無人機機載SAR 在地理國情監測中的應用

章九才

（安徽省第三測繪院，合肥 230601）

1 引言

最近幾年，隨著社會經濟的快速發展，地理國情在國民經濟發展中越發重要。做好地理國情監測，成為各級政府部門服務地方經濟發展，滿足社會公共服務需求的一項重要任務。而在地理國情監測中，一般都會用到航空航天遙感技術、全球導航衛星系統等，對自然和人文地理信息進行動態獲取和綜合分析，形成能夠反映各類資源及環境要素的監測數據。在科學技術飛速發展的背景下，無人機機載微波成像技術的發展，使SAR 系統在無人機領域得到了較為廣泛的應用，在實現監測系統微型化的同時，促進了圖像分辨率的提高。對比無人機機載SAR 與光學成像技術，無人機機載SAR 具備全天候、全天時的作業能力，可以在不同極化作業方式下，獲取地理國情監測區域的高分辨率圖像，能夠很好地滿足地理國情監測對于數據質量的要求，為地理國情監測數據的獲取提供了新的技術手段。

2 相關概念

2.1 SAR

合成孔徑雷達（Synthetic Aperture Radar，SAR）屬于一種主動式對地觀測系統，可以被設置在衛星、飛機和無人機等平臺上，實現全天候觀測，其在實際應用中，能夠穿透一定厚度的地表，觀測數據較為準確，可以實現高分辨率微波成像，具備全天候、大幅寬的特點，因此，SAR 系統被廣泛應用在環境監測、災害監測、資源勘查以及軍事等領域。SAR 最初多被應用于機載或者星載平臺。隨著技術的發展，其平臺搭載形式變得越發多樣化，如彈載、地基SAR、無人SAR 等，其在未來發展中有著更加多樣化的方向，如多頻、多極化、超高分辨率、InSAR 技術、Pol-InSAR 技術、小衛星雷達技術等[1]。

SAR 主要是通過天線向物體發射能量，同時也通過SAR負責接收能量，借助電子設備記錄能量的傳輸情況，最終形成相應的圖像。在SAR 中，孔徑指的是天線長度，系統可以通過衛星、飛機、無人機向前運動形成合成孔徑，物體返回的能量如果可以達到孔徑發射的光束寬度內，則物體會形成圖像并且被保存下來。SAR 距離分辨率的改善是通過相應的脈沖技術實現的，與發射信號的帶寬存在密切關聯，帶寬越大，分別率越小；方位分辨率的改善則是通過合成孔徑技術實現，理論上，條帶SAR 能夠達到天線尺寸的1/2，聚束SAR分辨率更小。

2.2 地理國情監測

地理國情監測是借助現代信息技術如GPS 技術、GIS 技術和RS 技術等，在對各個時期現有測繪成果進行綜合的基礎上，對地形、水系、地表覆蓋等進行動態監測，就其分布特征、變化量、變化頻率、地域差異等進行統計分析，形成能夠反映環境、生態、資源等要素的空間分布數據[2]，從而對地理國情進行動態測繪，提供全面、真實、準確的地理國情信息。地理國情則是從地理的角度，對國情信息進行分析描述，其基本內容是地球表層自然生態環境以及人文現象的空間變化等，強調對構成國家物質基礎的各種因素進行整體性調查，如國土疆域概況、城市布局、災害分布等。地理國情能夠將一個地區乃至整個國家的人地關系協調情況直觀反映出來，是推動可持續發展重要決策的依據，也是基本國情的一部分，能夠將地理區域劃分、地形地貌特征、土地利用情況、城市布局等自然和人文地理要素綜合體現出來。

3 無人機機載SAR 在地理國情監測中的應用

為了更加詳細地對無人機機載SAR 在地理國情監測中的應用情況進行分析，下文引用他方數據來進行具體研究。

3.1 系統設計

依照地理國情監測對影像數據的實際需求，對能夠搭載于無人機上的Mini SAR 系統進行規劃設計，相應的設計指標為：

最大成像分辨率：0.5 m；

最大測繪帶寬：3 000 m；

最大作用距離：6 000 m；

規格：200 mm×180 mm×90 mm；

工作溫度：-20～50℃；

工作頻率：Ku 波段

系統設計中，可以依照功能劃分子系統，主要包括：（1）電氣系統。為了確保無人機的飛行距離和飛行時間[3]，在系統中設置了自帶電源，電氣系統供電接口采用的是航空標準。（2）測控系統。無人機測控系統的數據鏈必須能夠很好地滿足遙控、遙測和光學視頻傳輸的現實需求，而且需要做好電子干擾測試工作，確保無人機測控系統能夠具備良好的抗干擾能力，保證無人機飛行安全。（3）飛控系統。飛控系統的軟件和硬件都必須依照導航系統進行適當的改造，在Mini SAR 系統中，導航設備采用的是光纖捷聯慣導系統，可以提供姿態、方位等數據信息，GPS 則采用了組合導航設備來提供角運動、線運動和姿態信息，具備較高的精度。將雙天線GPS 作為地面基站，為無人機機載SAR 系統提供相應的定位基準。（4）動力系統。在無人機上搭載Mini SAR，要求動力系統必須能夠滿足至少50 N（5 kg）起飛質量的要求，確保無人機在飛行時能夠保持飛行姿態穩定，以獲取較高分辨率的影像數據信息[4]。

3.2 飛行試驗

試驗區塊的空域海拔高度不能超過100 m，航向相對高度為900 m，測繪幅寬956 m，航線重疊率為40%。依照航線設計參數以及相應的雷達作業參數，將測繪區域的范圍確定為6 000 m×3 000 m，在分型試驗區域內，在一個飛行架次獲取的圖像條帶內，設置12 個不同規格的角反射器作為定標點，取角反射器目標的分辨率/旁瓣比作為雷達工作模式下的指標測量值。在第一條航線中，依照從近到遠的順序，設置了12 個定標點，結合測繪結果分析，圖像中顯示出了11 個定標點，最遠的第12 個定標點沒有顯示出來，為無效點位[5]。

其中第6～9 號定標點采用的是四邊形設置的方式，邊長為3 m。各點位之間的距離較近，測量得到的數據信息相似性大，為了避免數據冗余問題，選擇6 號定標點的坐標值進行測量，其余3 個點作為參考。

3.3 結果分析

借助相應的外業現場測量作業方式，確定測繪區域內定標點的具體坐標，依照相應的Mini SAR 系統得到高分辨率圖像，對積分旁瓣比和峰值旁瓣比進行計算。對照計算結果分析，無論是峰值旁瓣比還是積分旁瓣比，都能夠很好地滿足Mini SAR 系統的設計與成像要求，在距離分辨率和方位分辨率上都可以滿足設計要求（0.5 m）。

3.4 局限性

SAR 技術在實際應用中，存在一定的局限性。具體如下：

1）時間失相干。2 幅SAR 影像實現干涉的一個重要前提，是在觀測期間地表地物屬性必須保持一致，若影像相隔時間過長，地物屬性變化明顯，則會導致時間失相干的問題。

2）最大可探測形變能力。對于SAR 技術而言，如果同一個分辨單元在成像器件視線向發生的形變超過半個波長，則其無法在SAR 干涉圖中恢復。換言之，SAR 技術存在最大可探測性變能力，當一些地物的形變較大時，會在干涉圖中表現為失相干，導致無法對其形變進行有效恢復。

3）幾何失相干。在探測區域內，陰影、疊掩等的失相干與地形條件、SAR 成像幾何存在密切關聯。該實驗區域中地形起伏大，SAR 成像幾何相對單一，幾何失相干帶來的影響比較嚴重。

基于此，想要獲取更加可靠的形變結果，應從數據獲取、影像配準等環節做好相應的優化，對觀測方法進行改進，例如，在一些地表變化較大的區域，可以設置反射器來提升數據的相干性[6]。

4 結語

總而言之，將無人機機載SAR 應用到地理國情監測中，選擇實際飛行作業區域，布設定標點，在觀測區域內進行飛行作業，得到高分辨率的SAR 圖像，再配合定標測量的方式，針對成像結果的分辨率進行計算，可以獲取無人機機載SAR 在距離和方位分辨率方面的結果，為無人機機載SAR 在地理國情監測中的應用精度指標提供相應的精度驗證。無人機機載SAR 技術的發展和進步，可以很好地滿足地理國情監測的現實需求。現階段，國內無人機技術不斷成熟，無人機在續航時間、升限高度、飛行速度、載荷重量等方面得到了顯著提升，相關技術指標的完善使得其在地理國情監測中得到了有效應用，尤其是民用無人機的發展，更是為Mini SAR 系統的應用提供了更加廣闊的發展空間。無人機機載SAR 載荷開始朝著微型化、低功率的方向發展，能夠為地理國情監測工作的順利實施提供新的方案支持。