機載SAR影像在1∶50000地形圖生產中的應用

羅昌瓊 桂木政 楊本勇

(四川省遙感信息測繪院，四川成都 610100)

與光學遙感相比，雷達遙感是主動遙感，具有全天時、全天候的特點。對于西部橫斷山脈測區(qū)的云霧冰雪覆蓋區(qū)域，光學影像較難獲取實地地表覆蓋的情況，或已獲取的光學影像時效性較差，對此合成孔徑雷達(SAR)影像具有較強的優(yōu)勢性和時效性。

西部橫斷山脈區(qū)域地勢險峻，多高山峽谷，氣候多樣，生態(tài)環(huán)境奇特，海拔4 100m以上為寒帶，終年積雪，長冬無夏，為多云、多霧、多雪復雜地形區(qū)域，光學影像不能完全滿足地形圖測圖的要求，SAR雷達影像在此區(qū)域對光學影像測圖是有力的補充，使橫斷山脈區(qū)域測圖得以順利完成。

1 機載SAR雷達影像數據及使用原則

考慮到西部測圖工程測圖區(qū)域的復雜性，為滿足測圖要求，并提高解譯精度，應用了多種雷達影像進行信息互補。從極化方式的角度來說有單極化影像和全極化影像;從軌道情況來說有升軌影像和降軌影像。在此，僅就利用我國自主研發(fā)的首套機載多波段多極化干涉SAR數據獲取機載SAR影像數據，如何結合光學影像數據進行測圖作一個探討和交流。

1.1 機載SAR雷達影像數據

根據地形條件和用途，在不同區(qū)域分別獲取了一個側視方向、兩個側視方向或四個側視方向的2.5m分辨率X波段干涉數據、P波段極化數據及相應的POS數據。

X波段機載SAR數據的數據體和頭文件參數存放在(*.raw)和(*.dat)文件中，主要用于過程DEM數據制作、地物地貌的測繪和SAR影像DOM(標準分幅)的制作。

P波段機載SAR數據的數據體和頭文件參數存放在(*.raw)和(*.led)文件中，主要用于地物的測繪和SAR影像標準分幅DOM、地表覆蓋數據等的制作。

POS數據是由機載POS系統(tǒng)(加拿大Applanix公司的IMU510系列)測量數據聯(lián)合地面GPS基準站差分解算的飛機航跡信息。在成像過程中，相關航跡信息被寫入到影像參數文件中。

1.2 機載SAR雷達影像的解譯原則

雷達影像解譯是雷達影像應用的主要難題，根據雷達影像的成像機理，雷達影像解譯主要按以下的原則進行:

①雷達的迎坡面容易產生疊掩，疊掩區(qū)在圖像上表現(xiàn)為強白色區(qū)，雷達的背坡面如果坡度較大或被遮擋，容易形成陰影，在影像上表現(xiàn)為沒有紋理的暗區(qū)域。陰影和疊掩區(qū)域無法解譯地物，但可用于了解大致的地形。

②雷達影像受相干成像機制的影響而存在斑點狀的噪聲，嚴重影響了雷達影像的可解譯性。除濾波外，調節(jié)影像顯示的拉伸范圍是一種常用的簡單有效的噪聲抑制方法，能夠提高目視解譯的效果。

③金屬材質的地物如鐵軌、鐵塔等在雷達影像上呈現(xiàn)出亮色調。

④含水量較大的地物，如雨后的耕地、沼澤地相對較亮，呈現(xiàn)出中等亮色調。

⑤房屋、水泥電線桿、圍墻等垂直于地面的地物與地面構成角反射器，當其朝向雷達時，角反射器效應特別明顯，容易形成亮區(qū)域。

⑥球狀、棱錐狀、陡巖等有表面垂直于雷達波束的地物在雷達呈現(xiàn)出亮色調。

⑦光滑的表面，如飛機場光滑的水泥地面、平靜的湖面、河流及水泥或瀝青道路由于產生鏡面反射呈現(xiàn)出暗色調。

⑧粗糙的表面如灌木、林地等呈現(xiàn)出中等色調。

1.3 機載SAR雷達影像使用原則

在SAR影像結合光學影像測圖生產中，根據原有光學影像的不同情況，SAR影像發(fā)揮著不同的作用，具體如下:

①光學影像能夠完成測圖的區(qū)域，應利用SAR影像輔助地貌修測、地物和地表覆蓋數據解譯，充分發(fā)揮SAR影像的特點。

②光學影像因云、雪、霧導致絕對漏洞的區(qū)域必須使用SAR影像進行測圖。

③SAR影像在使用過程中，應選擇無效信息最少的一個側視方向數據為主數據源，其他方向作為補充。

2 機載SAR在生產中應用的方法和效果

2.1 地貌要素的修測和測繪

依據測區(qū)相關資料，分析了光學影像測圖情況，尤其是云霧、冰雪等無法測制區(qū)域的測圖情況等，在雷達立體觀測環(huán)境下，疊加光學等高線數據及具有高程信息的要素:①全面套合查看光學影像測圖的成果，修正光學影像不能滿足測圖精度的數據;②補充光學影像無法測繪的區(qū)域，其工藝流程如圖1所示。

圖1 利用雷達影像修測地貌工藝流程

2.2 地物要素的更新和新增

利用機載SAR的四種正射影像圖(即X波段干涉數據的兩個側視方向正射影像圖和P波段極化數據的兩個側視方向正射影像圖)，對地物要素進行判讀和采集。室內解譯由內、外業(yè)人員一起，借助野外實地采集的雷達解譯樣本，按照雷達影像的解譯原則，通過將雷達影像和光學影像進行比對展開室內解譯:①在雷達正射影像上判繪光學影像上沒有或無法判繪的地物和地表覆蓋信息;②處理SAR影像解譯后新增或更新要素與原要素之間的相互關系，其工藝流程如圖2所示。

圖2 利用雷達影像更新地物工藝流程

2.3 實例分析

(1)利用機載SAR立體雷達影像進行地貌修測或測繪

由于SAR雷達影像不受云、雪、霧的影響，因此，可利用機載SAR雷達立體影像將光學影像中被云、雪、霧覆蓋或山的陰影處只能粗略表示的地貌進行準確表達，使地形圖中表達的地貌信息準確，地形與實地相符合。如圖3中，由于山勢較高，在光學影像山的陰影處測繪的地貌，不能準確表示實地地形情況，導致測繪的地形失真。而在圖4中，該區(qū)域利用機載SAR立體模型采集的地貌明顯更真實地反映了實地的地形，溝谷明顯，細貌真實。

圖3 光學影像山陰影處采集的地貌

(2)利用機載SAR雷達正射影像進行地物更新

對鐵絲網、電力線等光學影像很難判繪的地物，在機載SAR正射影像上清晰可見，如圖5、圖6為同一區(qū)域的光學和雷達正射影像，圖5光學影像中鐵絲網無法判讀，圖6機載SAR的P波段正射影像中鐵絲網(橫穿東西的亮黃色線狀物)清晰可見。

對云遮蓋或陰影下以及被雪覆蓋的地物，在機載SAR正射影像上清晰可見，如圖7中為光學影像中被云遮蓋的道路，在圖8機載SAR的X波段正射影像中清晰可見;如圖9中被雪覆蓋的湖泊，在圖10機載SAR的X波段正射影像中清晰可見。

圖4 雷達影像山陰影處采集的地貌

圖5 光學正射影像

圖6 機載SAR正射影像

圖7 有云遮蓋的光學正射影像

圖8 機載SAR的X波段正射影像

圖9 有雪覆蓋的光學正射影像

3 機載SAR在地形圖生產中應用的不足

因SAR為斜距成像，由地形起伏引起的影像幾何失真大、輻射畸變突出，在高山地區(qū)表現(xiàn)得尤為突出，從而阻礙了從SAR影像中提取信息，并與其他具有地理參考的信息的綜合應用。如圖11和圖12為同一區(qū)域的光學正射影像和機載SAR的P波段正射影像，圖11中各種植被(旱地、林地、草地等)之間的界線可很好地進行判繪，且植被也直觀易解譯，而在圖12中，地界并不明顯，且植被不直觀。

圖10 機載SAR的X波段正射影像

圖11 光學正射影像

圖12 機載SAR的P波段正射影像

［1］GB/T23236—2009 數字航空攝影測量空中三角測量規(guī)范［S］

［2］CH/T1009—2010 全球定位實時動態(tài)(RTK)測量技術規(guī)范［S］

［3］張祖勛，張劍清.數字攝影測量［M］.武漢:武漢測繪科技大學出版社，1996