融合測繪類核心課程的雷達干涉測量教學研究★

王 帥，王 彬

(南京工業大學測繪科學與技術學院,江蘇 南京 211816)

0 引言

自20世紀50年代起,合成孔徑雷達干涉測量(Interferometric Synthetic Aperture Radar,InSAR)的理論與技術持續迅速發展,如今已成為不可或缺的對地觀測手段[1-2]。作為一種主動遙感觀測方式,InSAR具備全天候、全天時、高分辨率、大范圍和可回溯性等優勢,已在地質調查、地理國情監測、地形測繪、地震地質災害監測以及國防建設等領域得到了廣泛應用[3-6]。特別是隨著SAR衛星數量的增加和數據開源政策的完善,InSAR地表形變監測已從機遇性的觀測逐漸演變為常規例行監測,極大地擴展了InSAR的應用領域,同時掀起了InSAR研究的熱潮。

隨著合成孔徑雷達干涉測量應用范圍的不斷擴大,為滿足實際需求,培養專業人才,國內高校如武漢大學、中山大學、中國礦業大學和南京工業大學等相繼開設了與“合成孔徑雷達干涉測量”有關的課程[7-12]。如今,InSAR已經飛入尋常百姓家,深受高校學生的追捧。然而,“合成孔徑雷達干涉測量”作為一門學科交叉度高和實踐性強的課程,其學習門檻較高,學生常常面臨學習興趣不高、關鍵知識掌握不牢、數據處理實踐能力不足等問題。為提升教學效果,實現人才培養目標,本文探討了將合成孔徑雷達干涉測量課程與測繪類核心專業課程主干知識相融合的教學模式。接下來首先介紹“合成孔徑雷達干涉測量”課程特點和教學設計,接著以本課程圖像配準為例,著重介紹融合測繪類核心課程的合成孔徑雷達干涉測量教學方法,并總結在教學實踐中遇到的問題和思考,最后給出結束語。

1 合成孔徑雷達干涉測量課程特點

南京工業大學的“合成孔徑雷達干涉測量”課程位于測繪科學與技術學院測繪工程專業的專業選修課程群中,開設在大學四年級的第一學期。該課程的核心目標在于闡述合成孔徑雷達干涉測量的基本原理,并側重介紹利用合成孔徑雷達觀測數據提取地殼變形的方法。通過這門課程,學生將理解合成孔徑雷達的重要概念,并培養處理雷達遙感數據的能力,從而掌握這一測繪新技術,拓寬自己的知識領域。此外,課程還旨在喚起學生對科學鉆研的熱情,培養創新思維和實際操作能力,使他們能夠在未來的職業崗位上從事雷達干涉測量數據處理與分析工作,以及為未來的職業發展和相關研究打下堅實的基礎。

“合成孔徑雷達干涉測量”課程具備兩個主要特點:強烈的交叉性和實踐性。交叉性主要體現在多個學科和領域之間的交叉融合,具體表現為:

1)雷達技術與地球科學:合成孔徑雷達涉及雷達信號處理、圖像生成等技術,同時在地球科學中應用于測量地球表面的變形等。因此,在進行信號處理和變形結果分析與解釋時,學生需要深入理解這兩個領域的知識。

2)測繪類核心課程知識體系:InSAR作為一種主動遙感測量方式,需要學生具備一定的遙感基礎知識;同時,其用于測量地表變形,涉及大地測量學原理等知識;處理InSAR觀測中的誤差要求學生掌握誤差理論與測量平差方面的相關知識。此外,學生還需要了解地圖投影和坐標系統等知識。

3)計算機科學與人工智能:當前已經進入InSAR大數據時代,計算機科學和人工智能技術在加速處理InSAR大數據方面發揮著重要作用,學生需要具備扎實的計算機編程能力。

4)物理學與大氣科學:大氣的折射和吸收會影響InSAR的觀測結果,因此理解物理學和大氣科學的基本原理對改正InSAR觀測中的大氣相位等誤差至關重要。

由于“合成孔徑雷達干涉測量”課程涵蓋了深入、復雜的雷達技術和測量原理,因此本課程還強調實踐的重要性,要求學生通過實際操作運用課程中抽象的概念和高級技術。從最初的原始數據獲取,到數據的處理,再到最終的結果解釋和實際應用,學生需要在每個環節展現出高度的實際操作能力。只有通過相關實踐的錘煉,學生才能夠更好地將合成孔徑雷達干涉測量理論知識轉化為切實可行的解決方案,從而為未來的職業發展奠定堅實的基礎。

2 本課程主要教學內容設計

南京工業大學的測繪工程專業開設了名為“合成孔徑雷達干涉測量”的課程,從深入基礎、強調應用和培養創新的角度出發,本課程采用了以課堂教學、實踐教學和課外分組討論并重的多元教學模式,課程教學安排涵蓋32學時,其中課堂教學占24學時,實踐教學占8學時。

在課堂教學部分,課程內容設計從InSAR發展歷程的脈絡、SAR基礎知識,到InSAR基本原理、數據處理的基本步驟,以及時序InSAR分析技術和實際應用案例等方面展開,具體教學內容詳見表1。這一部分旨在為學生構建對于InSAR的整體認知,從而為后續實踐教學和課外分組討論提供堅實基礎。實踐教學環節則涵蓋影像配準、相位解纏、相位濾波和實際案例應用等四個關鍵內容。通過這些實踐項目,學生能夠將所學知識融會貫通,深入理解實際應用,掌握完整的InSAR數據處理流程,實踐教學內容詳見表2。另外,課外分組討論部分則聚焦于InSAR數據處理的關鍵步驟,例如影像配準、相位解纏、干涉圖濾波等。學生將在課堂講解、課外引導以及相關文獻和程序閱讀的支持下,通過編程的方式實現、復現相關計算程序,深入理解和掌握這些關鍵技術。這樣的分組討論有助于鼓勵學生積極參與,培養他們的自主學習和合作精神。

表1 “合成孔徑雷達干涉測量”課程課堂教學內容設計

表2 “合成孔徑雷達干涉測量”課程實踐教學內容設計

通過綜合運用課堂教學、實踐教學和課外分組討論等多元教學手段,“合成孔徑雷達干涉測量”課程不僅在理論層面進行了系統講解,更通過實際操作和編程練習,讓學生能夠真正掌握InSAR技術。

3 融合測繪類核心課程的合成孔徑雷達干涉測量教學模式

合成孔徑雷達干涉測量融合了合成孔徑、雷達和干涉測量三項技術,是一項高度復雜的數據處理技術,涵蓋多學科領域的知識,包括雷達技術、信號處理、數學、物理和地球科學等,這種多學科性質通常會讓許多初學者望而卻步。InSAR通常需要處理大規模的雷達圖像數據,該過程涉及多個復雜的數據處理步驟,包括數據預處理、圖像配準、相位解纏和形變分析等。此外,InSAR數據易受到大氣相位等多種誤差源的影響,學習者需具備分析這些誤差并開發相應校正方法的能力,否則可能會導致學生對課程內容感到困惑。學習InSAR也需要耗費大量的時間和精力,這可能會降低學生的學習興趣。總體來講,InSAR學習具有較高的門檻要求,這可能會導致學生對課程的興趣不高、學習效果參差不齊,以及自主學習效率不高等問題。

學生普遍認為“合成孔徑雷達干涉測量”難以掌握的主要原因在于該課程教學與已學測繪類專業核心課程知識存在脫節。然而,通過對本課程的教學內容進行認真研究,不難發現InSAR數據處理的關鍵步驟與已學測繪類核心課程知識存在緊密聯系。舉例來說,SAR圖像配準涉及多個測繪類核心課程的知識點,如“遙感原理與應用”中的同名點選取[13],“誤差理論與測量平差基礎”中的間接平差模型的建立、最小二乘求解和粗差剔除等[14]。InSAR中的干涉距離測量與“數字地形測量學”中的相位式測距儀原理相似[15]。干涉圖濾波去噪與“誤差理論與測量平差基礎”中的誤差特性,以及“工程測量”中的多次測量求最優觀測值[16]的思想密切相關。InSAR中的相位解纏與“衛星導航定位原理”中的整周模糊度固定思想相似[17]。SAR干涉圖中的大氣相位與“衛星導航定位原理”中的GNSS對流層延遲概念類似。另外,SAR影像的地理編碼與“大地測量學基礎”中的坐標變換思想一脈相承[18]。綜上所述,通過將合成孔徑雷達干涉測量的內容與已學測繪類核心課程緊密結合,學生能夠更加流暢地掌握相關知識,提高學習效率,克服學習中的難點和挑戰,從而邁過“合成孔徑雷達干涉測量”課程的高門檻。

為更好地幫助學生吸收新知識、理解和掌握InSAR關鍵數據處理步驟,本課程引導學生對已學的專業核心知識進行回顧,通過運用已學的測繪類核心課程知識處理InSAR數據。如此以來,學生可以實現對測繪類課程知識的實際應用,同時通過實際操作實踐鞏固已學知識。下面以融合遙感影像同名點選取、大地測量坐標轉換和測量平差最小二乘求解的SAR影像配準為例,詳細描述融合測繪類核心課程的合成孔徑雷達干涉測量多元案例式教學方法。

SAR系統采用單天線重復軌道工作模式,即衛星一次通過目標區域時只能獲取一幅觀測影像。為了獲取目標區域的多幅觀測影像,衛星需要以一定的時間間隔重復通過該地區。然而兩次經過同一地區時,衛星所處的軌道位置并不會完全相同,會有一定的軌道偏移,導致獲取的影像在空間上并不完全重合。因此,為了后續數據處理需要,需要對獲取的影像在空間上進行配準。SAR影像配準是確保兩幅或多幅SAR影像在空間上對齊的過程,是干涉測量處理的首要步驟,其核心思想是計算構成一個干涉對的兩幅SAR影像同名點的坐標轉換關系,將待配準影像按照坐標轉換關系轉換到與參考影像相同的像素格網下,使兩幅影像的同名點對應于同一地面分辨單元[19]。一般來說,SAR影像的配準精度至少要達到1/8像元,否則兩幅影像將完全失相干,從而干涉時不能生成干涉條紋,也就無法進行干涉測量。為滿足這一要求,SAR圖像配準一般包括三個步驟:控制點選取;粗配準;精配準。

1)控制點選取。無論是粗配準還是精配準,控制點選取都是至關重要的一步,這一過程類似于“遙感原理與應用”中的同名點選取。在粗配準階段,需要從兩幅SAR影像中識別出一小部分同名點。根據這些同名點計算出對應于同一地面分辨單元的像素間的坐標偏移量,據此對待配準影像進行空間上的平移,以實現參考影像與待配準影像的同名點大致對應于地面上的同一分辨單元。

控制點選取是SAR影像配準過程中的關鍵環節,合理的方法和精準的選點有助于確保影像之間的精確對齊,從而為后續的數據處理和分析提供可靠的基礎。通過引入前期學習的“遙感原理與應用”課程中的同名點的概念、選取方法和策略有助于學生理解InSAR中的控制點選取方法。一般而言,InSAR中會選取參考影像中振幅較大的點作為控制點,然后根據衛星軌道參數和InSAR幾何關系,計算出控制點在待配準影像中的對應同名點。

2)粗配準。在參考影像和待配準影像中確定控制點后,即可根據式(1)計算出待配準影像相對參考影像在行、列方向上的坐標偏移量,這相當于“數字測圖原理與應用”課程中計算待測點和已知點間的坐標增量,即:

(1)

如果控制點個數大于1,那么行、列方向的偏移量Δrow和Δcol為各個控制點偏移量的均值取整。

根據待配準影像相對于參考影像在行、列方向的坐標偏移量,對待配準影像進行行、列方向的平移操作,其數學實現方式是對該影像中的每個像素的行坐標和列坐標減去相應的坐標增量(見式(2))。這個過程可以實現兩幅影像在空間上的粗對齊。

(2)

3)精配準。除了影像的平移外,“遙感原理與應用”課程還講過影像的旋轉和畸變差異。因此,雖然以幾何平移方法所實現的影像粗配準能夠在一定程度上糾正由于軌道偏移等因素引起的影像錯位,但粗配準尚不能解決影像間所存在的旋轉、畸變差異等問題。因此,為了滿足雷達干涉測量對1/8像元配準精度的要求,還需在粗配準的基礎上對影像進行精配準。精配準是在粗配準的基礎上,在參考影像里自動均勻布設控制點,再按某種相似性法則(如相干系數法、最大頻譜法)等從待配準影像里搜索出與它們對應的同名點的精確位置,進而建立參考影像與待配準影像間的坐標轉換關系,最后對待配準影像進行坐標變換和像元值插值重采樣,從而實現精配準。

假設用相干系數法搜索出了K個坐標對,并計算出K個坐標對之間的行列坐標偏移量。在建立坐標轉換關系之前,需要先對計算出的坐標偏移量進行統計分析,并剔除行列坐標偏移量中的奇異值及其對應的坐標對。這個過程類似于“誤差理論與測量平差基礎”課程中的粗差探測。

在剔除粗差獲得一系列可靠的坐標對及其相應的坐標增量后,采用多項式建立參考影像與待配準影像之間的坐標轉換關系。這里坐標偏移量是觀測值,多項式系數是待求參數,自變量是像元的行列坐標,根據“誤差理論與測量平差基礎”所學知識可以列出觀測量與待求量之間的間接平差模型,如式(3)所示:

(3)

其中,ai,bi均為多項式待求系數;rowm,colm分別為像元在影像中的行、列坐標。

基于經粗差剔除后的坐標對間的坐標偏移量,利用“誤差理論與測量平差基礎”中的最小二乘法求解方法即可計算出多項式擬合系數。在此基礎上,根據參考影像中像元的行列坐標即可計算出每一像元所對應的坐標增量,即可完成兩幅SAR影像的精配準。

綜上可見,SAR影像的配準過程用到了“遙感原理與應用”課程中的同名點選取、“數字測圖原理與應用”課程的中坐標增量計算、“誤差理論與測量平差基礎”課程中的間接平差模型的建立、最小二乘求解和粗差剔除等測繪類核心課程知識點。通過這種融合測繪類核心課程知識點的教學方法,學生能夠將已學知識應用于實際問題的解決,從而深刻理解InSAR數據處理步驟。同時,這種教學方法也能夠激發學生的創新思維,培養他們將多領域知識融合應用的能力,為將來在復雜領域中的實際應用做好準備。

4 教學實踐中遇到的問題和思考

合成孔徑雷達干涉測量是測繪遙感領域中的一個新興研究方向,盡管各高校已陸續開設“合成孔徑雷達干涉測量”課程,但迄今為止仍缺乏一本完全適用于測繪工程專業的教材。因此,為了確保“合成孔徑雷達干涉測量”課程的教學內容與專業核心課程之間保持一定的系統性和連貫性,更好地引導學生學習,編寫一本融合測繪核心課程特點的“合成孔徑雷達干涉測量”教材顯得至關重要。此外,為更好地支持學生的學習和實踐,編寫對應的實習手冊并提供相關的數據處理程序也是當前的緊迫任務之一。這樣的教材和實習手冊將有助于學生串聯起所學知識,從而形成一個有機的知識體系。

在當今學校教學設備不斷現代化的環境下,多媒體教學已成為主流的教學方式。然而,這種教學方式可能會導致課堂上師生互動不足,影響課堂教學效果。因此,在課堂教學和課下引入分組討論模式顯得十分重要,通過教師的引導以及同學之間的深入討論,激發學生自主學習的能力,同時培養他們的表達和溝通技巧。這種教學方式有助于打破傳統的教學模式,促進師生之間和學生之間更緊密的互動,提升整體教學質量。

“合成孔徑雷達干涉測量”課程具有強烈的實踐性,因此,課程需要設計理論教學之后的實驗環節,旨在將理論與實踐有機地結合起來。通過這種實踐性教學,有助于培養學生的團隊合作精神、創新思維、自主學習和解決復雜問題的能力,為他們未來在雷達干涉測量領域以及其他相關領域的職業發展奠定堅實的基礎。

5 結語

合成孔徑雷達干涉測量以其全天候、全天時、低成本、廣覆蓋、高精度、可回溯等優勢已在地質調查、地理國情監測、地形測繪以及地震地質災害監測等領域得到廣泛應用,并取得了顯著的成就,這引起了相關行業的廣泛興趣,進而導致了社會對精通合成孔徑雷達干涉測量的高素質人才的需求不斷上升。為滿足這一需求,相關高校陸續開設與“合成孔徑雷達干涉測量”有關的課程。然而,“合成孔徑雷達干涉測量”課程學習門檻相對較高,教學過程中常常面臨學生學習興趣不高、關鍵知識掌握不牢、實踐能力不足等問題。本文探討了融合測繪類核心課程的合成孔徑雷達干涉測量教學模式研究,旨在提升教學效果,實現人才培養目標。