王　琴，陳　蜜，，劉書軍，張鵬程

(1. 首都師范大學三維信息獲取與應用教育部重點實驗室，北京 100048；

2. 北京市城市環(huán)境過程與數(shù)字模擬國家重點實驗室培育基地，北京 100048；

3.首都師范大學資源環(huán)境與旅游學院，北京 100048)

DEM Acquisition Study Using Raise-orbit and Lower-orbit SAR Data

WANG Qin，CHEN Mi，LIU Shujun，ZHANG Pengcheng

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利用升降軌道SAR數(shù)據(jù)獲取DEM的試驗研究

王琴1，陳蜜1，2，劉書軍2，張鵬程3

(1. 首都師范大學三維信息獲取與應用教育部重點實驗室，北京 100048；

2. 北京市城市環(huán)境過程與數(shù)字模擬國家重點實驗室培育基地，北京 100048；

3.首都師范大學資源環(huán)境與旅游學院，北京 100048)

DEM Acquisition Study Using Raise-orbit and Lower-orbit SAR Data

WANG Qin，CHEN Mi，LIU Shujun，ZHANG Pengcheng

摘要：首先介紹了利用InSAR技術提取DEM的原理及方法，其次對利用ENVISAT衛(wèi)星的升軌SAR數(shù)據(jù)和降軌SAR數(shù)據(jù)獲取DEM，然后對其融合，并將融合前后的DEM與SRTM3 DEM進行比較，分析其精度。結果表明，與單獨利用升軌SAR數(shù)據(jù)或降軌SAR數(shù)據(jù)獲取的DEM相比，融合后的DEM能更好地顯示地形起伏特征，高程精度得到明顯提升，且羽化融合后的DEM精度最高，其與參考DEM─SRTM3 DEM高程差異標準差為±7.25，高程差異絕對值小于15 m的地區(qū)占95.48%。

關鍵詞：InSAR；SRTM；羽化；均值；最佳分辨率；精度

一、引言

數(shù)字高程模型(digital elevation model，DEM)作為地球空間信息框架的基本內容和進行地形分析的核心數(shù)據(jù)，在氣象、水文、地質地貌、工程建設、通信、軍事等國民經(jīng)濟和國防建設，以及人文和自然科學領域發(fā)揮著越來越大的作用，具有很高的應用價值[1]。為了實現(xiàn)利用DEM對區(qū)域地形表面的數(shù)字化表達，國內外研究人員一直在不斷地進行研究，以求在盡可能短的時間內獲取大面積、高質量的地形信息[2]。隨著科學技術的不斷發(fā)展，對高質量地形信息的研究無論是從廣度上還是深度上都有了很大的推進。特別是近20年來，合成孔徑雷達干涉測量(interferometric synthetic aperture radar，InSAR)技術的迅速發(fā)展，使快速高效地獲取大面積、高質量的DEM數(shù)據(jù)成為可能，為獲取地球表面的地形信息提供了一種全新的高精度測量方法，是雷達遙感研究的一個新動向。

目前，利用InSAR技術獲取DEM在國內的許多地區(qū)已經(jīng)有了成功的應用，顯示了這種方法對于獲取高精度DEM具有重大意義。根據(jù)干涉雷達的視線向模糊問題可知，干涉雷達直接觀測到的數(shù)據(jù)并不是地面的真實形變，而是各個方向形變投影到雷達脈沖入射方向(LOS)的形變矢量[3]。而且干涉雷達對不同方向形變的敏感性差異很大，僅使用一個觀測方向的數(shù)據(jù)會由于雷達疊掩和陰影等因素的影響而得不到真實的地表空間信息[4]。因此，系統(tǒng)地研究利用多個觀測方向的SAR數(shù)據(jù)獲取地表的DEM具有重要意義。

二、InSAR獲取DEM的原理

合成孔徑雷達干涉測量是基于雷達信號的相干處理，利用以一定的時間間隔和輕微的軌道偏離對同一地區(qū)重復觀測得到的兩幅圖像的記錄及SAR圖像的相位信息來獲取高程信息，建立目標區(qū)域的數(shù)字高程模型，得到目標區(qū)域的三維坐標數(shù)據(jù)[2]。根據(jù)SAR信號的獲取方式，可分為交軌干涉測量模式(CTI)、順軌干涉測量模式(ATI)和重復軌道干涉測量模式(RTI)。但是，無論采取哪一種模式，其基本原理都是一樣的。下面就以重復軌道干涉測量模式為例來闡述InSAR獲取DEM的基本原理。

如圖1所示，S1和S2分別代表兩個雷達天線，B為它們之間的距離，稱為基線。R和ΔR分別為斜距。α為基線與水平方向的夾角，θ為入射角，Η為天線的高度，h為地面上點的高程。

在不考慮有散射特性所引起的隨機相位的情況下，雷達天線上的接收機所接收到的信號的相位就只與傳播路徑有關，可表示為

(1)

(2)

圖1　InSAR基本原理

根據(jù)圖1，地面目標點的高程h為

h=H-Rcosθ

(3)

結合余弦定理可得

(4)

結合式(2)、式(4)得出

(5)

綜上所述，若已知雷達天線的位置、相位差、基線、基線與水平線的夾角、入射角，就可以計算出地面目標區(qū)域的高程值h，即利用InSAR技術可以獲取地面某點的高程信息[5-6]。

三、試驗分析

1. 技術路線

數(shù)據(jù)融合技術是指利用計算機對按時序獲得的若干觀測信息，在一定準則下加以自動分析、綜合，以完成所需的決策和評估任務而進行的信息處理技術。根據(jù)研究目的，試驗需要分別將升軌SAR數(shù)據(jù)和降軌SAR數(shù)據(jù)進行處理，獲得升軌DEM和降軌DEM，再將其進行融合，獲取融合DEM。本文的技術路線如圖2所示。

2. InSAR獲取DEM的試驗研究

(1) 試驗數(shù)據(jù)

試驗選取ENVISAT衛(wèi)星分別于2009年3月11日、2009年4月15日獲取的升軌數(shù)據(jù)和2009年2月1日、2009年4月12日獲取的降軌數(shù)據(jù)作為試驗數(shù)據(jù)，提取InSAR DEM，數(shù)據(jù)覆蓋了厄立特里亞國埃德地區(qū)。研究區(qū)位于東非及非洲之角最北部，東部頻臨紅海，境內中心地帶為海拔1800～2500 m的高原。試驗數(shù)據(jù)的基本參數(shù)見表1[7]。

圖2　技術路線

影像序號衛(wèi)星平臺成像日期軌道號軌道方向1ENVISAT2009-03-113125升軌2ENVISAT2009-04-156095升軌3ENVISAT2009-02-012699降軌4ENVISAT2009-04-121530降軌

(2) InSAR DEM的提取

根據(jù)圖1中的流程分別利用升軌SAR影像數(shù)據(jù)對、降軌SAR影像數(shù)據(jù)對獲取兩個觀測方向的DEM，然后將不同觀測方向的DEM分別進行羽化融合、均值融合、最佳分辨率融合，得到不同觀測方向的融合DEM。

① 羽化

羽化的原理是令選區(qū)內外銜接的部分虛化，使所選區(qū)域與周圍的像素混合。羽化值越大，虛化范圍越寬，顏色遞變越柔和；羽化值越小，虛化范圍越窄，顏色遞變越劇烈。在DEM融合過程中，重疊區(qū)域的像素值通過羽化窗口的像素值的加權平均值來確定[8]。

(6)

式中，A表示升軌DEM；D表示降軌DEM；M為融合DEM；m、n表示羽化窗口大小；i、j表示羽化窗口中心像元在圖像中的位置。

② 均值

均值是表示一組數(shù)據(jù)集中趨勢的量數(shù)，是反映數(shù)據(jù)集中趨勢的一項指標。在DEM融合過程中，重疊區(qū)域的像素值通過輸入數(shù)據(jù)對應像元的像素值的算術平均值來確定。

③ 最佳分辨率

空間分辨率是指圖像中能夠識別的兩個相鄰地物的最小距離。在DEM融合過程中，重疊區(qū)域的像素值通過參考DEM(SRTM3 DEM)、輸入DEM(升軌DEM、降軌DEM)對應像元的像素值以及空間分辨率來確定。若升軌DEM為A，降軌DEM為D，參考DEM為P，則融合DEM的像素值可表示為

(7)

對式(7)簡化為

(8)

式中，RA、RD、RP分別表示升軌DEM、降軌DEM、參考DEM的空間分辨率；WA、WD、WP分別表示升軌DEM、降軌DEM、參考DEM對應像元的像素值；W表示融合DEM的像素值。

InSAR獲取的DEM結果如圖3所示。其中，(a)為參考DEM——SRTM3DEM；(b)為升軌DEM；(c)為降軌DEM；(d)為羽化融合DEM結果；(e)為均值融合DEM結果；(f)為最佳分辨率融合DEM結果。

(3) 高程精度統(tǒng)計與分析

由于無法獲取更高精度的高程驗證數(shù)據(jù)，試驗過程中選用美國太空總署和國防部國家測繪局聯(lián)合測量的SRTM3DEM作為參考標準，分別對融合前后DEM的相同區(qū)域采用疊加分析的相減法進行分析[9]，InSARDEM與參考DEM做差后的高程差異圖如圖4所示。其中(a)為升軌DEM與SRTM3DEM之差；(b)為降軌DEM與SRTM3DEM之差；(c)為羽化融合DEM與SRTM3DEM之差；(d)為均值融合DEM與SRTM3DEM之差；(e)為最佳分辨率融合DEM與SRTM3DEM之差。

圖3　InSAR DEM結果

圖4　InSAR DEM與SRTM之差

對各InSARDEM與SRTM3DEM的高程差異進行統(tǒng)計。統(tǒng)計結果表明，升軌DEM相對于SRTM3DEM的差異均值為-4m，差異值統(tǒng)計標準差為47.56m，差異絕對值小于15m的地區(qū)占24.17%；降軌DEM相對于SRTM3DEM的差異均值為9.71m，差異值統(tǒng)計標準差為±16.93m，差異絕對值小于15m的地區(qū)占65.15%；羽化融合DEM相對于SRTM3DEM的差異均值為+1.84m，差異值統(tǒng)計標準差為±7.25m，差異絕對值小于15m的地區(qū)占95.48%；均值融合DEM相對于SRTM3DEM的差異均值為+2.39m，差異值統(tǒng)計標準差為±8.18m，差異絕對值小于15m的地區(qū)占93.09%；最佳分辨率融合DEM相對于SRTM3DEM的差異均值為+8.51m，差異值統(tǒng)計標準差為±14.44m，差異絕對值小于15m的地區(qū)占60.38%。

結合圖4和表2可以看出，融合后的DEM精度比融合前高，且羽化融合生成的DEM比均值融合、最佳分辨率融合生成的DEM精度高[10]。

表2　高程差異統(tǒng)計結果

四、結束語

由于在地形起伏較大的區(qū)域會出現(xiàn)透視收縮、頂?shù)孜灰埔约袄走_疊掩等現(xiàn)象，因此，僅利用單一觀測方向的SAR數(shù)據(jù)獲取DEM時，會出現(xiàn)失真現(xiàn)象，從而使得誤差較大。利用多個觀測方向的SAR數(shù)據(jù)獲取DEM，可以消除由于雷達疊掩、透視收縮等現(xiàn)象引起的失真，從而能夠降低誤差，并清晰地描述地形起伏的紋理特征，具有較高的可靠性及較強的實用性。

本文主要介紹了基于升軌SAR數(shù)據(jù)和降軌SAR數(shù)據(jù)生成DEM過程中融合DEM的幾種方法，并將融合前后的DEM與參考DEM通過疊加分析的相減法進行比較分析。通過試驗比較發(fā)現(xiàn)，融合大大提高了DEM的精度，且羽化融合生成的DEM精度比均值融合、最佳分辨率融合生成的DEM精度高。

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作者簡介：王琴(1990—)，女，碩士生，主要從事環(huán)境遙感應用研究。E-mail：476328665@qq.com

基金項目：國家自然科學基金(41201419)

收稿日期：2014-05-14

中圖分類號：P237

文獻標識碼：B

文章編號：0494-0911(2015)06-0039-05