機載InSAR測制1∶10 000數字測繪成果精度分析

苗小利

(西安煤航技術發展研究院，陜西西安710054)

一、引 言

機載干涉合成孔徑雷達(InSAR)技術，經過近20年的研究，其理論日臻成熟，并且由于雷達干涉測量具有全天時、全天候工作的優點，可以直接獲取地形的高程信息，其應用領域也得到不斷推廣。許多歐美國家已將實用化的機載高分辨率InSAR技術作為一種新的、先進的技術手段，逐漸應用于地形測繪方面;而我國地形測繪應用則處于起步階段，“十一五”期間，在國家863計劃的支持下，筆者所在單位在四川省綿陽試驗區進行了4000多平方千米的飛行掃描，開展了機載InSAR測制1∶10 000 DEM、DOM、DLG的示范應用研究。本文介紹了這次試驗的工藝流程和作業方法，分析了3D數字測繪成果的精度及其影響因素。

二、機載InSAR測制數字測繪成果工藝流程和方法

雷達干涉測量(InSAR)是基于時間測距的成像機理，利用雷達回波信號所攜帶的相位信息，以獲取地表的高程信息。其原理是通過兩副天線同時觀測，獲得同一區域的重復觀測數據(復數影像對)，提取同一目標對應的兩個回波信號之間的相位差，結合觀測平臺的軌道參數等提取高程信息[1]，直接獲得數字地表模型(DSM)，如圖 1(a)所示。通過濾波、編輯處理，生成數字高程模型(DEM)，如圖1(b)所示。

SAR影像則是由單視復型數據(SLC)的實部和虛部，計算出振幅值，然后進行灰度化變換，生成原始影像，再經過變換以及去噪聲、地理編碼后，生成DOM數據，如圖2所示。

而DLG則是在上述DEM、DOM數據基礎上測制而成，即從DEM數據派生出DLG的地貌要素數據，如圖3(a)所示，從DOM數據測制DLG地物要素數據，如圖3(b)所示，最后合并形成DLG成果，如圖3(c)所示。

圖1 DSM、DEM成果

圖2 DOM成果

圖3 DLG成果

綜上所述，機載 InSAR系統測制 DEM、DOM、DLG數字測繪成果的工藝流程如圖4所示。

上述工藝流程是基于單片機載InSAR數據，它具有以下優點：

1)該工藝簡單明了，充分利用機載INSAR系統直接獲取高精度的DSM和DOM數據。

圖4 機載InSAR系統測制3D成果工藝流程

2)采用該工藝生產DLG產品，無須開發新的立體測圖系統，節省了生產成本，有利于新技術的推廣應用。

3)可以實現一項任務多人作業的生產方式，提高了生產效率。

三、DEM、DOM、DLG 成果精度

基于上述工藝流程和作業方法，在綿陽試驗區內測制完成了10幅1∶10 000比例尺的3D數字測繪成果，并抽查了3幅DEM、1幅DOM、1幅DLG成果，所用檢測點均勻分布在圖內、包括了各種地形地貌以及困難地區，其精度見表1～表3。

由統計結果可知，采用機載InSAR系統測制的DEM成果高程中誤差在±0．5m左右，DOM成果的平面中誤差約為±2．7 m，DLG成果的平面中誤差約為±2．5 m、等高線及高程注記點高程中誤差在±0．9m左右。

表1 DEM高程精度統計

表2 DOM平面精度統計

表3 DLG平面、高程精度統計

四、精度分析

1．高程精度分析

由上述工藝流程可知，DEM的高程精度直接影響著數字測繪成果的高程精度，而影響DEM的高程精度有以下幾個方面因素。

1)成像雷達系統參數：通過成像雷達系統參數、姿態參數和軌道間的幾何關系，可以重建地面高程模型，因此成像雷達系統的參數直接影響著DEM的質量。本文采用中科院電子學所自主研發的機載雙天線、X波段的InSAR系統，研制中充分考慮到基線長度、基線傾角、干涉相位、飛行(平臺)高度、雷達距離等因素對高程測量精度的影響，并給出了以上因素對高程測量誤差的指標要求，從系統設計與研制環節上保證了高程測量精度優于0．5m，這一點從表1的高程精度統計中也可反映出。

2)干涉測量困難地區：即易產生疊掩和陰影的區域，包括高山區、水域、高植被區、城鎮居民區等，這是受側視雷達成像機制的制約，在這些區域中，或因地形起伏不可避免地產生陰影現象，陰影區沒有回波信號，相干性差，嚴重影響DEM質量;或因水域部分產生鏡面反射，也無法接收到回波信號，繼而影響DEM質量;或因高植被區域，X波段不能穿透樹冠樹葉到達地面，無法得到地面的回波信號，因此影響DEM質量。為此，對密集建筑物區域、森林、道路、水域等區域的高程精度進行了統計(見表4)，明顯看出，這些地區的高程精度較低。

表4 困難地區高程精度統計

3)DEM濾波和編輯處理：除了上述兩種客觀因素的影響，后期的濾波和編輯處理也影響著DEM的精度。對于DEM濾波方法有多種，每種方法都各自有其優缺點，適用范圍也不盡相同，但一般都還需要后期的人機交互式濾波和編輯。特別是小范圍的“異常區”(如圖5(a)所示)、靜止水面(如圖5(b)所示)、流動水域(如圖5(c)所示)、建筑物區域(如圖5(d)所示)、樹林區(如圖5(e)所示)等，都需要經過人機交互編輯處理后，使“異常區”正常、靜止水面置平、流動水域平緩過渡、建筑物區域及樹林區合理，如圖6所示。

圖5 DSM所生成的等高線

圖6 DEM所生成的等高線

表5統計了稻田區域進行濾波和編輯處理前后的高程精度，從統計結果可以看出，采用正確的濾波和編輯處理方法，能夠有效地提高高程精度。

2．平面精度分析

為了得到困難地區的平面精度，就房屋、道路交叉口、池塘等成像地物，對其DOM進行了平面精度統計，結果如表6所示。

表5 濾波前后DEM精度統計

表6 1∶10 000困難地區平面精度統計

由表6統計可知，困難地區能夠成像地物的平面中誤差小于3m，高程中誤差為±1．08 m，由此可知，機載InSAR技術的困難地區對高程影響較大，對成像地物的平面精度影響不大。

五、結束語

綜上所述，通過試驗區的實踐，獲取了大量的試驗數據和檢測數據。數據統計表明，我國自主研發的機載InSAR系統及其數據處理系統，經過多年的不斷完善和改進，達到了設計的標稱精度;通過干涉處理獲取DSM的高程精度優于航空攝影測量;在此技術上生產的 DEM、DOM、DLG產品滿足1∶10 000國家規范的精度要求。因此，機載InSAR系統有效地彌補了航空攝影測量受制于天氣的不足，由于其具有即時飛行、成圖周期短的優勢，形成了一條高速的從數據獲取、數據處理、智能信息提取、基礎地理信息建庫、更新等部分組成的全數字化數據鏈，必將為國民經濟建設和國防建設提供高效快速的基礎數據保障。

[1]廖明生林琿．雷達干涉測量——原理與信號處理基礎[M]．北京：測繪出版社，2003：36-41．

[2]宋建社，鄭永安，袁禮海．合成孔徑雷達圖像理解與應用[M]．北京：科學出社，2008，P57-59．

[3]CURIANDER J C，MCDONOUGH R N．Synthetic Aperture Radar：Systems and Signal Processing[M]．[S．L．]：WILEY，1991．

[4]丁瓊，劉國祥，蔡國林，等．InSAR DEM精度與地形特征的關系分析[J]．測繪科學，2009，1(1)：147-148．