用攝影測量觀念理解InSAR技術

靳國旺

(1．信息工程大學 地理空間信息學院，河南鄭州450052;2．中國測繪科學研究院，北京100039)

一、引 言

傳統(tǒng)的攝影測量是利用光學攝影機獲取被測對象的硬拷貝像片，研究和確定所攝物體的形狀、大小、性質(zhì)及其空間位置的理論、技術和方法[1]。經(jīng)歷了模擬攝影測量、解析攝影測量和數(shù)字攝影測量3個階段，如今其概念已得到擴展。授課過程中，通常把攝影測量定義為：攝影測量是利用攝影機或其他傳感器采集被測對象的圖像信息，通過加工處理和分析，獲取有價值的可靠信息的理論和技術[2]。從所處理的圖像來看，目前的攝影測量既可以處理傳統(tǒng)的硬拷貝像片，又可以處理數(shù)字化影像或數(shù)字影像。按獲取影像的傳感器類別劃分，攝影測量可分為光學(可見光)攝影測量、雷達攝影測量和X射線攝影測量等。

由于利用雷達傳感器獲取被測對象圖像的方式與傳統(tǒng)攝影方法獲取目標圖像的方式不同，關于“雷達攝影測量”概念是否合適尚存在一些分歧。結(jié)合擴展的攝影測量定義，本文認為利用雷達傳感器獲取被測對象的圖像信息屬于廣義攝影的范疇，“雷達攝影測量”概念正確，它是利用雷達成像傳感器獲取被測對象的圖像信息，通過加工、處理和分析，獲取被測對象的形狀、大小、空間位置、性質(zhì)[3]及相互關系等有價值的可靠信息的理論和技術，是攝影測量的重要分支之一。雷達攝影測量中，合成孔徑雷達(synthetic aperture radar，SAR)技術和合成孔徑雷達干涉測量(interferometric synthetic aperture radar，InSAR)技術各有所長。

在測繪生產(chǎn)中，光學攝影測量技術應用較多，但隨著近年來國家西部大開發(fā)戰(zhàn)略的實施和國家測圖工程的開展，面向常年陰雨、云霧地區(qū)測繪的雷達攝影測量技術迅速發(fā)展和應用，特別是具有快速、全天時、全天候、高精度等突出優(yōu)勢的InSAR技術已在全球地形測繪中發(fā)揮了重要作用，受到廣泛關注。但InSAR技術往往被視為與攝影測量不同的技術，容易忽視它與傳統(tǒng)光學攝影測量的共性。因此本文將分析、總結(jié)InSAR技術與傳統(tǒng)光學攝影測量技術的相通之處，提出用攝影測量觀念看待InSAR技術的理念，強調(diào)InSAR技術是一種廣義的攝影測量技術，結(jié)合測繪生產(chǎn)需求，設計InSAR測繪作業(yè)流程，給出一些需要注意的問題。

二、InSAR簡述

InSAR是利用具有一定視角差的兩部天線(或一部天線兩次經(jīng)過)獲取被測對象具有相干性的復數(shù)圖像信息，并通過匹配、干涉圖濾波、相位解纏、基線估計、相位高程轉(zhuǎn)換等處理環(huán)節(jié)，由其干涉相位反演地形信息或者形變信息的理論和技術[5]。

如圖1所示，InSAR處理流程主要包括：主輔圖像匹配、預濾波、干涉圖生成、去平地效應、干涉圖濾波、干涉質(zhì)量評價、相位解纏、基線估計、高程信息反演、DEM重建和正射影像制作等步驟。其中，預濾波和去平地效應為可選步驟，在一些處理方案中可不采用。

InSAR技術已在全球高精度地形測繪中表現(xiàn)出了非凡優(yōu)勢[5]，它在常年多云、多雨、多霧地區(qū)的地形測繪中具有重要的應用價值。但我國面向測繪生產(chǎn)的InSAR技術研究起步較晚，忽視了InSAR技術與傳統(tǒng)光學攝影測量技術之間的密切聯(lián)系，影響了我國InSAR技術的實用化進程。

為了增進對InSAR技術的理解，本文將總結(jié)InSAR與攝影測量之間的共性，提出了用攝影測量觀念理解InSAR技術的理念，以期借鑒現(xiàn)有的攝影測量生產(chǎn)經(jīng)驗設計實用化的InSAR測繪生產(chǎn)方案。

圖1 InSAR處理流程

三、InSAR與光學攝影測量的共性

(1)均利用電磁波成像

雖然傳統(tǒng)的攝影是利用可見光成像，屬于被動成像方式，而雷達成像依靠雷達系統(tǒng)發(fā)射微波成像，屬于主動成像方式，但不管是可見光還是微波，它們都屬于廣義的電磁波，利用它們獲取被測目標的圖像均屬于廣義的攝影范疇。

(2)成像時均滿足角分辨率的理論公式

無論是光學成像，還是雷達成像，它們都屬于電磁波成像，在成像規(guī)律上存在同一性。對于真實孔徑成像，若以ρθ表示角分辨率;λ表示波長;D表示孔徑大小;k表示經(jīng)驗系數(shù)。則它們都滿足角分辨率的理論公式

從式(1)可以看出，在孔徑相通的條件下，波長越長，角分辨率越低，而微波波長比光波波長大幾個數(shù)量級，所以真實孔徑雷達成像的角分辨率較低。為了提高成像分辨率，已廣泛采用合成孔徑雷達成像方式，即利用相干方式成像來提高分辨率，這容易引起誤解：SAR成像和光學成像存在本質(zhì)差異。

如前所述，若采用真實孔徑成像方式，雷達成像分辨率要比光學成像分辨率低幾個數(shù)量級，因此為了提高分辨率，雷達成像一般采用合成孔徑方式。而目前的光學成像系統(tǒng)即使采用真實孔徑方式成像，分辨率也能滿足大量應用需求，所以往往忽視光學相干成像方式。實際上，無論是雷達系統(tǒng)還是光學系統(tǒng)，均可采用相干成像方式提高成像的分辨率，其分辨率極限均取決于所采用的電磁波信號的帶寬。所以，為了進一步提高光學系統(tǒng)的成像分辨率，采用合成孔徑方式成像必將成為重要的發(fā)展方向。

(3)所得圖像都是從三維空間向二維平面的投影

傳統(tǒng)光學攝影采用的是中心投影方式，滿足像點、投影中心、物點3點共線的條件，可用共線條件方程來表達物點和像點之間的關系;SAR成像采用的是距離投影，滿足天線相位中心與物點之間的距離與像點所代表的距離相等條件，可用距離條件和多普勒條件表示物點和像點之間的關系。

換言之，光學圖像和SAR圖像都是對三維空間的二維投影，其物點和像點之間的關系均可由兩個方程式構(gòu)成的方程組來表達，區(qū)別僅是方程的形式不同。

對于光學圖像，若以(x，y)表示像點坐標，(x0，y0，-f)表示攝影像片的內(nèi)方位元素;(X，Y，Z)表示地面點坐標;(XS，YS，ZS)表示攝站點坐標;(ai，b，ci)(i=1，2，3)表示方向余弦。則攝影時的共線條件方程可表達為

對于SAR圖像，若以(x，y)表示SAR斜距圖像像點坐標;(X，Y，Z)表示地面點坐標;Ds0表示近距延遲;My表示圖像的斜距向采樣間隔;λ表示雷達波波長;fdc表示多普勒頻移;P表示目標點的位置矢量;表示目標點的速度矢量;矢量A表示天線相位中心的位置矢量;表示天線相位中心的速度矢量。則SAR成像時滿足的方程為

(4)都離不開三角形交會

無論是光學立體攝影測量，還是InSAR測量，其基本原理都離不開三角形交會。如圖2所示，光學立體攝影測量采用的是兩條直線相交，可理解為是角度交會;而InSAR采用的是兩個圓弧相交，可理解為距離交會。

圖2 交會三角形

(5)均利用“視差”測量

在光學立體攝影測量中，左右視差與被測目標的高度(深度)密切聯(lián)系，左右視差的變化直接反應了高度的變化;在InSAR中，地面高程的變化反映在干涉相位的變化中，其干涉相位與左右視差存在密切聯(lián)系。若用p表示左右視差;Δφ表示解纏干涉相位;φ0表示干涉相位偏置;Mr表示距離向采樣間隔。則以像素數(shù)表達的左右視差與干涉相位的關系為

重復軌道InSAR

雙天線InSAR

在InSAR中，要求基線較短，此時干涉相位的變化對應的視差變化較小，因而一般目視難以發(fā)現(xiàn)其變化。

近幾年快速發(fā)展的小基高比(短基線)光學攝影測量方法與InSAR測量方法存在很多相似之處，在短基線條件下，提高視差測量精度是提高目標測量精度的關鍵，因而需要重視相位信息的利用。

(6)為減少對控制點數(shù)量的需求，均需采用區(qū)域網(wǎng)平差方法

在可見光攝影測量生產(chǎn)作業(yè)中，通常采用區(qū)域網(wǎng)平差方法由少量地面控制點加密出測圖用的大量地面控制點，從而實現(xiàn)稀疏控制條件下的大面積測圖。

在前期InSAR研究和處理中，由于缺乏實際測繪生產(chǎn)需求牽引，忽視了對區(qū)域網(wǎng)平差技術的研究，同時也給人們造成了“InSAR與攝影測量不同，無需區(qū)域網(wǎng)平差”的觀念。但隨著國家西部測圖工程的實施，如何在大區(qū)域范圍內(nèi)采用盡量少的地面控制點進行InSAR地形測圖問題擺在我們面前。若不采用區(qū)域網(wǎng)平差方法進行InSAR處理，將存在以下問題：

1)對于每個干涉像對，都需要足夠數(shù)量、分布合理的地面控制點。在大區(qū)域范圍內(nèi)完成所有干涉像對的干涉處理就需要大量、分布合理的地面控制點，從而需要消耗大量的時間、人力和財力;

2)試驗結(jié)果表明，由于干涉參數(shù)解算誤差的存在，不同干涉數(shù)據(jù)獲取的DEM及正射影像之間存在較大的相對誤差，影響了后續(xù)處理。因此，對于In-SAR處理而言，仍需借鑒傳統(tǒng)攝影測量中已成熟運用的區(qū)域網(wǎng)平差思想，由少量的地面控制點，通過各干涉像對之間的同名連接點，解算各干涉像對的干涉參數(shù)并加密測圖用的大量地面控制點。

(7)均可利用多基線策略提高穩(wěn)健性

在突變地形、高樓林立的城市等特殊條件下，均需要采用多基線技術來解決病態(tài)問題，提高測量的可靠性和穩(wěn)健性。

在傳統(tǒng)光學攝影測量中，為了減小攝影測量處理中的病態(tài)問題，提高影像匹配的自動化程度和攝影測量的精度，往往采用多基線攝影測量方式。

在面向陡峭地形、城市等復雜情況測圖時，InSAR技術難以有效發(fā)揮作用。若基線較短，獲取的高程精度較低;若基線較長，雖然理論上能獲取較高的高程精度，但由于疊掩、相位欠采樣等因素的影響，很難有效地進行干涉圖濾波和相位解纏，給其測繪應用帶來困難。為了提高對復雜地表的干涉處理能力，也需采用多基線技術，它與多基線攝影測量技術具有相通性，充分利用不同基線干涉數(shù)據(jù)之間的互補信息，提高干涉測量的精度和可靠性。

(8)均涉及影像鑲嵌、判讀、調(diào)繪、控制點測量等

與光學攝影測量類似，InSAR測繪作業(yè)包括內(nèi)業(yè)和外業(yè)兩大部分。內(nèi)業(yè)工作主要包括成像處理、干涉處理、同名點選點、影像判繪、矢量數(shù)據(jù)采集、編輯、控制點加密、干涉參數(shù)定標等工作;外業(yè)工作主要包括控制點布設、控制點測量、野外調(diào)繪等工作。

四、InSAR測繪作業(yè)流程設計

借鑒光學攝影測量作業(yè)方案，設計了如圖3所示的InSAR測繪作業(yè)流程，主要包括：成像處理、輻射校正、幾何參數(shù)與干涉參數(shù)定標和控制點加密、干涉處理、DEM和正射影像的鑲嵌與分幅、矢量采集與編輯、調(diào)繪等關鍵步驟。

圖3 InSAR測繪作業(yè)流程

在InSAR測繪作業(yè)中，需要注意以下細節(jié)問題：

1)對于相位解纏，應考慮相干性的影響，需考慮解纏的正確性和精度，而不是單純地為了完成所有干涉數(shù)據(jù)的相位解纏。對于陰影、疊掩、水域及其他相干性較低的區(qū)域，可不進行解纏，而采用其他處理策略，以免影響后續(xù)處理。

2)由于噪聲等因素的影響，獲取的DEM中存在粗差，因此，干涉處理中需考慮DEM的粗差探測、剔除和人工編輯等工作。

3)為了減少系統(tǒng)誤差積累，在SAR成像和干涉處理時，應采用方位向分塊處理策略，而不是盡量大范圍一次成像和干涉處理。

4)在布設地面控制點時，應考慮周邊、均勻布設方案。

5)大區(qū)域InSAR處理時，應考慮各航線之間的適度重疊，以利于連接點選取、區(qū)域網(wǎng)平差和控制點加密等工作。

五、結(jié)束語

本文從攝影測量和雷達干涉測量的基本概念出發(fā)，分析、總結(jié)了傳統(tǒng)光學攝影測量和雷達干涉測量之間的共同點，結(jié)合雷達干涉測量在實際測繪生產(chǎn)中所面臨的問題，提出了用攝影測量觀念理解InSAR技術的理念，設計了InSAR測繪作業(yè)流程，給出了一些需要注意的細節(jié)問題。

本文觀點是筆者結(jié)合攝影測量教學實踐和In-SAR技術的理論及應用研究提出的，僅代表個人觀點，不妥之處敬請各位專家和同行批評指正。

[1]劉靜宇．航空攝影測量學[M]．北京：解放軍出版社，1995．

[2]張保明，龔志輝，郭海濤．攝影測量學[M]．北京：測繪出版社，2008．

[3]肖國超，朱彩英．雷達攝影測量[M]．北京：地震出版社，2001．

[4]王之卓．攝影測量原理[M]．武漢：武漢大學出版社，2007．

[5]靳國旺．InSAR地形測繪若干問題研究[D]．北京：中國科學院電子學研究所，2011．

[6]靳國旺，吳一戎，向茂生，等．基于區(qū)域網(wǎng)平差的InSAR基線估計方法[J]．測繪學報，2011，40(5)：616-622．

[7]張紅敏，靳國旺，徐青，等．中國余數(shù)定理在雙基線In-SAR相位解纏中的應用[J]．測繪學報，2011，40(6)：770-777．

[8]張紅敏，靳國旺，徐青，等．利用差分濾波進行多基線InSAR相位解纏[J]．武漢大學學報：信息科學版，2011，36(9)：1030-1034．

[9]李德仁，鄭肇葆．解析攝影測量學[M]．北京：測繪出版社，1992．