INSAR提取地面高程信息的實驗研究

馮 強(qiáng)

北京同創(chuàng)達(dá)勘測有限公司，北京 100048

利用合成孔徑雷達(dá)干涉測量（INSAR）技術(shù)快速獲取高精度數(shù)字高程模型（DEM）是目前INSAR技術(shù)的廣泛應(yīng)用之一。它在地信測繪、地表變形監(jiān)測、冰川運動研究等方面都表現(xiàn)出了全天候、全天時、不受大氣和氣候影響、高精度高效率等突出優(yōu)勢。

目前，世界上有許多科研及應(yīng)用單位致力于SAR干涉技術(shù)及其應(yīng)用實踐和軟件的開發(fā)，比較著名的事Earthview、Gamma等，本文立足國內(nèi)研發(fā)的軟件，利用中國測科院研究開發(fā)的軟件進(jìn)行INSAR技術(shù)提取DEM實驗，發(fā)現(xiàn)該方法易于掌握且效果較好。

1 INSAR的基本干涉原理

INSAR獲取數(shù)字地面DEM技術(shù)的基本激光干涉原理，主要是利用同區(qū)域，具有激光條紋干涉幾何構(gòu)成模型成像能力，兩幅或者多幅SAR天線，獲取同一地區(qū)具有一定視差的兩幅圖像，該圖像是有干涉信息，同時也是單視復(fù)數(shù)主輔圖像，并根據(jù)其干涉相位信息進(jìn)行分析計算，用最小范數(shù)反演出地面的高程數(shù)值，從而建立該地區(qū)的DEM[1]。

本實驗采用的是雙天線INSAR系統(tǒng)，即在SAR平臺上（飛機(jī)）安置兩（多）幅SAR天線，其中一幅天線向地面發(fā)射雷達(dá)激光波，另外的兩（多）幅天線，在同時相內(nèi)，接收雷達(dá)波到達(dá)地面后的向散射反射輻射回波，從而得到相應(yīng)同區(qū)域的兩（多）幅單視復(fù)數(shù)主輔輻射圖像。采用該方式可以同時獲取同一區(qū)域的主、輔含干涉波的數(shù)字輻射圖像，這樣的回波圖像具有的相干性很好的特性，可以利用干涉的波譜原理進(jìn)行處理、分析和應(yīng)用。

2 INSAR數(shù)據(jù)圖像處理一般流程

INSAR獲取數(shù)字DEM工作流程主要包括：地理配準(zhǔn)復(fù)數(shù)主輔圖像、生成雷達(dá)干涉主輔影像圖匹配、評價雷達(dá)干涉圖像質(zhì)量因子、去平地雷達(dá)效應(yīng)、地雷干涉圖像濾波、相位干涉解纏、雙基線計算與干涉參數(shù)確定、數(shù)字DEM采集和重建等。

2.1 復(fù)數(shù)圖像配準(zhǔn)

對于機(jī)載雙天線INSAR主、輔圖像的配準(zhǔn)，由于干涉主輔圖像之間的之間存在相對偏（平）移，但偏移量較小，可以通過軌道參數(shù)進(jìn)行計算減弱，可采用數(shù)值一級像元級匹配、子像元級二級灰度匹配和地理配準(zhǔn)模型計算三步完成配準(zhǔn)工作。

2.2 干涉圖生成

利用回波干涉影像計算出的基準(zhǔn)地理影像配準(zhǔn)后的模型，對主、輔雷達(dá)圖像進(jìn)行重采集采樣，并將主、輔圖像的同名相應(yīng)像元的復(fù)數(shù)值進(jìn)行向量共軛相乘，加入非平行軌道情況的多高程點基線估計方法，計算干涉圖。

2.3 評價干涉影像質(zhì)量因子

為了評價雷達(dá)影像干涉質(zhì)量因子好壞并為干涉濾波和后續(xù)激光相位解纏提供參考依據(jù)和數(shù)值參數(shù)，從而計算出干涉質(zhì)量圖文件。

以上三步可通過軟件輸入原始圖像、參數(shù)文件，同時進(jìn)行計算，計算結(jié)果見圖1～3所示。

圖1 原始機(jī)載SAR圖像

圖2 干涉圖

圖3 干涉質(zhì)量圖

2.4 去平地效應(yīng)

由于采用雙天線的情況，圖4干涉影像圖的條紋，明顯能看出表現(xiàn)為基本豎直，且基本平行的條紋紋理，對這些干涉條紋進(jìn)行基礎(chǔ)處理，經(jīng)一步降低了雷達(dá)干涉圖像的條紋幾何頻率，減小干涉圖像濾波和相位解纏的難度系數(shù)，利用計算的參數(shù)文件對干涉圖進(jìn)行去平地效應(yīng)工作，并計算平地干涉相位。

圖4 去平地干涉圖

2.5 干涉圖濾波

為減少干涉圖像里的相位噪聲，干涉圖像采用濾波前和后干涉相位的均方差來評價干涉圖濾波相位保持精度的策略，從而降低（減弱）相位解纏的難度，可通過人工輸入濾波指數(shù)進(jìn)行調(diào)整，實現(xiàn)精度較高、效果較好的濾波效果。

2.6 相位解纏

從干涉條紋圖像中，只能得到該相位的主值，它實際是以2π為模的不足一個周期內(nèi)的相位差，但每一次的單個測量值的整數(shù)相位周期卻不能從信號中得到（整周期）。為了重建數(shù)字DEM，需要恢復(fù)丟失的整數(shù)相位周期（整周模糊恢復(fù)），這一過程就是相位解纏[4]。

相位解纏作為INSAR技術(shù)中關(guān)鍵步驟，一直是INSAR數(shù)據(jù)處理中的難點和熱點問題，常用的方法有枝切法、最小費用流等方法，相位解纏處理后的相位圖如圖5所示。

圖5 解纏后的干涉圖

2.7 基線估計與干涉參數(shù)定標(biāo)

為了精確地進(jìn)行基線估計或干涉參數(shù)定標(biāo)，本次實驗是利用的已有的地面控制點文件，計算相應(yīng)地面的高程信息。

2.8 DEM重建

通過對干涉圖像的配準(zhǔn)、干涉圖生成、去平地效應(yīng)、干涉圖濾波、相位解纏和相位高程轉(zhuǎn)換等處理獲得了地面點的高程信息后，根據(jù)主（輔）影像的像點坐標(biāo)和定標(biāo)參數(shù)，經(jīng)過投影變換，把高程模型投影到相應(yīng)坐標(biāo)系下，最后根據(jù)要求進(jìn)行格網(wǎng)化間距重采樣得到標(biāo)準(zhǔn)的DEM，DEM成果。

3 結(jié)語

（1）通過實驗分析表明，利用INSAR技術(shù)進(jìn)行DEM的快速提取，已成為解決困難地區(qū)快速獲取地形圖和更新的重要手段之一，該方法可靠，有效。

（2）INSAR技術(shù)應(yīng)用尚面臨諸多困難：例如高山區(qū)域和城市地區(qū)的干涉處理與精確高程反演困難。例如疊掩、陰影的存在，容易導(dǎo)致干涉處理困難、高程精度低等情況。

（3）基線估計是難點。本次實驗是利用的已知的控制點進(jìn)行了基線估計或干涉參數(shù)定標(biāo)。對于控制點布設(shè)困難地區(qū)，干涉測量精度可能會受限。

[1] 肖國超，朱彩英.雷達(dá)攝影測量[M].北京：地震出版社，2001.

[2] 靳國，徐青，張紅敏.合成孔徑雷達(dá)干涉測量[M]. 國防工業(yè)出版社，2014.

[3] 靳國，徐青，何鈺.機(jī)載雙天線干涉SAR圖像的自動匹配[J].儀器儀表學(xué)報 （zl），2006：794-795.

[4] 廖明生，林琿.雷達(dá)干涉測量——原理與信號處理基礎(chǔ)[M].北京：測繪出版社，2003.