復(fù)數(shù)據(jù)格式，在SARscape下的basic菜單Import Data-Standart Format選擇傳感器類型、數(shù)據(jù)類型和版本，選擇其對(duì)應(yīng)的格式和輸出路徑，執(zhí)行。

②獲取參考DEM。在SARscape下對(duì)轉(zhuǎn)換的復(fù)影像數(shù)據(jù)進(jìn)行干涉計(jì)算有兩種方式：有DEM參考和無(wú)DEM參考。后者需要設(shè)置投影參數(shù)，前者直接通參考DEM中提取。

③生成干涉圖。這一步是生成干涉圖，輸入兩景SLC 數(shù)據(jù)，輸出數(shù)據(jù)是經(jīng)過(guò)配準(zhǔn)和多視的兩景數(shù)據(jù)的干涉圖，和主從影像的強(qiáng)度圖。對(duì)該數(shù)據(jù)集，距離向?yàn)?方位向?yàn)? 的多視，約可得到15m的地面分辨率。

④去平地效應(yīng)。高質(zhì)量的干涉圖對(duì)DEM的生成十分關(guān)鍵，尤其是平地效應(yīng)的影響?！捌降匦?yīng)”是隨距離向和方位向的變化高度不變的平地在干涉紋圖中所表示出來(lái)的干涉條紋呈周期性變化的現(xiàn)象。“平地效應(yīng)”可通過(guò)對(duì)干涉信號(hào)乘以復(fù)相位函數(shù)來(lái)去除。

⑤自適應(yīng)濾波及相干性計(jì)算。對(duì)上一步去平后的干涉圖進(jìn)行濾波，去掉位相噪聲。同時(shí)生成干涉的相干圖和濾波后的主影像強(qiáng)度圖。

⑥相位解纏。由于干涉相位是以2π為模，所以只要相位變化超過(guò)了2π，就會(huì)重新開始和循環(huán)。

⑦選擇控制點(diǎn)，生成GCP文件。這些控制點(diǎn)必須要分布在整景圖像上，盡可能的選相干系數(shù)比較大的地方，避免選擇地形殘差條紋區(qū)域。

⑧軌道精煉和重去平。

⑨相位高程轉(zhuǎn)換生成DEM。

這一步是將經(jīng)過(guò)絕對(duì)校準(zhǔn)和解纏的實(shí)際相位，結(jié)合合成相位，轉(zhuǎn)換為DEM 并進(jìn)行地理編碼。生成進(jìn)行了地理編碼的DEM 文件、相干圖像，還有在數(shù)據(jù)鑲嵌中會(huì)用到的兩個(gè)圖像精度圖像和分辨率圖像。見圖3。

5 試驗(yàn)結(jié)果及精度分析

試驗(yàn)的DEM成果：

①圖4為 ERS-1/2數(shù)據(jù)提取的我國(guó)西南某地區(qū)的DEM成果圖。

在實(shí)際應(yīng)用中，常用的DEM 精度評(píng)價(jià)方法有檢查點(diǎn)法、剖面法、等高線回放法等[4]。下面應(yīng)用剖面法進(jìn)行分析：在生成的DEM中任意選兩個(gè)位置畫出大致水平和垂直的線，即剖面圖，提取它們的高程值，其剖面圖如下。由圖5可以看出該地區(qū)自西向東海拔逐漸增加，而南北向則變化不規(guī)則，起伏不定。

②圖6為Bam地區(qū)的DEM成果圖。

圖7和圖8為隨機(jī)在Bam地區(qū)DEM成果圖中選取X、Y方向作剖面，其高程值變化如圖所示。

圖9為DEM精度圖，精度統(tǒng)計(jì)信息：DEM最大誤差為25.309999m，最小誤差為0.280000m，誤差均值為4.987169m，標(biāo)準(zhǔn)差為4.664205m。上述數(shù)據(jù)滿足精度為30m的要求。

6 結(jié)論

影響DEM精度的誤差因素有很多，最明顯的是地形坡度坡向的影響，由上述結(jié)果可知海拔越高，誤差越大；坡度越大，誤差頁(yè)越大。另外一些城市建筑也對(duì)最終的DEM精度有很大影響。InSAR技術(shù)提取的DEM的精度與SRTM-3 DEM存在系統(tǒng)誤差的主要原因是：

①第一組研究區(qū)的數(shù)據(jù)由于地形起伏的比較大，有大量的植被覆蓋，雖然成像僅隔1天的時(shí)間，但時(shí)間失相關(guān)仍然存在，所以有較大的干涉相位噪聲，從而使得星載InSAR提取的DEM精度受到影響。②由于研究區(qū)域內(nèi)水系的存在，導(dǎo)致濕度比較大，因而不能消除由于大氣在空間和時(shí)間尺度上變化而引起的干涉相位附加延遲的變化，從而降低了DEM精度。③雖然兩組數(shù)據(jù)已經(jīng)通過(guò)控制點(diǎn)來(lái)進(jìn)行了精密軌道參數(shù)的校正，但由于衛(wèi)星定軌引起的誤差也不能完全消除，因而軌道誤差也影響干涉高程的精度。④另一個(gè)造成誤差的原因就是星載InSAR技術(shù)提取DEM和SRTM3 DEM大地水準(zhǔn)面不同。⑤Bam試驗(yàn)區(qū)和SRTM-3DEM成像時(shí)間分別是2003年末和2000年獲取的影像2002年生成的，因此在此期間人為的地形變化也降低了DEM的精度。

參考文獻(xiàn)：

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[4]唐新明，林宗堅(jiān)，吳嵐.基于等高線和高程點(diǎn)建立DEM的精度評(píng)價(jià)方法探討[J].遙感信息，1999（3）：7-10.