InSAR技術(shù)制作DEM數(shù)據(jù)的精度檢驗(yàn)

黃 波，趙 淮，郭 莉

（1.自然資源部第一地理信息制圖院，陜西 西安 710054；2.自然資源部國(guó)土衛(wèi)星遙感應(yīng)用中心，北京 100048）

數(shù)字高程模型（DEM）是一定范圍內(nèi)規(guī)則格網(wǎng)點(diǎn)平面坐標(biāo)和高程值的數(shù)據(jù)集，主要描述區(qū)域地貌形態(tài)的空間分布，是對(duì)地貌形態(tài)的虛擬表示[1]。現(xiàn)有的DEM數(shù)據(jù)源采集方法主要包括野外實(shí)測(cè)、地形圖數(shù)字化和攝影測(cè)量，但上述方法均只能提供地面離散點(diǎn)的高程信息，且大面積獲取DEM的時(shí)間相對(duì)較長(zhǎng)[2]。InSAR技術(shù)利用兩個(gè)不同天線位置對(duì)同一區(qū)域進(jìn)行觀測(cè)，得到雷達(dá)數(shù)據(jù)[3]，根據(jù)數(shù)據(jù)中記錄的相位和強(qiáng)度，結(jié)合雷達(dá)傳感器自身的參數(shù)、平臺(tái)姿態(tài)和軌道等信息，利用幾何關(guān)系解算得到地物點(diǎn)的位置變化量或三維位置信息。因此，利用InSAR技術(shù)采集DEM數(shù)據(jù)比傳統(tǒng)測(cè)量方式更具優(yōu)勢(shì)[4]。

本文基于德國(guó)TanDEM-X衛(wèi)星獲取的原始SAR數(shù)據(jù)，通過數(shù)據(jù)聚焦、基線估算、生成干涉圖、干涉圖去平、自適應(yīng)濾波與相干性計(jì)算、相位解纏、軌道精煉與重去平、相位轉(zhuǎn)高程和地理編碼等處理[2]，生成初始DSM產(chǎn)品；再經(jīng)過人工編輯，得到DEM成果數(shù)據(jù)；然后收集該區(qū)域高精度控制點(diǎn)數(shù)據(jù)、1∶10 000 DEM成果數(shù)據(jù)和2020年制作的實(shí)景三維中國(guó)建設(shè)項(xiàng)目DEM成果數(shù)據(jù)進(jìn)行精度檢測(cè)、地貌細(xì)節(jié)表達(dá)程度的比較分析等，客觀評(píng)價(jià)InSAR技術(shù)制作DEM數(shù)據(jù)的高程精度。

1 研究區(qū)概況

本文選取的研究區(qū)為西安市及其周邊地區(qū)，面積約為0.8萬(wàn)km2，測(cè)區(qū)內(nèi)平地、丘陵、山地、高山地地貌特征明顯，地物要素豐富，涉及城市人工建筑物密集、自然植被多樣、水域豐富、交通復(fù)雜，城市與農(nóng)村并存。

2 數(shù)據(jù)來源

1）原始SAR數(shù)據(jù)。本文采用德國(guó)TanDEM-X衛(wèi)星獲取的原始SAR數(shù)據(jù)，利用中國(guó)測(cè)繪科學(xué)研究院研發(fā)的ISTM軟件進(jìn)行相位解纏、差分運(yùn)算、濾波等處理，生成初始DSM產(chǎn)品；再參考在線光學(xué)DOM數(shù)據(jù)，經(jīng)人工編輯去噪、水域置平等處理，生成DSM產(chǎn)品；最后對(duì)建筑物、植被、橋梁等進(jìn)行濾波，生成DEM成果數(shù)據(jù)，格網(wǎng)間距為10 m。

2）控制點(diǎn)數(shù)據(jù)。本文收集該區(qū)域1∶2 000像控點(diǎn)、1∶10 000控制點(diǎn)、等級(jí)控制點(diǎn)等，共240個(gè)，具體分布如圖1所示。

圖1 高精度控制點(diǎn)分布示意圖

3）1∶10 000 DEM成果數(shù)據(jù)。1∶10 000 DEM成果數(shù)據(jù)采用傳統(tǒng)生產(chǎn)方式，格網(wǎng)間距為5 m，主要是在“十二五”期間生產(chǎn)完成的。在1∶10 000 DLG數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，選取其中的等高線、高程點(diǎn)、水系等要素以及已有的地形特征數(shù)據(jù)；同時(shí)利用各種地形特征信息提取算法，基于等高線數(shù)據(jù)采集地形特征點(diǎn)、特征線，進(jìn)一步豐富地形特征信息，并按照統(tǒng)一設(shè)計(jì)的格網(wǎng)大小，采用合適的數(shù)學(xué)內(nèi)插法生成1∶10 000 DEM成果數(shù)據(jù)。

4）實(shí)景三維DEM成果數(shù)據(jù)。2020年實(shí)景三維中國(guó)建設(shè)項(xiàng)目DEM數(shù)據(jù)主要由兩種方式生產(chǎn)：①一類區(qū)，基于已有1∶10 000或更高精度DEM數(shù)據(jù)，重采樣生成10 m格網(wǎng)間距1∶50 000 DEM，利用資源三號(hào)衛(wèi)星等立體影像和區(qū)域網(wǎng)平差優(yōu)化后的RPC參數(shù)恢復(fù)立體模型，對(duì)地貌變化區(qū)域（變化超過1倍等高距且面積超過1 km2的區(qū)域）進(jìn)行更新，與周邊DEM數(shù)據(jù)進(jìn)行協(xié)調(diào)處理，得到DEM成果數(shù)據(jù)，對(duì)DEM數(shù)據(jù)現(xiàn)勢(shì)性優(yōu)于2019年的區(qū)域，直接進(jìn)行10 m重采樣生產(chǎn)制作，得到實(shí)景三維DEM成果數(shù)據(jù)；②二類區(qū)，基于資源三號(hào)衛(wèi)星等立體影像和區(qū)域網(wǎng)平差優(yōu)化后的RPC參數(shù)構(gòu)建立體模型，通過多模型、多基線算法自動(dòng)匹配獲取匹配點(diǎn)云數(shù)據(jù)，得到以景為單位的單景匹配點(diǎn)云數(shù)據(jù)，經(jīng)接邊、鑲嵌、裁切等處理后，得到1∶50 000標(biāo)準(zhǔn)分幅的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，基于點(diǎn)云數(shù)據(jù)、區(qū)域網(wǎng)平差成果以及其他相關(guān)資料，對(duì)建筑、橋梁、林地等非地面區(qū)域進(jìn)行DEM濾波，并將地表高程降至地面高程，形成大地高DEM數(shù)據(jù)，再經(jīng)正常高轉(zhuǎn)換、接邊處理、元數(shù)據(jù)制作和檢查驗(yàn)收等步驟，最后生成1∶50 000 DEM成果數(shù)據(jù)。研究區(qū)內(nèi)收集的數(shù)據(jù)主要是通過一類區(qū)生產(chǎn)方式獲得的，格網(wǎng)間距為10 m。

3 精度驗(yàn)證

本文利用收集的240個(gè)控制點(diǎn)分別計(jì)算1∶10 000 DEM、實(shí)景三維DEM、InSAR技術(shù)制作的DEM數(shù)據(jù)的中誤差，結(jié)果如表1所示，可以看出，實(shí)景三維DEM是基于1∶10 000 DEM數(shù)據(jù)重采樣后更新生產(chǎn)所得，因此二者精度相差較小；InSAR技術(shù)制作的DEM數(shù)據(jù)精度可達(dá)3.43 m，根據(jù)CH/T 9009.2-2010《基礎(chǔ)地理信息數(shù)字成果1∶5 000、1∶10 000、1∶25 000、1∶50 000、1∶100 000數(shù)字高程模型》中的DEM精度指標(biāo)（表2），初步認(rèn)為滿足1∶25 000比例尺的精度要求，甚至接近1∶10 000比例尺的精度要求。

表1 控制點(diǎn)高程中誤差統(tǒng)計(jì)表/m

表2 DEM精度指標(biāo)/m

4 地貌精細(xì)度對(duì)比

本文選取典型的平地、丘陵、山地（高山地）地貌案例，結(jié)合光學(xué)DOM，對(duì)比分析了1∶10 000 DEM、實(shí)景三維DEM、InSAR技術(shù)制作DEM數(shù)據(jù)的地貌表達(dá)精細(xì)度，結(jié)果如表3所示，可以看出，1∶10 000 DEM數(shù)據(jù)的地貌細(xì)節(jié)最突出，暈渲效果是最美觀的；InSAR技術(shù)制作的DEM數(shù)據(jù)地貌細(xì)節(jié)豐富，雖然噪聲相對(duì)較多，但反而更符合實(shí)際地形地貌特征；由于實(shí)景三維DEM數(shù)據(jù)是基于1∶10 000 DEM數(shù)據(jù)重采樣后進(jìn)行的局部更新，因此其地貌細(xì)節(jié)和暈渲效果均較接近1∶10 000 DEM數(shù)據(jù)。

表3 3種DEM成果地貌精細(xì)度對(duì)比

5 結(jié)語(yǔ)

本文利用高等級(jí)控制點(diǎn)分別對(duì)1∶10 000 DEM、實(shí)景三維DEM、InSAR技術(shù)制作的DEM數(shù)據(jù)進(jìn)行高程精度檢測(cè)，計(jì)算統(tǒng)計(jì)后發(fā)現(xiàn)，InSAR技術(shù)制作的DEM數(shù)據(jù)高程精度中誤差達(dá)到了3.43 m。由于SAR數(shù)據(jù)無(wú)法恢復(fù)立體模型，無(wú)法精確查看房屋建筑、橋梁、植被等非地面物體的高度，降高依賴于在線數(shù)據(jù)和作業(yè)人員的主觀經(jīng)驗(yàn)值，因此DEM數(shù)據(jù)的編輯誤差較大。鑒于此，本次檢驗(yàn)初步認(rèn)為InSAR技術(shù)制作的DEM數(shù)據(jù)能完全滿足1∶25 000 DEM精度要求。本文還對(duì)3種DEM數(shù)據(jù)的地貌表達(dá)精細(xì)度和暈渲效果進(jìn)行了對(duì)比分析，結(jié)果表明InSAR技術(shù)制作的DEM數(shù)據(jù)能較好地反映地貌細(xì)節(jié)，暈渲效果也符合實(shí)際地形特征。

SAR數(shù)據(jù)不受復(fù)雜氣候條件的影響，可快速、高精度、大區(qū)域地進(jìn)行對(duì)地觀測(cè)，現(xiàn)已被廣泛應(yīng)用于地表變形監(jiān)測(cè)、災(zāi)害監(jiān)測(cè)、區(qū)域DEM提取和濕地水位監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域[5]。資源三號(hào)衛(wèi)星影像受天氣影響，需要人工消除或減輕云、云影、沙漠、冰雪、森林、陰影等影像弱紋理區(qū)域?qū)Φ乇砀叱痰挠绊慬6]。兩種數(shù)據(jù)源相互補(bǔ)充，當(dāng)獲取大區(qū)域甚至境外DEM數(shù)據(jù)時(shí)，數(shù)據(jù)完整性和數(shù)據(jù)質(zhì)量均能得到保障。本文對(duì)通過InSAR技術(shù)制作的DEM數(shù)據(jù)進(jìn)行了客觀的分析與評(píng)價(jià)，初步明確其高程精度能達(dá)到1∶25 000 DEM的精度要求，結(jié)論比較合理、科學(xué)；今后仍需通過對(duì)不同地形實(shí)驗(yàn)區(qū)和大量控制點(diǎn)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)[7]，為開展大規(guī)模SAR數(shù)據(jù)利用InSAR技術(shù)制作DEM數(shù)據(jù)，做好扎實(shí)的理論驗(yàn)證。