机载SAR影像在1∶50000地形图生产中的应用

2012-11-29罗昌琼桂木政杨本勇

铁道勘察 2012年1期

罗昌琼桂木政杨本勇

(四川省遥感信息测绘院，四川成都 610100)

与光学遥感相比，雷达遥感是主动遥感，具有全天时、全天候的特点。对于西部横断山脉测区的云雾冰雪覆盖区域，光学影像较难获取实地地表覆盖的情况，或已获取的光学影像时效性较差，对此合成孔径雷达(SAR)影像具有较强的优势性和时效性。

西部横断山脉区域地势险峻，多高山峡谷，气候多样，生态环境奇特，海拔4 100m以上为寒带，终年积雪，长冬无夏，为多云、多雾、多雪复杂地形区域，光学影像不能完全满足地形图测图的要求，SAR雷达影像在此区域对光学影像测图是有力的补充，使横断山脉区域测图得以顺利完成。

1 机载SAR雷达影像数据及使用原则

考虑到西部测图工程测图区域的复杂性，为满足测图要求，并提高解译精度，应用了多种雷达影像进行信息互补。从极化方式的角度来说有单极化影像和全极化影像;从轨道情况来说有升轨影像和降轨影像。在此，仅就利用我国自主研发的首套机载多波段多极化干涉SAR数据获取机载SAR影像数据，如何结合光学影像数据进行测图作一个探讨和交流。

1.1 机载SAR雷达影像数据

根据地形条件和用途，在不同区域分别获取了一个侧视方向、两个侧视方向或四个侧视方向的2.5m分辨率X波段干涉数据、P波段极化数据及相应的POS数据。

X波段机载SAR数据的数据体和头文件参数存放在(*.raw)和(*.dat)文件中，主要用于过程DEM数据制作、地物地貌的测绘和SAR影像DOM(标准分幅)的制作。

P波段机载SAR数据的数据体和头文件参数存放在(*.raw)和(*.led)文件中，主要用于地物的测绘和SAR影像标准分幅DOM、地表覆盖数据等的制作。

POS数据是由机载POS系统(加拿大Applanix公司的IMU510系列)测量数据联合地面GPS基准站差分解算的飞机航迹信息。在成像过程中，相关航迹信息被写入到影像参数文件中。

1.2 机载SAR雷达影像的解译原则

雷达影像解译是雷达影像应用的主要难题，根据雷达影像的成像机理，雷达影像解译主要按以下的原则进行:

①雷达的迎坡面容易产生叠掩，叠掩区在图像上表现为强白色区，雷达的背坡面如果坡度较大或被遮挡，容易形成阴影，在影像上表现为没有纹理的暗区域。阴影和叠掩区域无法解译地物，但可用于了解大致的地形。

②雷达影像受相干成像机制的影响而存在斑点状的噪声，严重影响了雷达影像的可解译性。除滤波外，调节影像显示的拉伸范围是一种常用的简单有效的噪声抑制方法，能够提高目视解译的效果。

③金属材质的地物如铁轨、铁塔等在雷达影像上呈现出亮色调。

④含水量较大的地物，如雨后的耕地、沼泽地相对较亮，呈现出中等亮色调。

⑤房屋、水泥电线杆、围墙等垂直于地面的地物与地面构成角反射器，当其朝向雷达时，角反射器效应特别明显，容易形成亮区域。

⑥球状、棱锥状、陡岩等有表面垂直于雷达波束的地物在雷达呈现出亮色调。

⑦光滑的表面，如飞机场光滑的水泥地面、平静的湖面、河流及水泥或沥青道路由于产生镜面反射呈现出暗色调。

⑧粗糙的表面如灌木、林地等呈现出中等色调。

1.3 机载SAR雷达影像使用原则

在SAR影像结合光学影像测图生产中，根据原有光学影像的不同情况，SAR影像发挥着不同的作用，具体如下:

①光学影像能够完成测图的区域，应利用SAR影像辅助地貌修测、地物和地表覆盖数据解译，充分发挥SAR影像的特点。

②光学影像因云、雪、雾导致绝对漏洞的区域必须使用SAR影像进行测图。

③SAR影像在使用过程中，应选择无效信息最少的一个侧视方向数据为主数据源，其他方向作为补充。

2 机载SAR在生产中应用的方法和效果

2.1 地貌要素的修测和测绘

依据测区相关资料，分析了光学影像测图情况，尤其是云雾、冰雪等无法测制区域的测图情况等，在雷达立体观测环境下，叠加光学等高线数据及具有高程信息的要素:①全面套合查看光学影像测图的成果，修正光学影像不能满足测图精度的数据;②补充光学影像无法测绘的区域，其工艺流程如图1所示。

图1 利用雷达影像修测地貌工艺流程

2.2 地物要素的更新和新增

利用机载SAR的四种正射影像图(即X波段干涉数据的两个侧视方向正射影像图和P波段极化数据的两个侧视方向正射影像图)，对地物要素进行判读和采集。室内解译由内、外业人员一起，借助野外实地采集的雷达解译样本，按照雷达影像的解译原则，通过将雷达影像和光学影像进行比对展开室内解译:①在雷达正射影像上判绘光学影像上没有或无法判绘的地物和地表覆盖信息;②处理SAR影像解译后新增或更新要素与原要素之间的相互关系，其工艺流程如图2所示。

图2 利用雷达影像更新地物工艺流程

2.3 实例分析

(1)利用机载SAR立体雷达影像进行地貌修测或测绘

由于SAR雷达影像不受云、雪、雾的影响，因此，可利用机载SAR雷达立体影像将光学影像中被云、雪、雾覆盖或山的阴影处只能粗略表示的地貌进行准确表达，使地形图中表达的地貌信息准确，地形与实地相符合。如图3中，由于山势较高，在光学影像山的阴影处测绘的地貌，不能准确表示实地地形情况，导致测绘的地形失真。而在图4中，该区域利用机载SAR立体模型采集的地貌明显更真实地反映了实地的地形，沟谷明显，细貌真实。

图3 光学影像山阴影处采集的地貌

(2)利用机载SAR雷达正射影像进行地物更新

对铁丝网、电力线等光学影像很难判绘的地物，在机载SAR正射影像上清晰可见，如图5、图6为同一区域的光学和雷达正射影像，图5光学影像中铁丝网无法判读，图6机载SAR的P波段正射影像中铁丝网(横穿东西的亮黄色线状物)清晰可见。

对云遮盖或阴影下以及被雪覆盖的地物，在机载SAR正射影像上清晰可见，如图7中为光学影像中被云遮盖的道路，在图8机载SAR的X波段正射影像中清晰可见;如图9中被雪覆盖的湖泊，在图10机载SAR的X波段正射影像中清晰可见。

图4 雷达影像山阴影处采集的地貌

图5 光学正射影像

图6 机载SAR正射影像

图7 有云遮盖的光学正射影像

图8 机载SAR的X波段正射影像

图9 有雪覆盖的光学正射影像

3 机载SAR在地形图生产中应用的不足

因SAR为斜距成像，由地形起伏引起的影像几何失真大、辐射畸变突出，在高山地区表现得尤为突出，从而阻碍了从SAR影像中提取信息，并与其他具有地理参考的信息的综合应用。如图11和图12为同一区域的光学正射影像和机载SAR的P波段正射影像，图11中各种植被(旱地、林地、草地等)之间的界线可很好地进行判绘，且植被也直观易解译，而在图12中，地界并不明显，且植被不直观。