融合測繪類核心課程的雷達(dá)干涉測量教學(xué)研究★

王 帥，王 彬

(南京工業(yè)大學(xué)測繪科學(xué)與技術(shù)學(xué)院,江蘇 南京 211816)

0 引言

自20世紀(jì)50年代起,合成孔徑雷達(dá)干涉測量(Interferometric Synthetic Aperture Radar,InSAR)的理論與技術(shù)持續(xù)迅速發(fā)展,如今已成為不可或缺的對地觀測手段[1-2]。作為一種主動遙感觀測方式,InSAR具備全天候、全天時、高分辨率、大范圍和可回溯性等優(yōu)勢,已在地質(zhì)調(diào)查、地理國情監(jiān)測、地形測繪、地震地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測以及國防建設(shè)等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用[3-6]。特別是隨著SAR衛(wèi)星數(shù)量的增加和數(shù)據(jù)開源政策的完善,InSAR地表形變監(jiān)測已從機(jī)遇性的觀測逐漸演變?yōu)槌Ｒ?guī)例行監(jiān)測,極大地擴(kuò)展了InSAR的應(yīng)用領(lǐng)域,同時掀起了InSAR研究的熱潮。

隨著合成孔徑雷達(dá)干涉測量應(yīng)用范圍的不斷擴(kuò)大,為滿足實際需求,培養(yǎng)專業(yè)人才,國內(nèi)高校如武漢大學(xué)、中山大學(xué)、中國礦業(yè)大學(xué)和南京工業(yè)大學(xué)等相繼開設(shè)了與“合成孔徑雷達(dá)干涉測量”有關(guān)的課程[7-12]。如今,InSAR已經(jīng)飛入尋常百姓家,深受高校學(xué)生的追捧。然而,“合成孔徑雷達(dá)干涉測量”作為一門學(xué)科交叉度高和實踐性強(qiáng)的課程,其學(xué)習(xí)門檻較高,學(xué)生常常面臨學(xué)習(xí)興趣不高、關(guān)鍵知識掌握不牢、數(shù)據(jù)處理實踐能力不足等問題。為提升教學(xué)效果,實現(xiàn)人才培養(yǎng)目標(biāo),本文探討了將合成孔徑雷達(dá)干涉測量課程與測繪類核心專業(yè)課程主干知識相融合的教學(xué)模式。接下來首先介紹“合成孔徑雷達(dá)干涉測量”課程特點和教學(xué)設(shè)計,接著以本課程圖像配準(zhǔn)為例,著重介紹融合測繪類核心課程的合成孔徑雷達(dá)干涉測量教學(xué)方法,并總結(jié)在教學(xué)實踐中遇到的問題和思考,最后給出結(jié)束語。

1 合成孔徑雷達(dá)干涉測量課程特點

南京工業(yè)大學(xué)的“合成孔徑雷達(dá)干涉測量”課程位于測繪科學(xué)與技術(shù)學(xué)院測繪工程專業(yè)的專業(yè)選修課程群中,開設(shè)在大學(xué)四年級的第一學(xué)期。該課程的核心目標(biāo)在于闡述合成孔徑雷達(dá)干涉測量的基本原理,并側(cè)重介紹利用合成孔徑雷達(dá)觀測數(shù)據(jù)提取地殼變形的方法。通過這門課程,學(xué)生將理解合成孔徑雷達(dá)的重要概念,并培養(yǎng)處理雷達(dá)遙感數(shù)據(jù)的能力,從而掌握這一測繪新技術(shù),拓寬自己的知識領(lǐng)域。此外,課程還旨在喚起學(xué)生對科學(xué)鉆研的熱情,培養(yǎng)創(chuàng)新思維和實際操作能力,使他們能夠在未來的職業(yè)崗位上從事雷達(dá)干涉測量數(shù)據(jù)處理與分析工作,以及為未來的職業(yè)發(fā)展和相關(guān)研究打下堅實的基礎(chǔ)。

“合成孔徑雷達(dá)干涉測量”課程具備兩個主要特點:強(qiáng)烈的交叉性和實踐性。交叉性主要體現(xiàn)在多個學(xué)科和領(lǐng)域之間的交叉融合,具體表現(xiàn)為:

1)雷達(dá)技術(shù)與地球科學(xué):合成孔徑雷達(dá)涉及雷達(dá)信號處理、圖像生成等技術(shù),同時在地球科學(xué)中應(yīng)用于測量地球表面的變形等。因此,在進(jìn)行信號處理和變形結(jié)果分析與解釋時,學(xué)生需要深入理解這兩個領(lǐng)域的知識。

2)測繪類核心課程知識體系:InSAR作為一種主動遙感測量方式,需要學(xué)生具備一定的遙感基礎(chǔ)知識;同時,其用于測量地表變形,涉及大地測量學(xué)原理等知識;處理InSAR觀測中的誤差要求學(xué)生掌握誤差理論與測量平差方面的相關(guān)知識。此外,學(xué)生還需要了解地圖投影和坐標(biāo)系統(tǒng)等知識。

3)計算機(jī)科學(xué)與人工智能:當(dāng)前已經(jīng)進(jìn)入InSAR大數(shù)據(jù)時代,計算機(jī)科學(xué)和人工智能技術(shù)在加速處理InSAR大數(shù)據(jù)方面發(fā)揮著重要作用,學(xué)生需要具備扎實的計算機(jī)編程能力。

4)物理學(xué)與大氣科學(xué):大氣的折射和吸收會影響InSAR的觀測結(jié)果,因此理解物理學(xué)和大氣科學(xué)的基本原理對改正InSAR觀測中的大氣相位等誤差至關(guān)重要。

由于“合成孔徑雷達(dá)干涉測量”課程涵蓋了深入、復(fù)雜的雷達(dá)技術(shù)和測量原理,因此本課程還強(qiáng)調(diào)實踐的重要性,要求學(xué)生通過實際操作運用課程中抽象的概念和高級技術(shù)。從最初的原始數(shù)據(jù)獲取,到數(shù)據(jù)的處理,再到最終的結(jié)果解釋和實際應(yīng)用,學(xué)生需要在每個環(huán)節(jié)展現(xiàn)出高度的實際操作能力。只有通過相關(guān)實踐的錘煉,學(xué)生才能夠更好地將合成孔徑雷達(dá)干涉測量理論知識轉(zhuǎn)化為切實可行的解決方案,從而為未來的職業(yè)發(fā)展奠定堅實的基礎(chǔ)。

2 本課程主要教學(xué)內(nèi)容設(shè)計

南京工業(yè)大學(xué)的測繪工程專業(yè)開設(shè)了名為“合成孔徑雷達(dá)干涉測量”的課程,從深入基礎(chǔ)、強(qiáng)調(diào)應(yīng)用和培養(yǎng)創(chuàng)新的角度出發(fā),本課程采用了以課堂教學(xué)、實踐教學(xué)和課外分組討論并重的多元教學(xué)模式,課程教學(xué)安排涵蓋32學(xué)時,其中課堂教學(xué)占24學(xué)時,實踐教學(xué)占8學(xué)時。

在課堂教學(xué)部分,課程內(nèi)容設(shè)計從InSAR發(fā)展歷程的脈絡(luò)、SAR基礎(chǔ)知識,到InSAR基本原理、數(shù)據(jù)處理的基本步驟,以及時序InSAR分析技術(shù)和實際應(yīng)用案例等方面展開,具體教學(xué)內(nèi)容詳見表1。這一部分旨在為學(xué)生構(gòu)建對于InSAR的整體認(rèn)知,從而為后續(xù)實踐教學(xué)和課外分組討論提供堅實基礎(chǔ)。實踐教學(xué)環(huán)節(jié)則涵蓋影像配準(zhǔn)、相位解纏、相位濾波和實際案例應(yīng)用等四個關(guān)鍵內(nèi)容。通過這些實踐項目,學(xué)生能夠?qū)⑺鶎W(xué)知識融會貫通,深入理解實際應(yīng)用,掌握完整的InSAR數(shù)據(jù)處理流程,實踐教學(xué)內(nèi)容詳見表2。另外,課外分組討論部分則聚焦于InSAR數(shù)據(jù)處理的關(guān)鍵步驟,例如影像配準(zhǔn)、相位解纏、干涉圖濾波等。學(xué)生將在課堂講解、課外引導(dǎo)以及相關(guān)文獻(xiàn)和程序閱讀的支持下,通過編程的方式實現(xiàn)、復(fù)現(xiàn)相關(guān)計算程序,深入理解和掌握這些關(guān)鍵技術(shù)。這樣的分組討論有助于鼓勵學(xué)生積極參與,培養(yǎng)他們的自主學(xué)習(xí)和合作精神。

表1 “合成孔徑雷達(dá)干涉測量”課程課堂教學(xué)內(nèi)容設(shè)計

表2 “合成孔徑雷達(dá)干涉測量”課程實踐教學(xué)內(nèi)容設(shè)計

通過綜合運用課堂教學(xué)、實踐教學(xué)和課外分組討論等多元教學(xué)手段,“合成孔徑雷達(dá)干涉測量”課程不僅在理論層面進(jìn)行了系統(tǒng)講解,更通過實際操作和編程練習(xí),讓學(xué)生能夠真正掌握InSAR技術(shù)。

3 融合測繪類核心課程的合成孔徑雷達(dá)干涉測量教學(xué)模式

合成孔徑雷達(dá)干涉測量融合了合成孔徑、雷達(dá)和干涉測量三項技術(shù),是一項高度復(fù)雜的數(shù)據(jù)處理技術(shù),涵蓋多學(xué)科領(lǐng)域的知識,包括雷達(dá)技術(shù)、信號處理、數(shù)學(xué)、物理和地球科學(xué)等,這種多學(xué)科性質(zhì)通常會讓許多初學(xué)者望而卻步。InSAR通常需要處理大規(guī)模的雷達(dá)圖像數(shù)據(jù),該過程涉及多個復(fù)雜的數(shù)據(jù)處理步驟,包括數(shù)據(jù)預(yù)處理、圖像配準(zhǔn)、相位解纏和形變分析等。此外,InSAR數(shù)據(jù)易受到大氣相位等多種誤差源的影響,學(xué)習(xí)者需具備分析這些誤差并開發(fā)相應(yīng)校正方法的能力,否則可能會導(dǎo)致學(xué)生對課程內(nèi)容感到困惑。學(xué)習(xí)InSAR也需要耗費大量的時間和精力,這可能會降低學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。總體來講,InSAR學(xué)習(xí)具有較高的門檻要求,這可能會導(dǎo)致學(xué)生對課程的興趣不高、學(xué)習(xí)效果參差不齊,以及自主學(xué)習(xí)效率不高等問題。

學(xué)生普遍認(rèn)為“合成孔徑雷達(dá)干涉測量”難以掌握的主要原因在于該課程教學(xué)與已學(xué)測繪類專業(yè)核心課程知識存在脫節(jié)。然而,通過對本課程的教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行認(rèn)真研究,不難發(fā)現(xiàn)InSAR數(shù)據(jù)處理的關(guān)鍵步驟與已學(xué)測繪類核心課程知識存在緊密聯(lián)系。舉例來說,SAR圖像配準(zhǔn)涉及多個測繪類核心課程的知識點,如“遙感原理與應(yīng)用”中的同名點選取[13],“誤差理論與測量平差基礎(chǔ)”中的間接平差模型的建立、最小二乘求解和粗差剔除等[14]。InSAR中的干涉距離測量與“數(shù)字地形測量學(xué)”中的相位式測距儀原理相似[15]。干涉圖濾波去噪與“誤差理論與測量平差基礎(chǔ)”中的誤差特性,以及“工程測量”中的多次測量求最優(yōu)觀測值[16]的思想密切相關(guān)。InSAR中的相位解纏與“衛(wèi)星導(dǎo)航定位原理”中的整周模糊度固定思想相似[17]。SAR干涉圖中的大氣相位與“衛(wèi)星導(dǎo)航定位原理”中的GNSS對流層延遲概念類似。另外,SAR影像的地理編碼與“大地測量學(xué)基礎(chǔ)”中的坐標(biāo)變換思想一脈相承[18]。綜上所述,通過將合成孔徑雷達(dá)干涉測量的內(nèi)容與已學(xué)測繪類核心課程緊密結(jié)合,學(xué)生能夠更加流暢地掌握相關(guān)知識,提高學(xué)習(xí)效率,克服學(xué)習(xí)中的難點和挑戰(zhàn),從而邁過“合成孔徑雷達(dá)干涉測量”課程的高門檻。

為更好地幫助學(xué)生吸收新知識、理解和掌握InSAR關(guān)鍵數(shù)據(jù)處理步驟,本課程引導(dǎo)學(xué)生對已學(xué)的專業(yè)核心知識進(jìn)行回顧,通過運用已學(xué)的測繪類核心課程知識處理InSAR數(shù)據(jù)。如此以來,學(xué)生可以實現(xiàn)對測繪類課程知識的實際應(yīng)用,同時通過實際操作實踐鞏固已學(xué)知識。下面以融合遙感影像同名點選取、大地測量坐標(biāo)轉(zhuǎn)換和測量平差最小二乘求解的SAR影像配準(zhǔn)為例,詳細(xì)描述融合測繪類核心課程的合成孔徑雷達(dá)干涉測量多元案例式教學(xué)方法。

SAR系統(tǒng)采用單天線重復(fù)軌道工作模式,即衛(wèi)星一次通過目標(biāo)區(qū)域時只能獲取一幅觀測影像。為了獲取目標(biāo)區(qū)域的多幅觀測影像,衛(wèi)星需要以一定的時間間隔重復(fù)通過該地區(qū)。然而兩次經(jīng)過同一地區(qū)時,衛(wèi)星所處的軌道位置并不會完全相同,會有一定的軌道偏移,導(dǎo)致獲取的影像在空間上并不完全重合。因此,為了后續(xù)數(shù)據(jù)處理需要,需要對獲取的影像在空間上進(jìn)行配準(zhǔn)。SAR影像配準(zhǔn)是確保兩幅或多幅SAR影像在空間上對齊的過程,是干涉測量處理的首要步驟,其核心思想是計算構(gòu)成一個干涉對的兩幅SAR影像同名點的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換關(guān)系,將待配準(zhǔn)影像按照坐標(biāo)轉(zhuǎn)換關(guān)系轉(zhuǎn)換到與參考影像相同的像素格網(wǎng)下,使兩幅影像的同名點對應(yīng)于同一地面分辨單元[19]。一般來說,SAR影像的配準(zhǔn)精度至少要達(dá)到1/8像元,否則兩幅影像將完全失相干,從而干涉時不能生成干涉條紋,也就無法進(jìn)行干涉測量。為滿足這一要求,SAR圖像配準(zhǔn)一般包括三個步驟:控制點選取;粗配準(zhǔn);精配準(zhǔn)。

1)控制點選取。無論是粗配準(zhǔn)還是精配準(zhǔn),控制點選取都是至關(guān)重要的一步,這一過程類似于“遙感原理與應(yīng)用”中的同名點選取。在粗配準(zhǔn)階段,需要從兩幅SAR影像中識別出一小部分同名點。根據(jù)這些同名點計算出對應(yīng)于同一地面分辨單元的像素間的坐標(biāo)偏移量,據(jù)此對待配準(zhǔn)影像進(jìn)行空間上的平移,以實現(xiàn)參考影像與待配準(zhǔn)影像的同名點大致對應(yīng)于地面上的同一分辨單元。

控制點選取是SAR影像配準(zhǔn)過程中的關(guān)鍵環(huán)節(jié),合理的方法和精準(zhǔn)的選點有助于確保影像之間的精確對齊,從而為后續(xù)的數(shù)據(jù)處理和分析提供可靠的基礎(chǔ)。通過引入前期學(xué)習(xí)的“遙感原理與應(yīng)用”課程中的同名點的概念、選取方法和策略有助于學(xué)生理解InSAR中的控制點選取方法。一般而言,InSAR中會選取參考影像中振幅較大的點作為控制點,然后根據(jù)衛(wèi)星軌道參數(shù)和InSAR幾何關(guān)系,計算出控制點在待配準(zhǔn)影像中的對應(yīng)同名點。

2)粗配準(zhǔn)。在參考影像和待配準(zhǔn)影像中確定控制點后,即可根據(jù)式(1)計算出待配準(zhǔn)影像相對參考影像在行、列方向上的坐標(biāo)偏移量,這相當(dāng)于“數(shù)字測圖原理與應(yīng)用”課程中計算待測點和已知點間的坐標(biāo)增量,即:

(1)

如果控制點個數(shù)大于1,那么行、列方向的偏移量Δrow和Δcol為各個控制點偏移量的均值取整。

根據(jù)待配準(zhǔn)影像相對于參考影像在行、列方向的坐標(biāo)偏移量,對待配準(zhǔn)影像進(jìn)行行、列方向的平移操作,其數(shù)學(xué)實現(xiàn)方式是對該影像中的每個像素的行坐標(biāo)和列坐標(biāo)減去相應(yīng)的坐標(biāo)增量(見式(2))。這個過程可以實現(xiàn)兩幅影像在空間上的粗對齊。

(2)

3)精配準(zhǔn)。除了影像的平移外,“遙感原理與應(yīng)用”課程還講過影像的旋轉(zhuǎn)和畸變差異。因此,雖然以幾何平移方法所實現(xiàn)的影像粗配準(zhǔn)能夠在一定程度上糾正由于軌道偏移等因素引起的影像錯位,但粗配準(zhǔn)尚不能解決影像間所存在的旋轉(zhuǎn)、畸變差異等問題。因此,為了滿足雷達(dá)干涉測量對1/8像元配準(zhǔn)精度的要求,還需在粗配準(zhǔn)的基礎(chǔ)上對影像進(jìn)行精配準(zhǔn)。精配準(zhǔn)是在粗配準(zhǔn)的基礎(chǔ)上,在參考影像里自動均勻布設(shè)控制點,再按某種相似性法則(如相干系數(shù)法、最大頻譜法)等從待配準(zhǔn)影像里搜索出與它們對應(yīng)的同名點的精確位置,進(jìn)而建立參考影像與待配準(zhǔn)影像間的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換關(guān)系,最后對待配準(zhǔn)影像進(jìn)行坐標(biāo)變換和像元值插值重采樣,從而實現(xiàn)精配準(zhǔn)。

假設(shè)用相干系數(shù)法搜索出了K個坐標(biāo)對,并計算出K個坐標(biāo)對之間的行列坐標(biāo)偏移量。在建立坐標(biāo)轉(zhuǎn)換關(guān)系之前,需要先對計算出的坐標(biāo)偏移量進(jìn)行統(tǒng)計分析,并剔除行列坐標(biāo)偏移量中的奇異值及其對應(yīng)的坐標(biāo)對。這個過程類似于“誤差理論與測量平差基礎(chǔ)”課程中的粗差探測。

在剔除粗差獲得一系列可靠的坐標(biāo)對及其相應(yīng)的坐標(biāo)增量后,采用多項式建立參考影像與待配準(zhǔn)影像之間的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換關(guān)系。這里坐標(biāo)偏移量是觀測值,多項式系數(shù)是待求參數(shù),自變量是像元的行列坐標(biāo),根據(jù)“誤差理論與測量平差基礎(chǔ)”所學(xué)知識可以列出觀測量與待求量之間的間接平差模型,如式(3)所示:

(3)

其中,ai,bi均為多項式待求系數(shù);rowm,colm分別為像元在影像中的行、列坐標(biāo)。

基于經(jīng)粗差剔除后的坐標(biāo)對間的坐標(biāo)偏移量,利用“誤差理論與測量平差基礎(chǔ)”中的最小二乘法求解方法即可計算出多項式擬合系數(shù)。在此基礎(chǔ)上,根據(jù)參考影像中像元的行列坐標(biāo)即可計算出每一像元所對應(yīng)的坐標(biāo)增量,即可完成兩幅SAR影像的精配準(zhǔn)。

綜上可見,SAR影像的配準(zhǔn)過程用到了“遙感原理與應(yīng)用”課程中的同名點選取、“數(shù)字測圖原理與應(yīng)用”課程的中坐標(biāo)增量計算、“誤差理論與測量平差基礎(chǔ)”課程中的間接平差模型的建立、最小二乘求解和粗差剔除等測繪類核心課程知識點。通過這種融合測繪類核心課程知識點的教學(xué)方法,學(xué)生能夠?qū)⒁褜W(xué)知識應(yīng)用于實際問題的解決,從而深刻理解InSAR數(shù)據(jù)處理步驟。同時,這種教學(xué)方法也能夠激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新思維,培養(yǎng)他們將多領(lǐng)域知識融合應(yīng)用的能力,為將來在復(fù)雜領(lǐng)域中的實際應(yīng)用做好準(zhǔn)備。

4 教學(xué)實踐中遇到的問題和思考

合成孔徑雷達(dá)干涉測量是測繪遙感領(lǐng)域中的一個新興研究方向,盡管各高校已陸續(xù)開設(shè)“合成孔徑雷達(dá)干涉測量”課程,但迄今為止仍缺乏一本完全適用于測繪工程專業(yè)的教材。因此,為了確保“合成孔徑雷達(dá)干涉測量”課程的教學(xué)內(nèi)容與專業(yè)核心課程之間保持一定的系統(tǒng)性和連貫性,更好地引導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí),編寫一本融合測繪核心課程特點的“合成孔徑雷達(dá)干涉測量”教材顯得至關(guān)重要。此外,為更好地支持學(xué)生的學(xué)習(xí)和實踐,編寫對應(yīng)的實習(xí)手冊并提供相關(guān)的數(shù)據(jù)處理程序也是當(dāng)前的緊迫任務(wù)之一。這樣的教材和實習(xí)手冊將有助于學(xué)生串聯(lián)起所學(xué)知識,從而形成一個有機(jī)的知識體系。

在當(dāng)今學(xué)校教學(xué)設(shè)備不斷現(xiàn)代化的環(huán)境下,多媒體教學(xué)已成為主流的教學(xué)方式。然而,這種教學(xué)方式可能會導(dǎo)致課堂上師生互動不足,影響課堂教學(xué)效果。因此,在課堂教學(xué)和課下引入分組討論模式顯得十分重要,通過教師的引導(dǎo)以及同學(xué)之間的深入討論,激發(fā)學(xué)生自主學(xué)習(xí)的能力,同時培養(yǎng)他們的表達(dá)和溝通技巧。這種教學(xué)方式有助于打破傳統(tǒng)的教學(xué)模式,促進(jìn)師生之間和學(xué)生之間更緊密的互動,提升整體教學(xué)質(zhì)量。

“合成孔徑雷達(dá)干涉測量”課程具有強(qiáng)烈的實踐性,因此,課程需要設(shè)計理論教學(xué)之后的實驗環(huán)節(jié),旨在將理論與實踐有機(jī)地結(jié)合起來。通過這種實踐性教學(xué),有助于培養(yǎng)學(xué)生的團(tuán)隊合作精神、創(chuàng)新思維、自主學(xué)習(xí)和解決復(fù)雜問題的能力,為他們未來在雷達(dá)干涉測量領(lǐng)域以及其他相關(guān)領(lǐng)域的職業(yè)發(fā)展奠定堅實的基礎(chǔ)。

5 結(jié)語

合成孔徑雷達(dá)干涉測量以其全天候、全天時、低成本、廣覆蓋、高精度、可回溯等優(yōu)勢已在地質(zhì)調(diào)查、地理國情監(jiān)測、地形測繪以及地震地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用,并取得了顯著的成就,這引起了相關(guān)行業(yè)的廣泛興趣,進(jìn)而導(dǎo)致了社會對精通合成孔徑雷達(dá)干涉測量的高素質(zhì)人才的需求不斷上升。為滿足這一需求,相關(guān)高校陸續(xù)開設(shè)與“合成孔徑雷達(dá)干涉測量”有關(guān)的課程。然而,“合成孔徑雷達(dá)干涉測量”課程學(xué)習(xí)門檻相對較高,教學(xué)過程中常常面臨學(xué)生學(xué)習(xí)興趣不高、關(guān)鍵知識掌握不牢、實踐能力不足等問題。本文探討了融合測繪類核心課程的合成孔徑雷達(dá)干涉測量教學(xué)模式研究,旨在提升教學(xué)效果,實現(xiàn)人才培養(yǎng)目標(biāo)。