基于機載SAR影像調(diào)繪方法應用研究

王曉東

(中煤航測遙感局，西安 710199)

0 引言

機載雷達干涉測量(InSAR)技術，經(jīng)過近二十年的研究，其理論日臻成熟，并且由于雷達干涉測量具有以下優(yōu)點：①不依賴于太陽光，而是利用自身發(fā)射的電磁波，可以全天時工作；②能夠穿云破霧，不受天氣影響，可以全天候工作；③雷達干涉測量可以直接獲取地形的高程信息。許多歐美國家已將實用化的機載高分辨率InSAR 技術作為一種新的、先進的技術手段, 廣泛應用于地形測繪、森林測量、資源調(diào)查和環(huán)境制圖、地質環(huán)境和災害監(jiān)測等方面[1-3]。 我國也在近幾年開展了機載高分辨率InSAR技術在地形測繪方面的應用研究。

由于機載InSAR不同于光學航空攝影所獲取的影像[4]，無法采用原有的像片調(diào)繪方法進行地物的定性和定位。因此，本文針對這種機載InSAR新技術，研究其SAR影像的判讀定性和定位方法，從而解決基于SAR影像的調(diào)繪方法。

1 機載SAR影像的成像原理

由于SAR影像其特殊的側視成像機理，對于高出地表的地物，則產(chǎn)生頂?shù)孜灰片F(xiàn)象，即雷達波束到頂部A的時間比到底部B的時間短，頂部影像a先被記錄，底部影像b后被記錄，如圖1所示，因此頂部影像a和底部影像b的位置在單片SAR影像中不是同一位置(在正射投影中A與B、C與D被視為同一點)，其影像中的定位產(chǎn)生了誤差Δr：

Δr=Δh/tanη， ΔR=Δh/cosη

圖1 地物高度引起的投影差Figure 1 Relief displacement caused by object height

2 基于機載SAR影像調(diào)繪

2.1 基于SAR影像地物性質判讀

根據(jù)SAR影像進行地物的性質判讀，與光學影像判讀方法相似?？筛鶕?jù)SAR影像地物的直觀特征——形狀、色調(diào)、陰影等進行地物性質初步判斷。然后，結合背景知識，從地物空間分布規(guī)律、相互關系進一步判斷，從而確定地物性質。

2.1.1 形狀

SAR影像上各種形狀，是地表上各類物體外部輪廓的側視圖像。它們均按側視投影的成像規(guī)律，在影像上呈現(xiàn)出相應的幾何形狀。所以，地物在影像上的形狀是判讀的重要特征之一。

平坦地面上的物體，在SAR影像上的形狀，與該物體平面形狀基本相似。例如：田塊、田埂、道路、和池塘河流等，如圖2所示。

傾斜面上的平面物體，由于SAR影像近距離壓縮的成像規(guī)律，使影像的形狀變形：即遠離雷達天線的影像變寬，而靠近雷達天線的影像變窄，如圖3所示。

高出地面的物體，大多數(shù)地物在雷達圖像上形狀與其在人們的視覺中形狀相差很大，而且常常是實際目標的部分輪廓[6]， 例如平頂樓房， 在雷達影

像上亮斑表現(xiàn)為“L”形。如圖4所示。

另外雷達影像上構像的形狀，隨著投影差的大小而改變。因為物體的高度和影像的位置不同，其頂部影像的位移值就各異。例如煙囪、獨立樹等，假設有幾座高度和大小均相同的煙囪，它們在影像不同的位置上構像，其影像形狀就各不相同，如圖5所示，即遠離雷達天線的地物投影差比靠近雷達天線的相同地物的投影差要小。

2.1.2 色調(diào)

SAR影像的色調(diào)是地物目標后向散射回波強度的表現(xiàn)。光滑表面地物，對雷達波產(chǎn)生鏡面反射，幾乎沒有回波信號，因此該類地物在影像上的色調(diào)為黑色調(diào)，如水庫、道路等；粗糙表面地物，對雷達波產(chǎn)生漫反射，天線可以接收到較強回波，因此影像上的色調(diào)為亮色調(diào)，如房屋等；中等粗糙度地物，對雷達波產(chǎn)生混合反射，雷達天線可以接收到部分回波，在影像上為灰色調(diào)，如林地等。

所以，對于面狀要素除了形狀是其判讀的重要特征，影像的色調(diào)也是面狀要素判讀的另一重要特征，如圖6所示。

2.1.3 影像的陰影

機載SAR系統(tǒng)沿直線傳播的雷達波束受高大的地物目標阻擋時，位于高大的地物目標的背面就接收不到電磁波，因而也就不會有雷達回波，故在雷達圖像的相應位置上出現(xiàn)暗區(qū)，此即為雷達陰影[7]。因此地面上該部分沒有回波返回雷達天線，從而在圖像上形成陰影。

適當?shù)睦走_陰影增強了圖像的立體感， 突出了地物目標特性，有利于目標判讀，它是高出地面的物體較易判讀。但大面積的陰影，會造成陰影區(qū)內(nèi)的信息喪失，不利于地物目標的判讀和信息提取。SAR影像中陰影是影像調(diào)繪的困難地區(qū)，對此區(qū)域應采取實測的方法進行地物的調(diào)繪。

圖2 平坦地面InSAR影像上地物形狀Figure 2 Level ground object form on InSAR image

圖3 迎面坡和背坡的壓縮變形Figure 3 Compressive deformations on apron slope and back slope

圖4 SAR影像上的L型疊掩結構建筑物Figure 4 L typed layover structure building on SAR image

2.1.4 地物空間關系

自然界中，地面上各類地物之間的空間分布總是相互聯(lián)系的。掌握這種相互關系位置的規(guī)律，就可以由易于識別的物體影像，進而判讀另一類物體。特別是某一地物在SAR影像不明顯時，通過與其位置關系緊密的地物影像，判讀出該地物。

參照上述判讀特征，當判讀出鐵路與河渠相交時，可以判讀出橋梁的位置和性質；而在公路與河溝相交處，不是橋就是涵洞；當大車路在山腳終止，則

可以判讀出山洞或泉的位置。所以在SAR影像調(diào)繪中充分利用地物空間的相互關系，可以幫助我們進一步確定地物的性質。

2.2 基于SAR影像的地物定位

由于SAR影像數(shù)據(jù)中或多或少地存在著地形起伏、地物高度、疊掩、陰影等引起的定位誤差，因此要進行地物調(diào)繪的定位，就必須了解影響定位精度的因素。

2.2.1 地形起伏、地物高度引起的像點位移

由于SAR影像其特殊的側視成像機理，對于高出地表的垂直地物，則產(chǎn)生頂?shù)孜灰片F(xiàn)象[8]，如圖7所示。因此頂部影像a和底部影像b的位置在單片SAR影像中不是同一位置，在影像中產(chǎn)生了Δr定位誤差。

由圖7幾何關系可知：

ΔR=Δh/cosη

(1)

Δr=Δh/tanη

(2)

其次，由于在單片SAR影像中，垂直地物的頂部的影像往往沒有遮擋多呈現(xiàn)為突出的高亮點，而底部的影像或因遮擋或為陰影而不易定位。因此，對于垂直地物的定位，如果定位在地物影像的頂部位置，須經(jīng)過投影差改正，才能達到準確定位的目的。

2.2.2 地球曲率引起的像點位移

對于測區(qū)范圍較大時，應考慮地球曲率引起的像點位移， 而地球曲率引起的像點位移類似于地形起伏引起的像點位移[6]，如圖8所示。把地球表面上的點P到地球切平面的正射投影距離Δh視為地形起伏，可利用像點位移公式(2)來估計地球曲率所引起的像點位移，這里應注意像點位移方向相反。

圖5 不同位置相同高度引起的投影差Figure 5 Relief displacements caused by different positions with same height

圖6 水域、房屋、田地、樹林影像色調(diào)Figure 6 Image hues of waters, houses, farmland and woods

圖7 地物高度引起的投影差Figure 7 Relief displacement caused by object height

圖8 地球曲率的影響Figure 8 Impacts from earth curvature

2.2.3 透視收縮和疊掩引起的定位誤差

當局部地形傾角小于雷達波束的入射角時，產(chǎn)生透視收縮現(xiàn)象。同理，對于大于等于入射角時，出現(xiàn)疊掩效應。當?shù)匦蔚膬A角近似入射角時，整個傾斜區(qū)域變成為單一的分辨單元，整個傾斜面的散射能力被積累起來，產(chǎn)生了非常亮的像素。用于生成這些影像的地形校正程序在疊掩區(qū)域上以均勻地面像素間隔復制這種飽和強度值，因此在圖像上就形成了拖尾效應，如圖9所示。

圖9 疊掩區(qū)域的拖尾效應Figure 9 Smearing from layover area

疊掩區(qū)域影響定位精度，主要有兩方面，一是疊掩引起的頂?shù)椎怪?，因此，在調(diào)繪定位時，應特別注意底部位置的準確判斷，否則將影響定位精度；二是疊掩區(qū)的拖尾效應“淹沒”了該區(qū)域的地物地貌的細節(jié)，這也直接影響到地物地貌的定位精度和性質判讀，因此，必要時需采用測量儀器進行實地測量和調(diào)繪。

2.2.4 陰影引起的定位誤差

與疊掩有關的影像失真是雷達陰影。當局部目標以一個大于或等于發(fā)射波形的入射角的角度向雷達傾斜時，陰影就出現(xiàn)了，如圖10所示。當陰影條件出現(xiàn)后，陰影區(qū)域不能散射任何信號[8]。也就是說，陰影區(qū)域的任何地物地貌信息將無法獲取，因此，陰影區(qū)域對定位精度的影響是顯而易見的。對此區(qū)域應采用實地測量的方法進行準確定位。

圖10 地形起伏引起的陰影區(qū)域Figure 10 Shadow area caused by topographic relief

3 基于SAR影像調(diào)繪方法的應用

根據(jù)機載SAR成像原理，以及SAR影像中存在的像點位移，我們先后開發(fā)了“定位誤差糾正系統(tǒng)”、“垂直地物高度測量系統(tǒng)”，以期解決調(diào)繪中的定位和高度量測問題，并應用于約40km2的外業(yè)調(diào)繪項目中。后期又采用實測數(shù)據(jù)對其調(diào)繪成果進行了精度評估，詳見表1。經(jīng)計算統(tǒng)計，調(diào)繪成果定位中誤差為0.87m，滿足國家規(guī)范要求(規(guī)范要求：1∶10 000比例尺為 5 m)。

表1 調(diào)繪成果精度評估

4 結論

基于SAR影像調(diào)繪方法不同于光學影像調(diào)繪，影像判讀除了根據(jù)影像的判讀特征——形狀、色調(diào)和陰影、空間相對位置等進行調(diào)繪，更要考慮地物表面粗糙度、復介電常數(shù)、地形坡度、波長、波束入射角、極化方式等影響。地物定位須根據(jù)SAR圖像的成像原理,充分考慮地形起伏、地物高度、疊掩、陰影等引起的定位誤差。

總之，基于SAR影像調(diào)繪應根據(jù)具體情況，綜合地運用各種可用的判讀特征。一般從最明顯的直接特征著手進行定性，再運用其他特征加以比較和驗證，充分考慮影響定位精度的因素，最后采用適當?shù)姆椒?，確定該地物在影像上的正確位置。