基于机载SAR影像调绘方法应用研究

2018-09-06王晓东

中国煤炭地质 2018年8期

王晓东

(中煤航测遥感局，西安 710199)

0 引言

机载雷达干涉测量(InSAR)技术，经过近二十年的研究，其理论日臻成熟，并且由于雷达干涉测量具有以下优点：①不依赖于太阳光，而是利用自身发射的电磁波，可以全天时工作；②能够穿云破雾，不受天气影响，可以全天候工作；③雷达干涉测量可以直接获取地形的高程信息。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, 广泛应用于地形测绘、森林测量、资源调查和环境制图、地质环境和灾害监测等方面[1-3]。我国也在近几年开展了机载高分辨率InSAR技术在地形测绘方面的应用研究。

由于机载InSAR不同于光学航空摄影所获取的影像[4]，无法采用原有的像片调绘方法进行地物的定性和定位。因此，本文针对这种机载InSAR新技术，研究其SAR影像的判读定性和定位方法，从而解决基于SAR影像的调绘方法。

1 机载SAR影像的成像原理

由于SAR影像其特殊的侧视成像机理，对于高出地表的地物，则产生顶底位移现象，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1所示，因此顶部影像a和底部影像b的位置在单片SAR影像中不是同一位置(在正射投影中A与B、C与D被视为同一点)，其影像中的定位产生了误差Δr：

Δr=Δh/tanη， ΔR=Δh/cosη

图1 地物高度引起的投影差Figure 1 Relief displacement caused by object height

2 基于机载SAR影像调绘

2.1 基于SAR影像地物性质判读

根据SAR影像进行地物的性质判读，与光学影像判读方法相似。可根据SAR影像地物的直观特征——形状、色调、阴影等进行地物性质初步判断。然后，结合背景知识，从地物空间分布规律、相互关系进一步判断，从而确定地物性质。

2.1.1 形状

SAR影像上各种形状，是地表上各类物体外部轮廓的侧视图像。它们均按侧视投影的成像规律，在影像上呈现出相应的几何形状。所以，地物在影像上的形状是判读的重要特征之一。

平坦地面上的物体，在SAR影像上的形状，与该物体平面形状基本相似。例如：田块、田埂、道路、和池塘河流等，如图2所示。

倾斜面上的平面物体，由于SAR影像近距离压缩的成像规律，使影像的形状变形：即远离雷达天线的影像变宽，而靠近雷达天线的影像变窄，如图3所示。

高出地面的物体，大多数地物在雷达图像上形状与其在人们的视觉中形状相差很大，而且常常是实际目标的部分轮廓[6]，例如平顶楼房，在雷达影

像上亮斑表现为“L”形。如图4所示。

另外雷达影像上构像的形状，随着投影差的大小而改变。因为物体的高度和影像的位置不同，其顶部影像的位移值就各异。例如烟囱、独立树等，假设有几座高度和大小均相同的烟囱，它们在影像不同的位置上构像，其影像形状就各不相同，如图5所示，即远离雷达天线的地物投影差比靠近雷达天线的相同地物的投影差要小。

2.1.2 色调

SAR影像的色调是地物目标后向散射回波强度的表现。光滑表面地物，对雷达波产生镜面反射，几乎没有回波信号，因此该类地物在影像上的色调为黑色调，如水库、道路等；粗糙表面地物，对雷达波产生漫反射，天线可以接收到较强回波，因此影像上的色调为亮色调，如房屋等；中等粗糙度地物，对雷达波产生混合反射，雷达天线可以接收到部分回波，在影像上为灰色调，如林地等。

所以，对于面状要素除了形状是其判读的重要特征，影像的色调也是面状要素判读的另一重要特征，如图6所示。

2.1.3 影像的阴影

机载SAR系统沿直线传播的雷达波束受高大的地物目标阻挡时，位于高大的地物目标的背面就接收不到电磁波，因而也就不会有雷达回波，故在雷达图像的相应位置上出现暗区，此即为雷达阴影[7]。因此地面上该部分没有回波返回雷达天线，从而在图像上形成阴影。

适当的雷达阴影增强了图像的立体感，突出了地物目标特性，有利于目标判读，它是高出地面的物体较易判读。但大面积的阴影，会造成阴影区内的信息丧失，不利于地物目标的判读和信息提取。SAR影像中阴影是影像调绘的困难地区，对此区域应采取实测的方法进行地物的调绘。

图2 平坦地面InSAR影像上地物形状Figure 2 Level ground object form on InSAR image

图3 迎面坡和背坡的压缩变形Figure 3 Compressive deformations on apron slope and back slope

图4 SAR影像上的L型叠掩结构建筑物Figure 4 L typed layover structure building on SAR image

2.1.4 地物空间关系

自然界中，地面上各类地物之间的空间分布总是相互联系的。掌握这种相互关系位置的规律，就可以由易于识别的物体影像，进而判读另一类物体。特别是某一地物在SAR影像不明显时，通过与其位置关系紧密的地物影像，判读出该地物。

参照上述判读特征，当判读出铁路与河渠相交时，可以判读出桥梁的位置和性质；而在公路与河沟相交处，不是桥就是涵洞；当大车路在山脚终止，则

可以判读出山洞或泉的位置。所以在SAR影像调绘中充分利用地物空间的相互关系，可以帮助我们进一步确定地物的性质。

2.2 基于SAR影像的地物定位

由于SAR影像数据中或多或少地存在着地形起伏、地物高度、叠掩、阴影等引起的定位误差，因此要进行地物调绘的定位，就必须了解影响定位精度的因素。

2.2.1 地形起伏、地物高度引起的像点位移

由于SAR影像其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[8]，如图7所示。因此顶部影像a和底部影像b的位置在单片SAR影像中不是同一位置，在影像中产生了Δr定位误差。

由图7几何关系可知：

ΔR=Δh/cosη

(1)

Δr=Δh/tanη

(2)

其次，由于在单片SAR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，对于垂直地物的定位，如果定位在地物影像的顶部位置，须经过投影差改正，才能达到准确定位的目的。

2.2.2 地球曲率引起的像点位移

对于测区范围较大时，应考虑地球曲率引起的像点位移，而地球曲率引起的像点位移类似于地形起伏引起的像点位移[6]，如图8所示。把地球表面上的点P到地球切平面的正射投影距离Δh视为地形起伏，可利用像点位移公式(2)来估计地球曲率所引起的像点位移，这里应注意像点位移方向相反。

图5 不同位置相同高度引起的投影差Figure 5 Relief displacements caused by different positions with same height

图6 水域、房屋、田地、树林影像色调Figure 6 Image hues of waters, houses, farmland and woods

图7 地物高度引起的投影差Figure 7 Relief displacement caused by object height

图8 地球曲率的影响Figure 8 Impacts from earth curvature

2.2.3 透视收缩和叠掩引起的定位误差

当局部地形倾角小于雷达波束的入射角时，产生透视收缩现象。同理，对于大于等于入射角时，出现叠掩效应。当地形的倾角近似入射角时，整个倾斜区域变成为单一的分辨单元，整个倾斜面的散射能力被积累起来，产生了非常亮的像素。用于生成这些影像的地形校正程序在叠掩区域上以均匀地面像素间隔复制这种饱和强度值，因此在图像上就形成了拖尾效应，如图9所示。

图9 叠掩区域的拖尾效应Figure 9 Smearing from layover area

叠掩区域影响定位精度，主要有两方面，一是叠掩引起的顶底倒置，因此，在调绘定位时，应特别注意底部位置的准确判断，否则将影响定位精度；二是叠掩区的拖尾效应“淹没”了该区域的地物地貌的细节，这也直接影响到地物地貌的定位精度和性质判读，因此，必要时需采用测量仪器进行实地测量和调绘。

2.2.4 阴影引起的定位误差

与叠掩有关的影像失真是雷达阴影。当局部目标以一个大于或等于发射波形的入射角的角度向雷达倾斜时，阴影就出现了，如图10所示。当阴影条件出现后，阴影区域不能散射任何信号[8]。也就是说，阴影区域的任何地物地貌信息将无法获取，因此，阴影区域对定位精度的影响是显而易见的。对此区域应采用实地测量的方法进行准确定位。

图10 地形起伏引起的阴影区域Figure 10 Shadow area caused by topographic relief

3 基于SAR影像调绘方法的应用

根据机载SAR成像原理，以及SAR影像中存在的像点位移，我们先后开发了“定位误差纠正系统”、“垂直地物高度测量系统”，以期解决调绘中的定位和高度量测问题，并应用于约40km2的外业调绘项目中。后期又采用实测数据对其调绘成果进行了精度评估，详见表1。经计算统计，调绘成果定位中误差为0.87m，满足国家规范要求(规范要求：1∶10 000比例尺为 5 m)。