基于InSAR技术的DEM提取及误差分析

陈雷

摘要：合成孔径雷达具有全天时全天候的对地实时觀测优势，结合干涉测量精度高的特点，InSAR技术能够提取高精度的数字高程模型以及对地表微小形变进行监测。干涉测量利用其丰富的相位信息转化为高程信息，再加上获取SAR图像的优势使得InSAR提取DEM得以广泛应用，是近年来研究的热点之一。本文以多种星载SAR数据为基础，应用多种SAR干涉处理软件进行DEM提取的研究，并进行精度对比。首先阐述了合成孔径雷达的基本原理，并介绍了干涉测量的主要工作方式。然后研究了InSAR生成DEM的基本处理流程，包括数据配准，干涉条纹图的生成，去平地效应和滤波，相位解缠，地理编码，DEM的生成。以ERS-1/2和ENVISAT数据为例应用ERDAS IMAGINE的InSAR模块进行处理，每一步都给出了具体的说明。

Abstract： The synthetic aperture radar has the advantages of all-weather and all-time observation for the ground. Combined with the characteristics of high interferometry precision， InSAR technology can extract high precision digital elevation model and monitor the small deformation of the surface. Interferometry transforms its abundant phase information into elevation information. The advantage of accessing SAR image makes the application of extracting DEM by InSAR more wide. It is one of the hot spot of research in recent years. Based on a variety of spaceborne SAR data， this paper uses many SAR interference processing softwares to study DEM extraction and carry out the precision comparison. It firstly expounds the basic principle of synthetic aperture radar and introduces the main work pattern of interferometric measure. And then， it studies the basic processing procedure of InSAR to generate DEM， the processing procedure includs data registration， the generation of interference fringes pattern， elimination of flat-earth effect and smoothing， phase unwrapping， geocoding， DEM generation. ERS-1/2 and ENVISAT data is taken as an example to process by tha application of InSAR module of ERDAS IMAGINE， each step is given the specific instructions.

关键词：干涉合成孔径雷达；影像配准；干涉条纹图；相位解缠；DEM

Key words： interferometric synthetic aperture radar；image registration；interference fringes pattern；phase unwrapping；DEM

中图分类号：P237 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2016）09-0221-04

0 引言

近年来，随着数字地球、数字中国、数字区域、数字城市等研究在全球的蓬勃展开，DEM为这些数字工程提供着重要的空间数据支持，是其创建和应用的基础。另外随着遥感技术的发展，利用遥感影像获取DEM在我国西部测绘工作也已经得到广泛应用。本文在深入研究InSAR影像提取DEM的关键技术理论的基础上，对各关键技术已有算法进行了分析与总结，使用多种数据对InSAR影像提取DEM的技术流程与方法进行了实施和比较其优缺点。并对提取的DEM进行了有效的精度分析，总结了影响DEM精度的一些因素。

1 主要研究内容

干涉合成孔径雷达（InSAR）是微波遥感领域发展的重要方向，它不仅具有SAR的优点，而且由于利用了雷达回波的相位信息，使得InSAR在获取地表数字高程模型和地形微小形变方面起到越来越重要的作用。随着星载和机载SAR系统的迅速发展，InSAR数据处理技术的研究也在蓬勃发展，这些新的发展改善了SAR图像质量和拓展了新的应用。本文针对InSAR技术获取DEM开展研究，主要包括以下内容：

①深入研究合成孔径雷达干涉测量的基本原理、测量方式以及数据处理的主要流程和主要方法。

②研究InSAR图像提取DEM的配准和干涉图滤波方法[1]。对目前的经典的配准方法和SAR滤波方法分别进行分析对比，研究各种算法的适用性及优缺点。

③使用ERDAS和SARscape软件进行提取DEM的主要流程，本文主要研究ERS-1/2串联飞行和ENVISAT的bam地震区的数据在软件支持下的数据处理流程，并对各部分的处理结果作出比较和分析。

2 数据来源

2003年12月26日世界时01时56分52秒，伊朗东南部发生里氏6.5级强地震，有千年历史的古城巴姆（Bam）附近，震中经纬度为29.01N，58.26E。本实验采用的数据是2003年12月和2004年一月获取的该地区的雷达单视复图像图1。

3 技术路线

研究了利用SAR数据获取DEM的处理流程和方法，包括影像的配准，干涉条纹图的生成，去平地效应，滤波去除噪声，相位解缠，地理编码，DEM的生成，并对每一步的原理进行了详细的阐述。最后，本文以ERS-1/2和ENVISAT数据为例，以ERDAS IMAGINE和SARscape软件为基础，应用研究的处理方法，做了整个的干涉数据处理流程的试验，对获得的DEM进行了精度分析和解释。

4 DEM提取过程

4.1 基于ERDAS Imagine系统完成DEM的提取

利用ERDAS Imagine软件系统中RADAR模块的子模块InSAR，它是利用干涉技术对SAR影像进行DEM提取[2]的专用模块。

①数据转换，利用InSAR模块处理的雷达影像只能用ERDAS的专用格式（*.img），因此在进行处理之前得进行数据格式转换，即必须将原始的SLC的SAR图像转换为*.img格式。ERDAS在输入输出模块提供了这种格式的转换。本次试验用的是ERS的数据，包括5个文件，其中dat_01.001是记录数据的主要文件，格式转换该文件。

②数据导入，将格式转换之后的主从影像在Reference Image和Match Image文件选择框中选择导入。

③影像配准，影像配准包括粗配准和精配准。所谓配准是指主从影像上的同名点，通过计算偏移量，建立两幅图像之间的对应数学关系。首先进行醋配准。再进行完粗配准后，从影像进行重采样处理，然后采用相同的方法自动匹配搜索，得到一系列的像素点的偏移量和延展值。当子像元配准精度达到1/8像元时，便可满足干涉处理要求。

④航迹修正，根据现有的轨道预测和建模技术需要对传感器的轨迹进行修正。修正参考图像和匹配图像需要有地面控制点文件。

⑤影像裁剪，影像裁剪根据用户需求选择研究区的范围对影像进行裁剪，输出的DEM就是裁剪后的那一部分。本次试验选择最大重叠区域进行裁剪。

⑥干涉图生成，生成干涉图是为了提取正确的干涉相位，并用于InSAR图像的相位解缠。首先选择参考DEM，然后执行干涉条纹图的生成。

⑦相位解缠，相位解缠是同观测相位计算绝对相位的过程。通过设置起始和终止相干系数，对相位解缠进行人工干预，控制哪些点会被解缠哪些点不会被解缠。当参数确定后可以采用最小二乘法或路径跟踪法进行相位解缠。

⑧高程计算和地理编码，经过相位解缠后可以得到每个点的斜高，然后利用各点斜高及其相互关系可以计算出模型中各点的高程。此步骤中需要设定输出DEM的文件名、输出路径和空间分辨率。InSAR模块默认的投影方式为主影像的投影方式，因此可以进行设置。没有地面控制点得到的DEM为相对高程。在执行完成后可以看到Height Values Type为relative。

⑨生成最终DEM成果图2，通过上面一系列的步骤可以得到DEM数据，用ERDAS系统的影像观察窗打开，也可以在Virtual GIS窗口进行三维立体显示，更直观的观测研究区的地形起伏状况[3]。

4.2 基于SARscape提取DEM

①数据导入。首先将原始的雷达记录数据转换成SARscape下可以进行后续处理的SLC复数据格式，在SARscape下的basic菜单Import Data-Standart Format选择传感器类型、数据类型和版本，选择其对应的格式和输出路径，执行。

②获取参考DEM。在SARscape下对转换的复影像数据进行干涉计算有两种方式：有DEM参考和无DEM参考。后者需要设置投影参数，前者直接通参考DEM中提取。

③生成干涉图。这一步是生成干涉图，输入两景SLC 数据，输出数据是经过配准和多视的两景数据的干涉图，和主从影像的强度图。对该数据集，距离向为1方位向为5 的多视，约可得到15m的地面分辨率。

④去平地效应。高质量的干涉图对DEM的生成十分关键，尤其是平地效应的影响。“平地效应”是随距离向和方位向的变化高度不变的平地在干涉纹图中所表示出来的干涉条纹呈周期性变化的现象。“平地效应”可通过对干涉信号乘以复相位函数来去除。

⑤自适应滤波及相干性计算。对上一步去平后的干涉图进行滤波，去掉位相噪声。同时生成干涉的相干图和滤波后的主影像强度图。

⑥相位解缠。由于干涉相位是以2π为模，所以只要相位变化超过了2π，就会重新开始和循环。

⑦选择控制点，生成GCP文件。这些控制点必须要分布在整景图像上，尽可能的选相干系数比较大的地方，避免选择地形残差条纹区域。

⑧轨道精炼和重去平。

⑨相位高程转换生成DEM。

这一步是将经过绝对校准和解缠的实际相位，结合合成相位，转换为DEM 并进行地理編码。生成进行了地理编码的DEM 文件、相干图像，还有在数据镶嵌中会用到的两个图像精度图像和分辨率图像。见图3。

5 试验结果及精度分析

试验的DEM成果：

①图4为 ERS-1/2数据提取的我国西南某地区的DEM成果图。

在实际应用中，常用的DEM 精度评价方法有检查点法、剖面法、等高线回放法等[4]。下面应用剖面法进行分析：在生成的DEM中任意选两个位置画出大致水平和垂直的线，即剖面图，提取它们的高程值，其剖面图如下。由图5可以看出该地区自西向东海拔逐渐增加，而南北向则变化不规则，起伏不定。

②图6为Bam地区的DEM成果图。

图7和图8为随机在Bam地区DEM成果图中选取X、Y方向作剖面，其高程值变化如图所示。

图9为DEM精度图，精度统计信息：DEM最大误差为25.309999m，最小误差为0.280000m，误差均值为4.987169m，标准差为4.664205m。上述数据满足精度为30m的要求。

6 结论

影响DEM精度的误差因素有很多，最明显的是地形坡度坡向的影响，由上述结果可知海拔越高，误差越大；坡度越大，误差页越大。另外一些城市建筑也对最终的DEM精度有很大影响。InSAR技术提取的DEM的精度与SRTM-3 DEM存在系统误差的主要原因是：

①第一组研究区的数据由于地形起伏的比较大，有大量的植被覆盖，虽然成像仅隔1天的时间，但时间失相关仍然存在，所以有较大的干涉相位噪声，从而使得星载InSAR提取的DEM精度受到影响。②由于研究区域内水系的存在，导致湿度比较大，因而不能消除由于大气在空间和时间尺度上变化而引起的干涉相位附加延迟的变化，从而降低了DEM精度。③虽然两组数据已经通过控制点来进行了精密轨道参数的校正，但由于卫星定轨引起的误差也不能完全消除，因而轨道误差也影响干涉高程的精度。④另一个造成误差的原因就是星载InSAR技术提取DEM和SRTM3 DEM大地水准面不同。⑤Bam试验区和SRTM-3DEM成像时间分别是2003年末和2000年获取的影像2002年生成的，因此在此期间人为的地形变化也降低了DEM的精度。

参考文献：

[1]舒宁.雷达影像干涉测量原理[M].武汉：武汉大学出版社，2003.

[2]张继超.从InSAR影像提取DEM的实用化方法研究[D].辽宁工程技术大学，2002.

[3]王志勇，张继贤，张永红.从InSAR干涉测量提取DEM[J].测绘通报，2007.

[4]唐新明，林宗坚，吴岚.基于等高线和高程点建立DEM的精度评价方法探讨[J].遥感信息，1999（3）：7-10.