基于机载INSAR技术生产DLG产品的工艺和方法

苗小利

(西安煤航技术开发应用分公司, 陕西 西安 710054)

0 前 言

由于雷达干涉测量(INSAR)具有全天时全天候工作的优点，可以直接获取地形的高程信息，因此其应用领域得到了不断推广.许多欧美国家已将实用化的机载高分辨率INSAR 技术作为一种新的、先进的技术手段逐渐应用于地形测绘方面.近几年,我国也开展了基于INSAR技术地形测绘的研究与试验，初步形成了基于单片正射INSAR影像、数字高程模型生产DLG数据的工艺流程和作业方法，推动了机载INSAR技术在地形测绘方面的应用.

1 机载INSAR技术生产DLG产品的工艺流程

雷达干涉测量(INSAR)是基于时间测距的成像机理，利用雷达回波信号所携带的相位信息获取地表的高程信息，其原理是通过两副天线同时观测，获得同一区域的重复观测数据(复数影像对)，提取同一目标对应的两个回波信号之间的相位差，结合观测平台的轨道参数等提取高程信息[1]，生成DEM数据.INSAR影像则是由SLC数据的实部和虚部计算出振幅值，然后进行灰度化变换，生成原始影像，再经过变换以及去噪声、地理编码后生成DOM数据,而DLG数据的高程、平面坐标则分别源于机载INSAR技术生成DEM、DOM数据，因此基于INSAR技术生产DLG产品的工艺流程有别于其他技术手段，具体如图1所示.

图1 机载InSAR系统生产DLG流程

2 机载INSAR技术生产DLG的作业方法

2.1 平面定位方法

由于单片INSAR影像特殊的侧视成像机理，对于高出地表的垂直地物，则产生顶底位移现象[3]，即雷达波束到顶部A的时间比到底部B的时间短，顶部影像a先被记录，底部影像b后被记录，如图2所示，因此顶部影像a和底部影像b的位置在单片INSAR影像中不是处于同一位置(正射投影A、B两点应为同一点)，在影像中产生了Δr(其中Δr=Δh/tanη，ΔR=Δh/cosη)的定位误差.

图2 地物高度引起的投影差

其次在单片INSAR影像中，垂直地物的顶部的影像往往没有遮挡，多呈现为突出的高亮点，而底部的影像或因遮挡或为阴影而不易定位，因此基于单片INSAR影像垂直地物的定位，如果在地物影像的顶部位置，须经过误差改正，才能达到底部定位的目的.

所以，虽然INSAR是以影像形式显示地物目标特征，但是它不同于光学传感器的成像方式和成像机理[1]，因此基于机载INSAR影像平面定位时应特别关注其误差的分布规律，才能达到准确定位.

2.2 地貌数据采集方法

DLG数据包括地貌数据的采集、自然地物和人工地物的采集.利用机载INSAR技术可以直接获取地表的DEM数据，从DEM数据我们可以生成等高线和高程注记点数据，从而形成了地貌数据.具体方法如下：首先是利用自主开发的程序DEM数据处理软件，将原始的DEM RAW格式数据转换成ASC码格式或矢量图形数据，然后采用成熟的商业软件(如ARCGIS)生成等高线，利用自主开发的软件通过内插从DEM数据中读取高程注记点，如图3所示.概括起来可以形成如图4所示的作业流程.

图3 DEM数据生成的等高线和内插的高程点及其注记 图4 等高线和高程注记提取流程图

2.3 地物要素的判采方法

地物版数据采集，包括两方面的内容，一是INSAR影像的地物目标的识别(定性),二是INSAR影像的地物目标的定位.对于地物目标的定位应从SAR的成像原理入手分析，由于SAR影像为侧视投影，因此它不同于光学影像的中心投影，更不同于地形图的正射投影，即是将INSAR斜距影像校正成地距的正射影像，但因地物、地形高度引起的顶底倒置、阴影、叠掩等无法消除，这是影响INSAR影像定位精度的主要原因,因此在DLG数据采集过程中点线面三类要素的定位精度就成为关注的重点.

对于地物目标的识别与判读， INSAR图像与光学图像类似，可以将地物目标分为点状地物、线状地物和面状地物，这些不同类型的地物目标在图像上具有不同的表征形式,判读方法也有所不同.

2.3.1 点状地物目标

INSAR图像上的点状地物目标是指以亮点形式呈现在图像上的目标.通常这些目标的几何尺寸小于一个分辨单元的地面尺寸，但它的回波信号相当强，在整个地块的回波中占据了主导地位，这时像素的信号几乎就只反映它的存在[2].如地面控制点(角反射器)、高压输电线塔、油井、油罐、液体、气体贮存设备、卫星地面接收站、信号灯等，都呈现为点状地物目标.

点状地物目标都处在一定背景中，能否从背景中识别判读出点目标，不仅与点状地物目标的性质有关，也与背景的特性和图像噪声有关.在点状地物目标识别中，背景的干扰主要表现为相干斑噪声，因此点状地物判采时应注意区别相干斑噪声.

2.3.2 线状地物目标

线状地物目标通常有表示两种情况，一是表示不同类地物要素的界线，如水陆界线，二是当地面地物要素的横向尺寸小于分辨单元尺寸时，表示为线状要素.采集线状要素应注意，人工线状地物要素通常都比较直，很少弯曲，即使有转弯的地方也总是钝角，如铁路、公路、桥梁、机场跑道、梯田坎等；而自然线状地物要素情况比较复杂，如自然河流的弯曲方向变化较多，而地质断裂造成的线性体则多为直线或有一定弧度.在采集中应充分利用这些成像的特征.

2.3.3 面状地物目标

面状地物目标通常是由许多同一类型的散射点组成，其位置是随机的，所接收到的电磁波相位不同，其振幅也是随机的，但没有任何一个散射点的回波散射可以在总回波功率占主导地位[2].表现在图像上，这类地物最强和最弱信号的周期变化，形成一系列亮点和暗点相间的图斑，且色调一致.在地形图中面状地物主要有街区式居民地、露天体育场、双线河流、湖泊、池塘、水库、双线水渠、土质植被等.两种相邻的地物目标后向散射系数之差便可形成边界线.相邻地物目标反差越大，边界线越清楚,判采这类地物时可以利用地物的几何特征、纹理信息等进行.

3 精度检测

基于以上的作业方法，经过了两个试验区的实施，并进行了成果的平面精度检测和高程精度的检测，统计结果如表1～表3所示，从表中数据不难看出其平面精度能够达到1∶10 000、1∶50 000成图精度的要求，而高程精度能够达到1∶50 000的成图要求、1∶10 000丘陵地区的成图精度要求.

表1 平面精度统计表

表2 高程精度统计表

表3 规范限差要求

4 结束语

综上所述，将机载INSAR技术用于生产DLG产品，通过两个试验区的试验和生产，采用上述工艺和作业方法可以满足1∶5万的精度要求，同时也能达到1∶1万丘陵地区的高程、平面精度的要求.如果要达到1∶1万平地的高程精度，还需要提高机载INSAR技术获取DEM数据的精度，或采取野外实测的方法进行.

参考文献

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