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(shù)字高程模型(DEM)數(shù)據(jù)在軍事偵察、國民經(jīng)濟建設和科學研究中發(fā)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(fā)展的主要目的是進行地形測繪和獲取高精度的DEM數(shù)據(jù)[4-8]。如今，為獲取全球DEM數(shù)據(jù)及其他增值產品，具有大幅寬成像能力的星載SAR系統(tǒng)已成為全球測繪任務下InSAR的首選系統(tǒng)類型[6]。

當下，面對海量的全球干涉測量實測數(shù)據(jù)，如何在保證精度的情況下，兼顧處理算法的穩(wěn)健性與處理效率是星載InSAR數(shù)據(jù)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(huán)境區(qū)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(shù)據(jù)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(wèi)星或航天器獲取同一地區(qū)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(shù)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(wèi)星地球表面的高度。在數(shù)據(jù)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(wèi)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(wèi)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(shù)據(jù)為雙天線類型的數(shù)據(jù)；當Q=2時，表示干涉數(shù)據(jù)為重復軌道類型的數(shù)據(jù)。

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(shù)據(jù)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(shù)據(jù)，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(shù)，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(qū)及數(shù)據(jù)源

2.1 研究區(qū)域

為了客觀評價不同SAR數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)，通過相同的試驗區(qū)域分別進行干涉處理(如圖2所示)，以便于橫向對比不同數(shù)據(jù)源生成的DEM，以驗證不同SAR衛(wèi)星數(shù)據(jù)的可靠性。試驗選定研究區(qū)域位于青海省北部的茫崖鎮(zhèn)，地處柴達木盆地的西北邊緣。區(qū)域內以山區(qū)為主，高差約600 m。

圖2 研究區(qū)域數(shù)據(jù)覆蓋

在試驗區(qū)數(shù)據(jù)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(shù)方面明顯優(yōu)于COSMO-SkyMed與ALOS-2。由干涉參數(shù)不難推測，在DEM數(shù)據(jù)的地形紋理重建方面，GF-3相比較于其他兩種數(shù)據(jù)具有一定的優(yōu)勢。在時間基線方面，COSMO-SkyMed干涉配對一天的采樣頻率優(yōu)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(shù)據(jù)采集時間相隔接近一年。

表1 試驗區(qū)影像對時空基線

2.2 干涉生成DEM結果

根據(jù)每個像素點的相干系數(shù)、非纏繞相位差值和軌道參數(shù)，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(shù)據(jù)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(shù)據(jù)的分辨率較高(達到2 m)，因此在局部的細節(jié)度方面更為細致，預期可達到更高的精度。而在現(xiàn)有的3種數(shù)據(jù)中，ALOS-2的數(shù)據(jù)分辨率相對較低(約為10 m)，在細節(jié)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(shù)據(jù)產品。

圖3 研究區(qū)干涉生產DEM

3 精度比較分析

為驗證高分辨率SAR衛(wèi)星在復雜地區(qū)提取DEM的精度，試驗選用了覆蓋該區(qū)域的12 m分辨率World DEM數(shù)據(jù)以及30 m分辨率SRTM DEM作為參考數(shù)據(jù)。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(qū)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(qū)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(qū)域有符合地形特征的偏差出現(xiàn)，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(tǒng)計了SRTM DEM試驗區(qū)域覆蓋范圍內的誤差分布，其統(tǒng)計數(shù)據(jù)見表2，其直方圖分布如圖5所示。

圖5 研究區(qū)干涉獲取DEM誤差直方圖分析

表2 誤差統(tǒng)計 m

基于誤差統(tǒng)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(qū)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(qū)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(qū)域進行后續(xù)的精度分析，最終得到12 m分辨率的高程差值圖。研究區(qū)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(qū)域有符合地形特征的偏差出現(xiàn)，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(qū)干涉獲取DEM與World DEM高程差

試驗統(tǒng)計了World DEM試驗區(qū)域覆蓋范圍內的誤差分布，其統(tǒng)計數(shù)據(jù)見表3，其直方圖分布如圖7所示。

圖7 研究區(qū)干涉獲取DEM誤差直方圖分析

表3 研究區(qū)誤差統(tǒng)計 m

基于誤差統(tǒng)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(qū)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(qū)的精度高于10 m。

4 結 論

本文在分析國內外多種SAR影像數(shù)據(jù)的基礎上，選擇了地貌條件較為復雜的青海試驗區(qū)，開展了DEM提取的綜合試驗。為驗證星載SAR數(shù)據(jù)的可行性及可靠性，依據(jù)SRTM和World DEM外部DEM數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)，在試驗區(qū)生產高質量的DEM數(shù)據(jù)產品。經(jīng)比較，COSMO-SkyMed干涉獲取的DEM的精度與細節(jié)質量均較高，GF-3數(shù)據(jù)和ALOS-2數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)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(shù)據(jù)(波長23.5 cm)更有優(yōu)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(shù)據(jù)而言，C波段GF-3數(shù)據(jù)(波長5.6 cm)在相隔一個月的時間基線條件下表現(xiàn)更為穩(wěn)定。試驗采用的COSMO-SkyMed數(shù)據(jù)(波長3.1 cm)為編程獲取，時間間隔最短，故未表現(xiàn)出相位失相關的現(xiàn)象，從而也體現(xiàn)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(jié)。GF-3數(shù)據(jù)在試驗區(qū)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(yōu)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(qū)域，精準重建了地形紋理細節(jié)，集中體現(xiàn)了長空間基線對干涉獲取DEM的積極作用。

(4)國產GF-3數(shù)據(jù)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(wèi)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(wèi)星的常規(guī)運行模式尚不足以對境內外DEM測圖提供穩(wěn)定的支持和保障。然而，GF-3衛(wèi)星的成像系統(tǒng)已達到國際先進水平，具備領先的成像分辨率優(yōu)勢。通過本次試驗論證，在基線條件合適的情況下，GF-3衛(wèi)星具備獲得高精度的DEM數(shù)據(jù)產品的潛力。