用InSAR研究地面形变场DEM的提取

余景波，曹振坦，薛峰，赵玉江

(1.山东科技大学测绘科学与工程学院，山东青岛 266510； 2.东方道迩济南分公司，山东济南 250101；3.山东省城乡建设勘察院地信公司，山东济南 250031)

用InSAR研究地面形变场DEM的提取

余景波1∗，曹振坦1，薛峰2，赵玉江3

(1.山东科技大学测绘科学与工程学院，山东青岛 266510； 2.东方道迩济南分公司，山东济南 250101；3.山东省城乡建设勘察院地信公司，山东济南 250031)

介绍了InSAR提取DEM的基本原理，以Earhview InSAR的两种生成DEM数据处理模式处理ENVISAT卫星获取的巴姆地震影像数据，结果分别提取了巴姆地震同震形变场的DEM。对结果进行了对比分析，表明借助外部DEM可以提高提取的地面形变场DEM的精度。

Earthview InSAR；DEM生成模式；巴姆地震；ENVISAT卫星；DEM的精度

1 引 言

合成孔径雷达干涉测量(InSAR)在20世纪60年代末出现，是将雷达影像复数据的相位信息作为信息源提取地表三维信息的一项技术。1974年，Graham等人[1]第一次提出用InSAR技术进行制图的设想，一直到1986年，通过Goldstein和Zebker[2]的改进，才真正实现数字化干涉雷达技术，并利用其生成数字地形图。1988年，Goldstain等人[3]采用InSAR技术处理SEASAT星载SAR数据，获取了死亡谷Cottonball盆地的地形图，其地形数据与出版的USGS的地形图很吻合。进入20世纪90年代，星载合成孔径雷达的不断升空，提供了丰富的SAR数据，使InSAR技术在地形测绘上的应用取得了很大的进展。2000年2月美国的“奋进号”航天飞机，使用InSAR技术，在短时间内，就成功获取了覆盖地球陆地绝大部分的In-SAR数据，用其生成了相当于1∶50 000比例尺精度的高程模型。通过十几年的发展，InSAR已在地震、地质、水文、地面沉降、火山观测等[4]领域取得了初步应用，同时取得了一些研究和应用成果。

目前，世界多国的科研机构进行了InSAR软件的研制，如Earthview，Doris等。商用软件Earthview包括了InSAR数据处理模块，利用其处理雷达影像对可以生成DEM。

本文以Earthview InSAR模块提供的两种不同的DEM生成方式处理雷达影像对数据，提取了DEM，并对结果进行对比分析。

2 InSAR提取DEM的基本原理

InSAR通过两副天线观测，同时观测或两次平行观测，获取地面同一地区的复数影像对，因为目标与天线位置的几何关系，在复图像上产生了相位差，形成干涉条纹图，此图中包含了斜距向上的点与两天线位置之差的精确信息[5]。因此，利用传感器高度、雷达波长、波速视向和天线基线距之间的几何关系，可以精确地测量出图像中每一点的三维位置，从而生成该地区的DEM。

2.1 InSAR提取DEM的几何原理

图1是InSAR成像几何示意图[6]。图中A1和A2分别表示两个天线，R1和R2(R2＝R1＋△R)分别表示两天线到地面目标的斜距，H为A1的轨道高度，B为基线距，水平方向和B的夹角为α，水平基线和垂直基线分别为Bp和Bv。

图1 InSAR成像几何示意图

从天线A1发射波长为λ的信号，天线A1和A2同时接收从地面目标S返回的信号，天线A1和A2接收的从目标S返回的信号之间的测量相位可以分别表示为[7]。

则两副天线所接收到目标S的信号之相位差为:

由图1中所示的几何关系模型，利用余弦定理可得:

由于通常R1>>B，R1>>△R，式(4)可以化简为:

由式(3)、式(5)，可以解出θ:

由图1中的几何关系，可以推出下面的关系式:

由式(6)和式(7)就可确定目标点S的高程。也是就说，如果已知天线位置(H，B，α)和雷达系统的参数(θ)等，就可以从φ计算出地表的高程值h。

2.2 InSAR提取DEM的数据处理流程

InSAR提取DEM的数据处理，主要步骤[8]包括:复图像的粗、精配准、生成干涉图、相位解缠、提取数字高程模型。其具体处理数据流程图如图2所示。

图2 InSAR提取DEM的数据处理流程图

(1)选择合适的InSAR成像对。选择InSAR成像对，要根据不同的干涉要求，进行选取。要求影像对必须相干。在选取成像对时，要考虑传感器类型、空间和时间基线、成像区域地形大气状况等的影响。

(2)图像对的配准。当来自邻近轨道上的两幅SAR图像配准时，它们的相位差图像会显出条文，条纹的变化包含着地表地形信息。如果两幅图像没有精确配准，它们生成干涉条纹就会模糊不清，甚至生不成干涉条纹。通常，图像配准误差必须在1/8个像元以下才对干涉条纹的质量没有明显的影响。

(3)图像对做共轭相乘，并计算相干系数。图像配准后，图像上像元数据可以看成由实部数据和虚部数据组成，将它们共轭相乘，得到高质量的干涉图。采用最大似然估计器计算相干系数，根据相干系数生成相干图，以便对干涉图进行质量评价。

(4)去“平地效应”，干涉滤波和二次采样。干涉纹图中包含有形变和地形相位信息，用InSAR进行地形测绘，需要把其中地形相位信息消除，即去“平地效应”，一般采用相位补偿法消除平地效应。干涉纹图中的相位受到多种噪声的影响，需要进行滤波处理，通过halfband滤波消除顶低位移对相位数据的影响，方位向滤波提高了干涉纹图的信噪比。二次采样可以减少后期数据处理的数据量。

(5)相位解缠。主辅影像对在进行共轭相乘后，得到的相位差实际上是缠绕相位，其取值在(－π，π)之间，必须经过相位解缠才可以得到真实的干涉相位，把恢复真实相位的过程称为相位解缠。它是InSAR数据处理过程中关键一步，其结果好坏直接影响InSAR的最终数据产品(如DEM或地面形变图)的质量。

(6)相位到高度的转换。由式(6)和式(7)得到解缠后的相位到高度的转换公式:

利用式(8)可以实现解缠相位到高程数据的转换。

(7)地理编码。在完成相位到高度转换后，还需要经过从斜距到地距的转换和地理编码过程才成为与地图匹配的数字地形图，供给最终用户使用。地理编码是将影像数据和高程数据，从雷达成像时的坐标系统(高程、方位、距离)转换到某一种较为通用的参考坐标系。

3 InSAR在提取地面形变场DEM的应用实例

Earthview InSAR模块提供了多种雷达数据处理模式，其中，在生成DEM上，有DEM和DEM with External DEM两种方式。Earthview InSAR模块结构如图3所示。

图3 Earthview InSAR模块结构示意图

在Earthview InSAR模块中，生成DEM的这两种，两者所不同的是在雷达影像数据处理时，是否引入外部数字高程模型(DEM)。本文中引入SRTM数据作为外部DEM(External DEM)，SRTM是美国“奋进”号航天飞机于2000年2月测量得到。它覆盖了地球80%以上的陆地表面。目前NASA开放了部分SRTM数据，并在网上公开发布。SRTM数据可通过JPL提供的网址下载。覆盖伊朗巴姆地区的SRTM数据如图4所示。

图4 覆盖巴姆SRTM数据示意图

在Earthview InSAR模块中，DEM和DEM with External DEM两种雷达数据处理模式的基本流程图如图5所示。

图5 Earthview InSAR中两种生成DEM雷达数据处理模式流程图(a～b)

3.1 实验数据介绍

伊朗巴姆地震发生在2003年12月26日，震级为6.6级，震中位置为N29.010，E58.260，给当地带来了巨大的人员伤亡和财产损伤。ENVISAT卫星在巴姆地震后，监测到了该次地震的全过程。在欧空局网站上可以免费下载这些数据。本文利用ENVISAT卫星以降轨方式获取的2幅雷达影像数据进行提取DEM处理，并对结果进行分析。实验所用雷达影像数据基本特征如表1所示。

雷达影像干涉基本信息 表1

3.2 实验结果及其分析

本文采用Earthview InSAR模块，处理雷达数据提取DEM，其实验主要工作如下:

(1)数据输入:输入雷达影像对主从图像，确定研究范围，完成雷达影像数据的读取分析，并生成主从图像干涉基线距信息。

(2)配准:首先计算出中心点偏差，然后将其作为像元级配准的输入参数，采用基于窗口的自动配准技术进行配准，最后通过主从图像过采样处理以减少后期数据处理的数据量、最大相干估算、偏移量拟合进行精配准。

(3)干涉处理:在干涉处理前，先进行干涉图像对的频率域、时间域预滤波处理，接着进行去平地效应的消除，再者必须去除地形相位的影响。在DEM with External DEM方式中中，通过外部DEM模拟生成处理地形相位。在干涉相位信息增强处理中，主要是生成干涉相位图及掩膜、相位坡度图，进行干涉相位校正、残余平地效应和地形相位消除等。

(4)相位解缠和形变量解算。

(5)地理编码:采用WGS－84高程、UTM投影、空间分辨率20 m×20 m为标准将视线向形变量及其水平、垂直分量分别进行地理编码和校正，生成最终的DEM。

图6 实验结果示意图(a～h)

在完成以上实验处理工作后，就可以得到两种生成DEM模式处理雷达影像对的处理结果，如图6所示。

在增强干涉图中，图6(a)和图6(b)进行了去平地效应和滤波处理，能够看出清晰的干涉条纹。图6 (a)中干涉条纹比图6(b)中干涉条纹密集，这表明在图6(a)中有大量残余相位的存在，造成干涉条纹密集，掩盖了地形变化情况。图6(b)由于残余相位被大量去除，表现出了清晰的地形变化情况，然而，两图都存在相位模糊现象，不能用来表示地面起伏情况，还需要进行相位解缠。这说明引入外部DEM，可以帮助消除残余相位，提高干涉图的质量。

在生成增强干涉图的同时，可以得到相干图，相干图是最常用、最直观的干涉质量图。相干图既可以表示研究区域的相干性，作为相位解缠等重要参考指标；又可以反映两幅雷达影像获取期间的地物变化信息，对地物和地貌进行分类。一般来说，相干图上越明亮的区域表示干涉质量越高。图6(c)和图6(d)明亮的区域较多，即两相干图的相干系数高，表明实验所用两幅雷达影像相干性很高，也就是说实验所采用的两幅雷达影像的干涉质量高。

图6(e)和图6(f)反映相位解缠后的干涉相位情况，显然图6(e)比图6(f)干涉质量差些，这是由于生成它的增强干涉图含有大量的相位残余，影响了相位解缠质量。这样就造成解缠后的图6(e)不能准确反映所研究区域的地面起伏状况，也给最终的DEM精度带来影响。

图6(g)和图6(h)是最终DEM，通过比较可以看出图6(h)比图6(g)明亮光滑，这说明图6(h)地理编码后的DEM精度比图6(g)地理编码后的DEM高，能够较精确地反映所研究区域的地面起伏。这表明借助外部DEM有助于提高提取地面形变场DEM的精度。

4 结 论

本文分析InSAR提取DEM基本原理基础上，以Earthview InSAR模块为数据处理平台，采用两种DEM生成模式分别提取了伊朗巴姆地震的DEM，并对结果进行对比分析，可以得出借助外部DEM，可以提高提取的地面形变场DEM的精度。

可以预见，随着高效SAR传感系统、SAR数据处理软件、新技术等的出现，将会有高自动化、更高精度、更具适用性和可靠性的DEM出现。

[1] GRAHAM L C.Synthetic Aperture Radar for Topographic Mapping[J].Proc IEEE，1974(62):762～763[2] Zebker H A，Goldstien R M.Topographic Mapping from Interferometry Synthetic Aperture Radar Observation[J].Journal of Geophysical Reseach，1986(91):4990～4993

[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(7):27～28

[4] 王超，张红，刘智.星载合成孔径雷达干涉测量[M].北京:科技出版社，2002:165～198

[5] 仇春平，王坚.从SAR影像提取DEM的方法研究[J].测绘通报，2006(6):7～8

[6] 胡波，朱建军，张长书.InSAR提取DEM的原理与实践[J].测绘工程，2008(17):57～58

[7] 廖明生，林珲.雷达干涉测量－原理与信号处理基础[M].北京:测绘出版社，2003:36～39

[8] 苗放，梁军，叶成名等.用InSAR技术提取数字高程模型的研究[J].物探化探计算技术，2007(29):158～160

The Studies of DEM Extraction of Ground Deformation Field by InSAR

Yu JingBo1，Cao ZhenTan1，Xue Feng2，Zhao YuJiang3
(1.Geomatics College，UUST，Qingdao 266510，China； 2.Jinan Branch Eastdawn，Jinan 250101，China；3.GIC of exploration of urban and rural construction，Jinan 250031，China)

The basic principles of InSAR extracting DEM were introduced，and then DEMS of the Bam earthquake coseismic deformation field were extracted by data processing mode of two generation of Earthview InSAR to DEM processing ENVISAT satellite image date from the Bam earthquake.That the external DEM with high accuracy that could increase the accuracy of the extracted DEM of the ground deformation field was shown by comparison and analysis to the result.

Earthview InSAR；DEM generation mode；Bam earthquake；EnVISAT satellite；DEM accuracy

1672－8262(2011)02－92－04

P236

A

2010—10—22

余景波(1983—)，男，硕士研究生，主要从事现代测量数据处理理论及应用。

海岛(礁)测绘技术国家测绘局重点实验室资助项目(2010A01)