INSAR高精度DEM提取方法及其精度分析

朱俊聰

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INSAR高精度DEM提取方法及其精度分析

朱俊聰

（昆明理工大學國土資源工程學院，云南 昆明 650093）

數(shù)字高程模型（DEM）可以傳達出所需要的地形、地貌及一些專題信息。因此獲取高質量的DEM特別重要。隨著科學技術的不斷發(fā)展，InSAR技術也在不斷的更新發(fā)展，目前使用InSAR技術提取數(shù)字高程模型已經(jīng)越來越普遍，InSAR技術可以提供，大量、高速、高分辨率的數(shù)據(jù)。本文從合成孔徑雷達干涉測量技術的原理出發(fā),詳細的描述InSAR技術獲取DEM的技術流程，之后對實驗結果進行精度分析，證明InSAR技術提取DEM是可行的，最后分析InSAR提取DEM的誤差來源及不足之處。

InSAR技術；DEM；系統(tǒng)誤差

0 引言

數(shù)字高程模型(DEM)可以表達我們所需要的地形、地貌及一些專題信息。之后利用DEM制作出研究區(qū)域所需要的專題地圖。目前獲取DEM的手段包括外業(yè)采集，攝影測量和地形圖數(shù)字化，這些方法都有一個缺陷就是在獲取大范圍的數(shù)據(jù)時所需要的周期長無法高效的獲取數(shù)據(jù)。然而隨著科學技術的日益發(fā)展，目前可以通過合成孔徑雷達干涉測量（INSAR）技術高效的獲取高精度數(shù)字高程模型（DEM），InSAR技術是利用雷達系統(tǒng)獲取同一地區(qū)兩幅SAR影像所提供的相位信息進行干涉處理，來獲取地表的三維信息，可以建立目標地區(qū)的數(shù)字高程模型。Insar技術具有不受天氣影響，全天候，全天時，高效率，高分辨率等優(yōu)勢。InSAR如今已大量運用在地形測繪上，比如地表形變的監(jiān)測、災害的監(jiān)測、冰川的運動監(jiān)測、森林的資源調查監(jiān)測、農(nóng)業(yè)中的監(jiān)測和地形的制圖等各個領域得到了大范圍的使用，然而怎樣高效的運用InSAR技術大范圍的提取高精度的數(shù)字高程模型任然需要不斷改進。本文從InSAR高程測量的原理出發(fā)，探討獲取DEM的技術流程，設計出一套InSAR生成DEM的方案，并提出InSAR獲取DEM的不足之處[1-4]。

1 InSAR的基本原理

InSAR獲取DEM的基本原理為下，通過同一研究區(qū)域，利用激光條紋干涉使其構成幾何模型的成像，擁有兩幅或者兩幅以上的SAR天線，采集同一研究區(qū)域擁有視差的兩幅圖像，這些圖像具有干涉信息，而且兩幅圖像是單視復數(shù)主輔圖像的關系，之后利用它們的干涉相位信息逐步解析，地面的高程數(shù)值利用最小二乘法反演得出，因此就獲取了研究區(qū)域的數(shù)字高程模型（DEM）[6]。

圖1 干涉雷達幾何示意圖

如圖所示A1和A2為測量時天線各種所在的位置，S為所探測的研究對象，H是A1到大地參考面的距離，目標S到大地考面的距離是h；天線各自之間的距離是B，也叫做基線長度；水平線和基線之間的夾角α；其中A1天線的夾角為θ；目標點S到天線A1的距離為R1，到天線A2的為R2。

三角形A1A2S使用余弦定理：

所以

天線A1、A2到觀測點S的斜距差為天線A1、A2到點S的實際量測相位差為ε，得：

（3）帶入（2）得：

把（4）代入（5）得：

從（6）式我們可以看出確定了H、、、、B、，就可以輸出目標點的高程。

2 InSAR技術獲取DEM的技術流程

通過InSAR技術獲取目標區(qū)域DEM的步驟包括:聚焦模塊、SLC數(shù)據(jù)對的基線估算、生成研究區(qū)域干涉圖、干涉圖去平、干涉圖濾波，之后生成相干系數(shù)圖、相位解纏相位編輯、軌道精煉重去平、相位轉高程地理編碼最后得到數(shù)字高程模型；特別重要的步驟為復SLC數(shù)據(jù)對的配準、干涉圖的去噪以及相位的解纏。通過InSAR技術獲取目標區(qū)域DEM的具體流程如下圖所示：

圖2 處理流程圖

本文以橫斷山脈最為研究區(qū)域。實驗所用的數(shù)據(jù)為COSMO SkyMed SLC數(shù)據(jù)像對，數(shù)據(jù)的極化方式為：HH極化，天線的入射角：43.95°，范為：4060′6130 pixels（約為12′18 km2），其中像元間隔：3′3 m，輔助數(shù)據(jù)：90米分辨率的SRTMDEM。處理數(shù)據(jù)所用的軟件為ENVI。

2.1 圖像配準

圖像的配準主要有粗度和高精兩個配準步驟組成。配準之前首先進行基線估算，對兩景數(shù)據(jù)進行基線估算，從像對軌道參數(shù)中得到基線估算結果，估算數(shù)據(jù)是否符合做InSAR提取DEM，看相干性，相干性越高高程精度越大。然后利用相干系數(shù)法對兩幅影像進行處理[5]。

相干系數(shù)法是利用兩幅影像的特點進行匹配，由從前的相關匹配的方法發(fā)展傳承，對于信噪比高的地方能發(fā)揮較好的效果，相比于其他方法運算簡便高效，成為了最為普遍的方法。此方法不僅考慮了SLC的振幅信號而且考慮到了相位信號，在配準方面較為精準[8]。

2.2 干涉圖生成

實部和虛部共同構成了SAR圖像上的各個像素，所以SAR圖像為復數(shù)圖像，不僅包含了回波信號的相位信息而且包含了相位信息。對主影像和從影像進行配準，之后對從影像再次重采樣，然后對SAR主影像和從影像所一一對應的像素通過共軛相乘之后生成干涉圖。實驗中先進行SAR單視復圖像對的配準，之后進行方向位和距離位的預濾波處理，再進行濾波后的主圖像和輔圖像之間進行復共軛相乘，就得到實驗所需要的干涉圖。也就是在輔圖像上匹配和主圖像反應同一地物每一個像素點，稱之為同名點。

2.3 平地相位消除

實驗中為了使相位處理變得簡便，就使用去平地的方法需要對干涉相位處理。平地效應消除方案使用的方法主要有以下兩種:一種是基于軌道參數(shù)的數(shù)值計算方法另一種是條紋主頻率估計法。第一種方法能狗真正意義上的去除平地效應，然而這種方法需要高精度的軌道參數(shù)以及目標中心位置參數(shù)，如果存在一定的軌道誤差，通常會產(chǎn)生一些新的干涉條紋，這種方法計算量大繁瑣；本文采用的去平地效應的方案是利用條紋率和平地相位兩者的關系。此算法簡便高效，可以較有效的去除平地效應，是一種常用的方法。

2.4 相位解纏

利用InSAR技術提取DEM的重要步驟就是相位解纏。相位解纏將直接影響到實驗提取DEM的精度。相位解纏就是把相位由主值(區(qū)間為(-p，p])恢復到真實相位值的過程。本文相位解纏方案使用的是改進的最小費用流法，設置一個不太大的相關性閾值（0.15和0.2之間）。

2.5 軌道精煉重去平

選擇控制點進行軌道精煉和重去平，期間如果軌道參數(shù)不夠精確，影響從干涉相位轉變?yōu)榈匦胃叨?，之后使用GCP重新定義基線參數(shù)，然后計算相位偏移（如獲取絕對相位值），之后重新修改解纏圖像的頭文件中的軌道參數(shù)，就可以得到較好的軌道精煉和重去平的結果。

2.6 相位高程轉換

相位轉高程就是運用觀測時天線斜距、載體軌道參數(shù)還有選擇一些控制點的斜距、相位信息來反演出斜距域高度的信息。本文相位轉高程步驟使用的是高程模糊度法。此方法采用的計算方法是迭代，一點點的靠近各個像點的高程的真值，所以得到的高程精度較高。也是經(jīng)常作為相位轉高程的計算方法。

2.7 地理編碼

地理編碼就是高程反演的過程使用觀測時天線的斜距、載體軌道參數(shù)并且選取一定控制的斜距、相位信息反演斜距域高度信息。也就是把雷達的坐標轉化為地理坐標的過程稱之為地理編碼。本文采用的是向地理編碼轉換坐標。使用提前下載好的目標區(qū)域的數(shù)字高程模型，把雷達坐標轉換為地理坐標，取數(shù)字高程模型的柵格點一一匹配在SAR圖像上，就完成了地理編碼方案。實驗經(jīng)過聚焦模塊、SLC數(shù)據(jù)對的基線估算、生成研究區(qū)域干涉圖、干涉圖去平、干涉圖濾波，之后生成相干系數(shù)圖、相位解纏相位編輯、軌道精煉重去平、相位轉高程地理編碼最后得到數(shù)字高程模型（DEM）。如圖3所示[7]。

圖3 處理結果DEM

3 精度分析

實驗利用軟件ENVI生成DEM，在處理數(shù)據(jù)時所使用的參DEM為90米分辨率的SRTM DEM，因此實驗結果中存在著絕對高程，并且在空間上和參考DEM對等。精度分析利用InSAR技術提取DEM與90米分辨率的SRTM DEM來對比，就可以清晰的看出InsSAR技術提取的DEM分辨率和精度。實驗所生成的DEM分辨率為15米。

3.1 分辨率對比分析

在坐標軸中主意標出每一個點的高程就是所謂的DEM的實質，實驗圖中的坐標是由無數(shù)個矩形所組成的。這些矩形的長為DEM的分辨率。分辨率數(shù)值越小，分辨率也越高，描繪的地形準確度也越高。實驗利用ENVI生成的數(shù)字高程模型分辨率是15m，提前下載的已知DEM為90米分辨率的SRTM DEM，這兩個數(shù)字高程模型都可以描繪我們所需要的地形、地貌的紋理特征，如圖4所示。

圖4 原圖（左）和InSAR獲取DEM（右）

如圖所示，將實驗結果局部放大左半部分為90米分辨率的SRTM DEM，右半部分為InSAR技術提取的DEM，可以明顯看出90米分辨率的地形細節(jié)不是很精細

3.2 平均分辨率分析

用ENVI生成的數(shù)字高程模型用ENVI進行掩膜分析平均分辨率，如圖5所示，最小值為3.3最大值為67.1平均高程分辨率為5.3。從直方圖可以看出絕大多數(shù)為3.8.所以用InSAR來提取DEM是可行的。

圖5 平均高程分辨率

4 InSAR技術提取DEM誤差分析

用InSAR提取的DEM精度較高，然而獲取的DEM結果仍存在一定的誤差。以下幾點為產(chǎn)生誤差的原因。

4.1 SAR圖像獲取間隔

實驗獲取的SAR圖像具有一定的時間周期間隔，在周期間隔里可能產(chǎn)生一定的形變量。如果在時間間隔中地形產(chǎn)生了形變將會直接影響到InSAR提取的DEM的精度。因此實驗在獲取兩幅SAR影像時時間間隔應盡量的短，提取的DEM的精度也就越高。

4.2 失真現(xiàn)象

如圖6所示，灰黑色部分誤差較大多數(shù)為山脊，誤差區(qū)間為7~13 m之間。因為山脊部分高低起伏嚴重，所以會有透視收縮現(xiàn)象發(fā)、山頂和山底有一定陰影現(xiàn)象發(fā)生。實驗在InSAR獲取DEM的過程中，未曾矯正此等失真現(xiàn)象，因此山脊的地方誤差明顯；還有另一個原因為山區(qū)植被茂盛，對相干性產(chǎn)生了影響，這也將對實驗結果產(chǎn)生一定的誤差[9-13]。

圖6 處理結果分析

4.3 參考DEM引起誤差

實驗InSAR提取DEM的過程，為了將結果DEM高程為絕對高程，實驗選擇90米分辨率的SRTM DEM。然而參考DEM的精度會直接影響到結果DEM的精度。所以在進行實驗的時候，應該盡量選擇精度較高的參考DEM，參考DEM的精度越高，利用InSAR技術提取DEM精度也越高。

5 結論

通過實驗證明使用INSAR技術大范圍的提取DEM方案是可取的，該方法可以做為大范圍簡便獲取高精度地形圖以及更新的方法之一，此方法提取的DEM精度較高。然而利用InSAR提取高精度的DEM仍然存在著一些問題亟待解決，比如SAR圖像的獲取需要一定的時間周期間隔，在周期間隔里就會產(chǎn)生一定的形變量，如山脊部分高低起伏區(qū)域和高樓大廈的區(qū)域需要的干涉處理和精確高程的反演有一定的難度疊掩、陰影等的存在，可能會降低干涉處理的精度影響實驗結果。參考DEM的精度也會直接影響到結果DEM的精度[14-17]。

相信隨著科學技術的不斷發(fā)展InSAR技術也在不停的更新發(fā)展，使用InSAR技術提取數(shù)字高程模型將會越來越普遍，然而要使InSAR技術提取DEM變的更加精確無誤并且被大范圍的使用，仍然存在著某些問題亟待解決。

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Methods on High-accuracy DEM Extraction from Interferometric SAR and Its Accuracy Analysis

ZHU Jun-cong

(Faculty of Land Resources Engineering,Kunming University of Science and Technology, Kunming 650093)

The model of Digital elevation (DEM) can convey That Our needed topography, landform and some thematic informations. Therefore, How to obtaining high-quality DEM is particularly It is important That with the continuous development of science and technology, InSAR technology has been constantly updated and developed. At present, it is more and more common to use InSAR technology to extract digital elevation model. InSAR technology can provide a large amount of date, high-speed and high-resolution data. Based on the principle of synthetic aperture radar interferometry technology, this paper describes in detail the technical process of InSAR technology to obtain DEM, then conducts precision analysis of experimental results to prove that InSAR technology is feasible to extract DEM, and finally analyzes the error sources and deficiencies of InSAR technology to extract DEM.

InSARtechnique; DEM; Systemerror

TP751

A

10.3969/j.issn.1003-6970.2018.10.032

朱俊聰(1993-)，男，昆明理工大學國土資源工程學院碩士研究生，研究方向為3S集成及應用與地理信息系統(tǒng)。

朱俊聰. INSAR高精度DEM提取方法及其精度分析[J]. 軟件，2018，39（10）：170-174