多源星載SAR地形干涉測量精度分析

陳利軍，張 瑞，郭旭東，洪凱瑞，涂晉升

(1.國家基礎地理信息中心，北京 100830；2.西南交通大學，四川 成都 611756)

地形測繪是遙感領域一個重要的應用方向，對應的數字高程模型(DEM)數據在軍事偵察、國民經濟建設和科學研究中發揮著越來越重要的作用[1-3]。利用SAR技術提取地形信息一直是熱門的研究方向之一。目前，基于SAR影像獲取地表的高程信息主要有4種途徑：雷達角度測量(radaclinometry)、雷達攝影測量(radgrammetry)、雷達極化測量(polarimetry)和雷達干涉測量(interferometry)。其中，干涉合成孔徑雷達(interferometric SAR，InSAR)是以SAR復圖像對的干涉相位反推測距信息，進而得到地表三維信息的一門技術，其發展的主要目的是進行地形測繪和獲取高精度的DEM數據[4-8]。如今，為獲取全球DEM數據及其他增值產品，具有大幅寬成像能力的星載SAR系統已成為全球測繪任務下InSAR的首選系統類型[6]。

當下，面對海量的全球干涉測量實測數據，如何在保證精度的情況下，兼顧處理算法的穩健性與處理效率是星載InSAR數據處理亟待解決的重要問題。本文將針對全球測繪中所面臨的多云霧、多陰雨、植被茂密的復雜氣候環境區域，無法開展光學立體影像測圖工作的情況，嘗試利用國內外多源星載SAR影像數據開展地形干涉測量試驗和精度分析，為全球測繪提供技術參考。

1 InSAR生成DEM原理

InSAR是一種以波的干涉為基礎的雷達技術，通過衛星或航天器獲取同一地區的兩景或多景SAR影像進行地面三維信息的量測[9]。

由三角函數關系可知，地面目標點P的高度h可表示為[9]

h=H-rcosθ

(1)

式中，H為衛星地球表面的高度。在數據處理過程中通過SAR影像干涉得到的是地面點的相位信息，由式(1)無法解算出到地面點的高程信息。由余弦定理可知

(r+Δr)2=r2+B2-2rBcos(α+90-θ)=

r2+B2-2rBsin(θ-α)

(2)

式中，r和r+Δr分別表示主、輔衛星天線相位中心到地面點P的距離；α為基線傾角；θ為主星方向的側視角；B為主、輔衛星之間的天線距離。通過平面波模型可將斜距變化量Δr與干涉相位之間的關系近似表示，即

(3)

當Q=1時，表示干涉數據為雙天線類型的數據；當Q=2時，表示干涉數據為重復軌道類型的數據。

將式(2)和式(3)代入式(1)可得[10]

(4)

通常利用InSAR技術生成DEM的數據處理流程包括：SAR主輔影像精配準、干涉相位生成、基線估計、去除平地相位、相干性估計、干涉相位濾波、干涉相位解纏、相位高程轉換、地理編碼等，處理流程如圖1所示。對于軌道精度較低的SAR數據，還需要利用外部DEM對基線進行精化處理，以提高最終高程反演精度[11]。研究表明，厘米級的基線精度是InSAR生成高精度DEM的前提[12-15]。為了精確改正基線參數，本文采用控制點高程和解纏相位結合的基線精化方法。

圖1 InSAR生成DEM處理流程

2 試驗區及數據源

2.1 研究區域

為了客觀評價不同SAR數據源的成像能力和干涉能力，本次試驗選擇GF-3、ALOS-2和COSMO-SkyMed數據，通過相同的試驗區域分別進行干涉處理(如圖2所示)，以便于橫向對比不同數據源生成的DEM，以驗證不同SAR衛星數據的可靠性。試驗選定研究區域位于青海省北部的茫崖鎮，地處柴達木盆地的西北邊緣。區域內以山區為主，高差約600 m。

圖2 研究區域數據覆蓋

在試驗區數據處理之前，計算了生產所用影像對的時空基線，見表1。GF-3的干涉配對在垂直基線參數方面明顯優于COSMO-SkyMed與ALOS-2。由干涉參數不難推測，在DEM數據的地形紋理重建方面，GF-3相比較于其他兩種數據具有一定的優勢。在時間基線方面，COSMO-SkyMed干涉配對一天的采樣頻率優勢明顯；其次是GF-3干涉配對一個月的時間基線；而對于ALOS-2干涉配對而言，數據采集時間相隔接近一年。

表1 試驗區影像對時空基線

2.2 干涉生成DEM結果

根據每個像素點的相干系數、非纏繞相位差值和軌道參數，計算出對應地面點的高程H，并對該像素點的像素坐標(x，y)進行地理編碼，轉換為地理坐標(L,B)，從而生成干涉DEM，如圖3所示。整體看來，GF-3、ALOS-2、COSMO-SkyMed這3種數據干涉測量獲取的DEM整體地勢較為一致，紋理高度符合。但是，由于COSMO-SkyMed原始影像數據的分辨率較高(達到2 m)，因此在局部的細節度方面更為細致，預期可達到更高的精度。而在現有的3種數據中，ALOS-2的數據分辨率相對較低(約為10 m)，在細節度方面稍有不足，預期在精度方面略低于COSMO-SkyMed和GF-3干涉獲取的DEM數據產品。

圖3 研究區干涉生產DEM

3 精度比較分析

為驗證高分辨率SAR衛星在復雜地區提取DEM的精度，試驗選用了覆蓋該區域的12 m分辨率World DEM數據以及30 m分辨率SRTM DEM作為參考數據。為保證精度評估結果的可靠性，地理編碼過后將提取的DEM分別與30 m分辨率的SRTM DEM和12 m分辨率的World DEM進行配準，隨后將參考DEM與提取DEM相減，得到試驗區域的高程差，從而進一步對提取得到的干涉結果開展比較分析與精度驗證。

3.1 與SRTM DEM精度對比分析

研究區的差值圖如圖4所示。由圖4可知，ALOS-2干涉獲取的DEM與SRTM DEM的高程差在局部較為明顯，且與地形有一定的關系，在起伏顯著的地方差值較大。GF-3干涉獲取的DEM僅在部分溝谷區域有符合地形特征的偏差出現，整體質量較高。而COSMO-SkyMed干涉獲取的DEM則具有更高的質量，與參考DEM的整體偏差最小。

圖4 干涉獲取DEM與SRTM高程差

試驗統計了SRTM DEM試驗區域覆蓋范圍內的誤差分布，其統計數據見表2，其直方圖分布如圖5所示。

圖5 研究區干涉獲取DEM誤差直方圖分析

表2 誤差統計 m

基于誤差統計結果的比較分析可以看出，COSMO-SkyMed干涉獲取的DEM具有最高的精度，其在研究區一的誤差均在5 m以內。其次，GF-3干涉獲取的DEM具有相對較高的精度，在研究區一的誤差可控制在8 m以內。而ALOS-2干涉獲取的DEM受空間基線較短，影像分辨率較低等因素的綜合影響，本次試驗的精度在10 m以外。

3.2 與World DEM精度對比分析

將干涉提取的DEM與參考的World DEM進行精確匹配，裁剪出二者重合的區域進行后續的精度分析，最終得到12 m分辨率的高程差值圖。研究區的差值情況如圖6所示，ALOS-2和GF-3干涉獲取的DEM與World DEM的高程差在部分溝谷區域有符合地形特征的偏差出現，最大偏差超過40 m，且在地形起伏較大的地方差值較為明顯。而COSMO-SkyMed干涉獲取的DEM則具有更高的質量，與參考DEM的整體偏差最小。

圖6 研究區干涉獲取DEM與World DEM高程差

試驗統計了World DEM試驗區域覆蓋范圍內的誤差分布，其統計數據見表3，其直方圖分布如圖7所示。

圖7 研究區干涉獲取DEM誤差直方圖分析

表3 研究區誤差統計 m

基于誤差統計結果的比較分析可以看出，COSMO-SkyMed干涉獲取的DEM確實仍有最高的精度，在青海研究區的誤差保持在5 m左右。GF-3和ALOS-2干涉獲取的DEM受空間基線、影像分辨率等因素的綜合影響，在本試驗區的精度高于10 m。

4 結 論

本文在分析國內外多種SAR影像數據的基礎上，選擇了地貌條件較為復雜的青海試驗區，開展了DEM提取的綜合試驗。為驗證星載SAR數據的可行性及可靠性，依據SRTM和World DEM外部DEM數據進行了精度對比分析。主要結論如下：

(1)本試驗選取的當前國內外主流的X/C/L波段COSMO-SkyMed、GF-3、ALOS-2影像數據，在試驗區生產高質量的DEM數據產品。經比較，COSMO-SkyMed干涉獲取的DEM的精度與細節質量均較高，GF-3數據和ALOS-2數據略低。試驗結果重點反映了分辨率差異對InSAR干涉測圖質量的影響。

(2)從不同波長SAR數據抵御時間失相關的能力進行分析，波長達到分米級的L波段ALOS-2數據(波長23.5 cm)更有優勢，在時間基線長達一年的不利條件下，仍可以解算出較為可靠的InSAR干涉結果。對同為厘米級波長的GF-3和COSMO-SkyMed數據而言，C波段GF-3數據(波長5.6 cm)在相隔一個月的時間基線條件下表現更為穩定。試驗采用的COSMO-SkyMed數據(波長3.1 cm)為編程獲取，時間間隔最短，故未表現出相位失相關的現象，從而也體現出更短的時間間隔有利于保障干涉獲取DEM的質量。

(3)InSAR測圖的干涉像對需具有合適的空間基線，空間基線過短會導致地形相位的模糊問題，難以保障地形紋理的恢復重建。因此，短期重復軌道獲取的SAR像對，成像位置的空間基線普遍較短，不利于保證干涉獲取DEM的紋理細節。GF-3數據在試驗區的垂直基線約為1100 m，在分辨率和波長/穿透性指標均不占優的情況下，仍具有高可靠度的DEM測圖結果，尤其是在高復雜度地形區域，精準重建了地形紋理細節，集中體現了長空間基線對干涉獲取DEM的積極作用。

(4)國產GF-3數據在空間基線合適的條件下，具備高精度InSAR測圖的能力。由于GF-3衛星主要面向海洋遙感應用需求，未考量地形測繪的性能指標，因此該衛星的常規運行模式尚不足以對境內外DEM測圖提供穩定的支持和保障。然而，GF-3衛星的成像系統已達到國際先進水平，具備領先的成像分辨率優勢。通過本次試驗論證，在基線條件合適的情況下，GF-3衛星具備獲得高精度的DEM數據產品的潛力。