多源星載SAR地形干涉測(cè)量精度分析

陳利軍，張 瑞，郭旭東，洪凱瑞，涂晉升

(1.國(guó)家基礎(chǔ)地理信息中心，北京 100830；2.西南交通大學(xué)，四川 成都 611756)

地形測(cè)繪是遙感領(lǐng)域一個(gè)重要的應(yīng)用方向，對(duì)應(yīng)的數(shù)字高程模型(DEM)數(shù)據(jù)在軍事偵察、國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)和科學(xué)研究中發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用[1-3]。利用SAR技術(shù)提取地形信息一直是熱門(mén)的研究方向之一。目前，基于SAR影像獲取地表的高程信息主要有4種途徑：雷達(dá)角度測(cè)量(radaclinometry)、雷達(dá)攝影測(cè)量(radgrammetry)、雷達(dá)極化測(cè)量(polarimetry)和雷達(dá)干涉測(cè)量(interferometry)。其中，干涉合成孔徑雷達(dá)(interferometric SAR，InSAR)是以SAR復(fù)圖像對(duì)的干涉相位反推測(cè)距信息，進(jìn)而得到地表三維信息的一門(mén)技術(shù)，其發(fā)展的主要目的是進(jìn)行地形測(cè)繪和獲取高精度的DEM數(shù)據(jù)[4-8]。如今，為獲取全球DEM數(shù)據(jù)及其他增值產(chǎn)品，具有大幅寬成像能力的星載SAR系統(tǒng)已成為全球測(cè)繪任務(wù)下InSAR的首選系統(tǒng)類(lèi)型[6]。

當(dāng)下，面對(duì)海量的全球干涉測(cè)量實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，如何在保證精度的情況下，兼顧處理算法的穩(wěn)健性與處理效率是星載InSAR數(shù)據(jù)處理亟待解決的重要問(wèn)題。本文將針對(duì)全球測(cè)繪中所面臨的多云霧、多陰雨、植被茂密的復(fù)雜氣候環(huán)境區(qū)域，無(wú)法開(kāi)展光學(xué)立體影像測(cè)圖工作的情況，嘗試?yán)脟?guó)內(nèi)外多源星載SAR影像數(shù)據(jù)開(kāi)展地形干涉測(cè)量試驗(yàn)和精度分析，為全球測(cè)繪提供技術(shù)參考。

1 InSAR生成DEM原理

InSAR是一種以波的干涉為基礎(chǔ)的雷達(dá)技術(shù)，通過(guò)衛(wèi)星或航天器獲取同一地區(qū)的兩景或多景SAR影像進(jìn)行地面三維信息的量測(cè)[9]。

由三角函數(shù)關(guān)系可知，地面目標(biāo)點(diǎn)P的高度h可表示為[9]

h=H-rcosθ

(1)

式中，H為衛(wèi)星地球表面的高度。在數(shù)據(jù)處理過(guò)程中通過(guò)SAR影像干涉得到的是地面點(diǎn)的相位信息，由式(1)無(wú)法解算出到地面點(diǎn)的高程信息。由余弦定理可知

(r+Δr)2=r2+B2-2rBcos(α+90-θ)=

r2+B2-2rBsin(θ-α)

(2)

式中，r和r+Δr分別表示主、輔衛(wèi)星天線相位中心到地面點(diǎn)P的距離；α為基線傾角；θ為主星方向的側(cè)視角；B為主、輔衛(wèi)星之間的天線距離。通過(guò)平面波模型可將斜距變化量Δr與干涉相位之間的關(guān)系近似表示，即

(3)

當(dāng)Q=1時(shí)，表示干涉數(shù)據(jù)為雙天線類(lèi)型的數(shù)據(jù)；當(dāng)Q=2時(shí)，表示干涉數(shù)據(jù)為重復(fù)軌道類(lèi)型的數(shù)據(jù)。

將式(2)和式(3)代入式(1)可得[10]

(4)

通常利用InSAR技術(shù)生成DEM的數(shù)據(jù)處理流程包括：SAR主輔影像精配準(zhǔn)、干涉相位生成、基線估計(jì)、去除平地相位、相干性估計(jì)、干涉相位濾波、干涉相位解纏、相位高程轉(zhuǎn)換、地理編碼等，處理流程如圖1所示。對(duì)于軌道精度較低的SAR數(shù)據(jù)，還需要利用外部DEM對(duì)基線進(jìn)行精化處理，以提高最終高程反演精度[11]。研究表明，厘米級(jí)的基線精度是InSAR生成高精度DEM的前提[12-15]。為了精確改正基線參數(shù)，本文采用控制點(diǎn)高程和解纏相位結(jié)合的基線精化方法。

圖1 InSAR生成DEM處理流程

2 試驗(yàn)區(qū)及數(shù)據(jù)源

2.1 研究區(qū)域

為了客觀評(píng)價(jià)不同SAR數(shù)據(jù)源的成像能力和干涉能力，本次試驗(yàn)選擇GF-3、ALOS-2和COSMO-SkyMed數(shù)據(jù)，通過(guò)相同的試驗(yàn)區(qū)域分別進(jìn)行干涉處理(如圖2所示)，以便于橫向?qū)Ρ炔煌瑪?shù)據(jù)源生成的DEM，以驗(yàn)證不同SAR衛(wèi)星數(shù)據(jù)的可靠性。試驗(yàn)選定研究區(qū)域位于青海省北部的茫崖鎮(zhèn)，地處柴達(dá)木盆地的西北邊緣。區(qū)域內(nèi)以山區(qū)為主，高差約600 m。

圖2 研究區(qū)域數(shù)據(jù)覆蓋

在試驗(yàn)區(qū)數(shù)據(jù)處理之前，計(jì)算了生產(chǎn)所用影像對(duì)的時(shí)空基線，見(jiàn)表1。GF-3的干涉配對(duì)在垂直基線參數(shù)方面明顯優(yōu)于COSMO-SkyMed與ALOS-2。由干涉參數(shù)不難推測(cè)，在DEM數(shù)據(jù)的地形紋理重建方面，GF-3相比較于其他兩種數(shù)據(jù)具有一定的優(yōu)勢(shì)。在時(shí)間基線方面，COSMO-SkyMed干涉配對(duì)一天的采樣頻率優(yōu)勢(shì)明顯；其次是GF-3干涉配對(duì)一個(gè)月的時(shí)間基線；而對(duì)于ALOS-2干涉配對(duì)而言，數(shù)據(jù)采集時(shí)間相隔接近一年。

表1 試驗(yàn)區(qū)影像對(duì)時(shí)空基線

2.2 干涉生成DEM結(jié)果

根據(jù)每個(gè)像素點(diǎn)的相干系數(shù)、非纏繞相位差值和軌道參數(shù)，計(jì)算出對(duì)應(yīng)地面點(diǎn)的高程H，并對(duì)該像素點(diǎn)的像素坐標(biāo)(x，y)進(jìn)行地理編碼，轉(zhuǎn)換為地理坐標(biāo)(L,B)，從而生成干涉DEM，如圖3所示。整體看來(lái)，GF-3、ALOS-2、COSMO-SkyMed這3種數(shù)據(jù)干涉測(cè)量獲取的DEM整體地勢(shì)較為一致，紋理高度符合。但是，由于COSMO-SkyMed原始影像數(shù)據(jù)的分辨率較高(達(dá)到2 m)，因此在局部的細(xì)節(jié)度方面更為細(xì)致，預(yù)期可達(dá)到更高的精度。而在現(xiàn)有的3種數(shù)據(jù)中，ALOS-2的數(shù)據(jù)分辨率相對(duì)較低(約為10 m)，在細(xì)節(jié)度方面稍有不足，預(yù)期在精度方面略低于COSMO-SkyMed和GF-3干涉獲取的DEM數(shù)據(jù)產(chǎn)品。

圖3 研究區(qū)干涉生產(chǎn)DEM

3 精度比較分析

為驗(yàn)證高分辨率SAR衛(wèi)星在復(fù)雜地區(qū)提取DEM的精度，試驗(yàn)選用了覆蓋該區(qū)域的12 m分辨率World DEM數(shù)據(jù)以及30 m分辨率SRTM DEM作為參考數(shù)據(jù)。為保證精度評(píng)估結(jié)果的可靠性，地理編碼過(guò)后將提取的DEM分別與30 m分辨率的SRTM DEM和12 m分辨率的World DEM進(jìn)行配準(zhǔn)，隨后將參考DEM與提取DEM相減，得到試驗(yàn)區(qū)域的高程差，從而進(jìn)一步對(duì)提取得到的干涉結(jié)果開(kāi)展比較分析與精度驗(yàn)證。

3.1 與SRTM DEM精度對(duì)比分析

研究區(qū)的差值圖如圖4所示。由圖4可知，ALOS-2干涉獲取的DEM與SRTM DEM的高程差在局部較為明顯，且與地形有一定的關(guān)系，在起伏顯著的地方差值較大。GF-3干涉獲取的DEM僅在部分溝谷區(qū)域有符合地形特征的偏差出現(xiàn)，整體質(zhì)量較高。而COSMO-SkyMed干涉獲取的DEM則具有更高的質(zhì)量，與參考DEM的整體偏差最小。

圖4 干涉獲取DEM與SRTM高程差

試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)了SRTM DEM試驗(yàn)區(qū)域覆蓋范圍內(nèi)的誤差分布，其統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)見(jiàn)表2，其直方圖分布如圖5所示。

圖5 研究區(qū)干涉獲取DEM誤差直方圖分析

表2 誤差統(tǒng)計(jì) m

基于誤差統(tǒng)計(jì)結(jié)果的比較分析可以看出，COSMO-SkyMed干涉獲取的DEM具有最高的精度，其在研究區(qū)一的誤差均在5 m以內(nèi)。其次，GF-3干涉獲取的DEM具有相對(duì)較高的精度，在研究區(qū)一的誤差可控制在8 m以內(nèi)。而ALOS-2干涉獲取的DEM受空間基線較短，影像分辨率較低等因素的綜合影響，本次試驗(yàn)的精度在10 m以外。

3.2 與World DEM精度對(duì)比分析

將干涉提取的DEM與參考的World DEM進(jìn)行精確匹配，裁剪出二者重合的區(qū)域進(jìn)行后續(xù)的精度分析，最終得到12 m分辨率的高程差值圖。研究區(qū)的差值情況如圖6所示，ALOS-2和GF-3干涉獲取的DEM與World DEM的高程差在部分溝谷區(qū)域有符合地形特征的偏差出現(xiàn)，最大偏差超過(guò)40 m，且在地形起伏較大的地方差值較為明顯。而COSMO-SkyMed干涉獲取的DEM則具有更高的質(zhì)量，與參考DEM的整體偏差最小。

圖6 研究區(qū)干涉獲取DEM與World DEM高程差

試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)了World DEM試驗(yàn)區(qū)域覆蓋范圍內(nèi)的誤差分布，其統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)見(jiàn)表3，其直方圖分布如圖7所示。

圖7 研究區(qū)干涉獲取DEM誤差直方圖分析

表3 研究區(qū)誤差統(tǒng)計(jì) m

基于誤差統(tǒng)計(jì)結(jié)果的比較分析可以看出，COSMO-SkyMed干涉獲取的DEM確實(shí)仍有最高的精度，在青海研究區(qū)的誤差保持在5 m左右。GF-3和ALOS-2干涉獲取的DEM受空間基線、影像分辨率等因素的綜合影響，在本試驗(yàn)區(qū)的精度高于10 m。

4 結(jié) 論

本文在分析國(guó)內(nèi)外多種SAR影像數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，選擇了地貌條件較為復(fù)雜的青海試驗(yàn)區(qū)，開(kāi)展了DEM提取的綜合試驗(yàn)。為驗(yàn)證星載SAR數(shù)據(jù)的可行性及可靠性，依據(jù)SRTM和World DEM外部DEM數(shù)據(jù)進(jìn)行了精度對(duì)比分析。主要結(jié)論如下：

(1)本試驗(yàn)選取的當(dāng)前國(guó)內(nèi)外主流的X/C/L波段COSMO-SkyMed、GF-3、ALOS-2影像數(shù)據(jù)，在試驗(yàn)區(qū)生產(chǎn)高質(zhì)量的DEM數(shù)據(jù)產(chǎn)品。經(jīng)比較，COSMO-SkyMed干涉獲取的DEM的精度與細(xì)節(jié)質(zhì)量均較高，GF-3數(shù)據(jù)和ALOS-2數(shù)據(jù)略低。試驗(yàn)結(jié)果重點(diǎn)反映了分辨率差異對(duì)InSAR干涉測(cè)圖質(zhì)量的影響。

(2)從不同波長(zhǎng)SAR數(shù)據(jù)抵御時(shí)間失相關(guān)的能力進(jìn)行分析，波長(zhǎng)達(dá)到分米級(jí)的L波段ALOS-2數(shù)據(jù)(波長(zhǎng)23.5 cm)更有優(yōu)勢(shì)，在時(shí)間基線長(zhǎng)達(dá)一年的不利條件下，仍可以解算出較為可靠的InSAR干涉結(jié)果。對(duì)同為厘米級(jí)波長(zhǎng)的GF-3和COSMO-SkyMed數(shù)據(jù)而言，C波段GF-3數(shù)據(jù)(波長(zhǎng)5.6 cm)在相隔一個(gè)月的時(shí)間基線條件下表現(xiàn)更為穩(wěn)定。試驗(yàn)采用的COSMO-SkyMed數(shù)據(jù)(波長(zhǎng)3.1 cm)為編程獲取，時(shí)間間隔最短，故未表現(xiàn)出相位失相關(guān)的現(xiàn)象，從而也體現(xiàn)出更短的時(shí)間間隔有利于保障干涉獲取DEM的質(zhì)量。

(3)InSAR測(cè)圖的干涉像對(duì)需具有合適的空間基線，空間基線過(guò)短會(huì)導(dǎo)致地形相位的模糊問(wèn)題，難以保障地形紋理的恢復(fù)重建。因此，短期重復(fù)軌道獲取的SAR像對(duì)，成像位置的空間基線普遍較短，不利于保證干涉獲取DEM的紋理細(xì)節(jié)。GF-3數(shù)據(jù)在試驗(yàn)區(qū)的垂直基線約為1100 m，在分辨率和波長(zhǎng)/穿透性指標(biāo)均不占優(yōu)的情況下，仍具有高可靠度的DEM測(cè)圖結(jié)果，尤其是在高復(fù)雜度地形區(qū)域，精準(zhǔn)重建了地形紋理細(xì)節(jié)，集中體現(xiàn)了長(zhǎng)空間基線對(duì)干涉獲取DEM的積極作用。

(4)國(guó)產(chǎn)GF-3數(shù)據(jù)在空間基線合適的條件下，具備高精度InSAR測(cè)圖的能力。由于GF-3衛(wèi)星主要面向海洋遙感應(yīng)用需求，未考量地形測(cè)繪的性能指標(biāo)，因此該衛(wèi)星的常規(guī)運(yùn)行模式尚不足以對(duì)境內(nèi)外DEM測(cè)圖提供穩(wěn)定的支持和保障。然而，GF-3衛(wèi)星的成像系統(tǒng)已達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平，具備領(lǐng)先的成像分辨率優(yōu)勢(shì)。通過(guò)本次試驗(yàn)論證，在基線條件合適的情況下，GF-3衛(wèi)星具備獲得高精度的DEM數(shù)據(jù)產(chǎn)品的潛力。