無人機機載SAR 在地理國情監(jiān)測中的應(yīng)用

章九才

（安徽省第三測繪院，合肥 230601）

1 引言

最近幾年，隨著社會經(jīng)濟的快速發(fā)展，地理國情在國民經(jīng)濟發(fā)展中越發(fā)重要。做好地理國情監(jiān)測，成為各級政府部門服務(wù)地方經(jīng)濟發(fā)展，滿足社會公共服務(wù)需求的一項重要任務(wù)。而在地理國情監(jiān)測中，一般都會用到航空航天遙感技術(shù)、全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)等，對自然和人文地理信息進行動態(tài)獲取和綜合分析，形成能夠反映各類資源及環(huán)境要素的監(jiān)測數(shù)據(jù)。在科學(xué)技術(shù)飛速發(fā)展的背景下，無人機機載微波成像技術(shù)的發(fā)展，使SAR 系統(tǒng)在無人機領(lǐng)域得到了較為廣泛的應(yīng)用，在實現(xiàn)監(jiān)測系統(tǒng)微型化的同時，促進了圖像分辨率的提高。對比無人機機載SAR 與光學(xué)成像技術(shù)，無人機機載SAR 具備全天候、全天時的作業(yè)能力，可以在不同極化作業(yè)方式下，獲取地理國情監(jiān)測區(qū)域的高分辨率圖像，能夠很好地滿足地理國情監(jiān)測對于數(shù)據(jù)質(zhì)量的要求，為地理國情監(jiān)測數(shù)據(jù)的獲取提供了新的技術(shù)手段。

2 相關(guān)概念

2.1 SAR

合成孔徑雷達（Synthetic Aperture Radar，SAR）屬于一種主動式對地觀測系統(tǒng)，可以被設(shè)置在衛(wèi)星、飛機和無人機等平臺上，實現(xiàn)全天候觀測，其在實際應(yīng)用中，能夠穿透一定厚度的地表，觀測數(shù)據(jù)較為準確，可以實現(xiàn)高分辨率微波成像，具備全天候、大幅寬的特點，因此，SAR 系統(tǒng)被廣泛應(yīng)用在環(huán)境監(jiān)測、災(zāi)害監(jiān)測、資源勘查以及軍事等領(lǐng)域。SAR 最初多被應(yīng)用于機載或者星載平臺。隨著技術(shù)的發(fā)展，其平臺搭載形式變得越發(fā)多樣化，如彈載、地基SAR、無人SAR 等，其在未來發(fā)展中有著更加多樣化的方向，如多頻、多極化、超高分辨率、InSAR 技術(shù)、Pol-InSAR 技術(shù)、小衛(wèi)星雷達技術(shù)等[1]。

SAR 主要是通過天線向物體發(fā)射能量，同時也通過SAR負責接收能量，借助電子設(shè)備記錄能量的傳輸情況，最終形成相應(yīng)的圖像。在SAR 中，孔徑指的是天線長度，系統(tǒng)可以通過衛(wèi)星、飛機、無人機向前運動形成合成孔徑，物體返回的能量如果可以達到孔徑發(fā)射的光束寬度內(nèi)，則物體會形成圖像并且被保存下來。SAR 距離分辨率的改善是通過相應(yīng)的脈沖技術(shù)實現(xiàn)的，與發(fā)射信號的帶寬存在密切關(guān)聯(lián)，帶寬越大，分別率越??；方位分辨率的改善則是通過合成孔徑技術(shù)實現(xiàn)，理論上，條帶SAR 能夠達到天線尺寸的1/2，聚束SAR分辨率更小。

2.2 地理國情監(jiān)測

地理國情監(jiān)測是借助現(xiàn)代信息技術(shù)如GPS 技術(shù)、GIS 技術(shù)和RS 技術(shù)等，在對各個時期現(xiàn)有測繪成果進行綜合的基礎(chǔ)上，對地形、水系、地表覆蓋等進行動態(tài)監(jiān)測，就其分布特征、變化量、變化頻率、地域差異等進行統(tǒng)計分析，形成能夠反映環(huán)境、生態(tài)、資源等要素的空間分布數(shù)據(jù)[2]，從而對地理國情進行動態(tài)測繪，提供全面、真實、準確的地理國情信息。地理國情則是從地理的角度，對國情信息進行分析描述，其基本內(nèi)容是地球表層自然生態(tài)環(huán)境以及人文現(xiàn)象的空間變化等，強調(diào)對構(gòu)成國家物質(zhì)基礎(chǔ)的各種因素進行整體性調(diào)查，如國土疆域概況、城市布局、災(zāi)害分布等。地理國情能夠?qū)⒁粋€地區(qū)乃至整個國家的人地關(guān)系協(xié)調(diào)情況直觀反映出來，是推動可持續(xù)發(fā)展重要決策的依據(jù)，也是基本國情的一部分，能夠?qū)⒌乩韰^(qū)域劃分、地形地貌特征、土地利用情況、城市布局等自然和人文地理要素綜合體現(xiàn)出來。

3 無人機機載SAR 在地理國情監(jiān)測中的應(yīng)用

為了更加詳細地對無人機機載SAR 在地理國情監(jiān)測中的應(yīng)用情況進行分析，下文引用他方數(shù)據(jù)來進行具體研究。

3.1 系統(tǒng)設(shè)計

依照地理國情監(jiān)測對影像數(shù)據(jù)的實際需求，對能夠搭載于無人機上的Mini SAR 系統(tǒng)進行規(guī)劃設(shè)計，相應(yīng)的設(shè)計指標為：

最大成像分辨率：0.5 m；

最大測繪帶寬：3 000 m；

最大作用距離：6 000 m；

規(guī)格：200 mm×180 mm×90 mm；

工作溫度：-20～50℃；

工作頻率：Ku 波段

系統(tǒng)設(shè)計中，可以依照功能劃分子系統(tǒng)，主要包括：（1）電氣系統(tǒng)。為了確保無人機的飛行距離和飛行時間[3]，在系統(tǒng)中設(shè)置了自帶電源，電氣系統(tǒng)供電接口采用的是航空標準。（2）測控系統(tǒng)。無人機測控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)鏈必須能夠很好地滿足遙控、遙測和光學(xué)視頻傳輸?shù)默F(xiàn)實需求，而且需要做好電子干擾測試工作，確保無人機測控系統(tǒng)能夠具備良好的抗干擾能力，保證無人機飛行安全。（3）飛控系統(tǒng)。飛控系統(tǒng)的軟件和硬件都必須依照導(dǎo)航系統(tǒng)進行適當?shù)母脑?，在Mini SAR 系統(tǒng)中，導(dǎo)航設(shè)備采用的是光纖捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)，可以提供姿態(tài)、方位等數(shù)據(jù)信息，GPS 則采用了組合導(dǎo)航設(shè)備來提供角運動、線運動和姿態(tài)信息，具備較高的精度。將雙天線GPS 作為地面基站，為無人機機載SAR 系統(tǒng)提供相應(yīng)的定位基準。（4）動力系統(tǒng)。在無人機上搭載Mini SAR，要求動力系統(tǒng)必須能夠滿足至少50 N（5 kg）起飛質(zhì)量的要求，確保無人機在飛行時能夠保持飛行姿態(tài)穩(wěn)定，以獲取較高分辨率的影像數(shù)據(jù)信息[4]。

3.2 飛行試驗

試驗區(qū)塊的空域海拔高度不能超過100 m，航向相對高度為900 m，測繪幅寬956 m，航線重疊率為40%。依照航線設(shè)計參數(shù)以及相應(yīng)的雷達作業(yè)參數(shù)，將測繪區(qū)域的范圍確定為6 000 m×3 000 m，在分型試驗區(qū)域內(nèi)，在一個飛行架次獲取的圖像條帶內(nèi)，設(shè)置12 個不同規(guī)格的角反射器作為定標點，取角反射器目標的分辨率/旁瓣比作為雷達工作模式下的指標測量值。在第一條航線中，依照從近到遠的順序，設(shè)置了12 個定標點，結(jié)合測繪結(jié)果分析，圖像中顯示出了11 個定標點，最遠的第12 個定標點沒有顯示出來，為無效點位[5]。

其中第6～9 號定標點采用的是四邊形設(shè)置的方式，邊長為3 m。各點位之間的距離較近，測量得到的數(shù)據(jù)信息相似性大，為了避免數(shù)據(jù)冗余問題，選擇6 號定標點的坐標值進行測量，其余3 個點作為參考。

3.3 結(jié)果分析

借助相應(yīng)的外業(yè)現(xiàn)場測量作業(yè)方式，確定測繪區(qū)域內(nèi)定標點的具體坐標，依照相應(yīng)的Mini SAR 系統(tǒng)得到高分辨率圖像，對積分旁瓣比和峰值旁瓣比進行計算。對照計算結(jié)果分析，無論是峰值旁瓣比還是積分旁瓣比，都能夠很好地滿足Mini SAR 系統(tǒng)的設(shè)計與成像要求，在距離分辨率和方位分辨率上都可以滿足設(shè)計要求（0.5 m）。

3.4 局限性

SAR 技術(shù)在實際應(yīng)用中，存在一定的局限性。具體如下：

1）時間失相干。2 幅SAR 影像實現(xiàn)干涉的一個重要前提，是在觀測期間地表地物屬性必須保持一致，若影像相隔時間過長，地物屬性變化明顯，則會導(dǎo)致時間失相干的問題。

2）最大可探測形變能力。對于SAR 技術(shù)而言，如果同一個分辨單元在成像器件視線向發(fā)生的形變超過半個波長，則其無法在SAR 干涉圖中恢復(fù)。換言之，SAR 技術(shù)存在最大可探測性變能力，當一些地物的形變較大時，會在干涉圖中表現(xiàn)為失相干，導(dǎo)致無法對其形變進行有效恢復(fù)。

3）幾何失相干。在探測區(qū)域內(nèi)，陰影、疊掩等的失相干與地形條件、SAR 成像幾何存在密切關(guān)聯(lián)。該實驗區(qū)域中地形起伏大，SAR 成像幾何相對單一，幾何失相干帶來的影響比較嚴重。

基于此，想要獲取更加可靠的形變結(jié)果，應(yīng)從數(shù)據(jù)獲取、影像配準等環(huán)節(jié)做好相應(yīng)的優(yōu)化，對觀測方法進行改進，例如，在一些地表變化較大的區(qū)域，可以設(shè)置反射器來提升數(shù)據(jù)的相干性[6]。

4 結(jié)語

總而言之，將無人機機載SAR 應(yīng)用到地理國情監(jiān)測中，選擇實際飛行作業(yè)區(qū)域，布設(shè)定標點，在觀測區(qū)域內(nèi)進行飛行作業(yè)，得到高分辨率的SAR 圖像，再配合定標測量的方式，針對成像結(jié)果的分辨率進行計算，可以獲取無人機機載SAR 在距離和方位分辨率方面的結(jié)果，為無人機機載SAR 在地理國情監(jiān)測中的應(yīng)用精度指標提供相應(yīng)的精度驗證。無人機機載SAR 技術(shù)的發(fā)展和進步，可以很好地滿足地理國情監(jiān)測的現(xiàn)實需求?，F(xiàn)階段，國內(nèi)無人機技術(shù)不斷成熟，無人機在續(xù)航時間、升限高度、飛行速度、載荷重量等方面得到了顯著提升，相關(guān)技術(shù)指標的完善使得其在地理國情監(jiān)測中得到了有效應(yīng)用，尤其是民用無人機的發(fā)展，更是為Mini SAR 系統(tǒng)的應(yīng)用提供了更加廣闊的發(fā)展空間。無人機機載SAR 載荷開始朝著微型化、低功率的方向發(fā)展，能夠為地理國情監(jiān)測工作的順利實施提供新的方案支持。