机载InSAR测制1∶10 000数字测绘成果精度分析

苗小利

(西安煤航技术发展研究院，陕西西安710054)

一、引 言

机载干涉合成孔径雷达(InSAR)技术，经过近20年的研究，其理论日臻成熟，并且由于雷达干涉测量具有全天时、全天候工作的优点，可以直接获取地形的高程信息，其应用领域也得到不断推广。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，逐渐应用于地形测绘方面;而我国地形测绘应用则处于起步阶段，“十一五”期间，在国家863计划的支持下，笔者所在单位在四川省绵阳试验区进行了4000多平方千米的飞行扫描，开展了机载InSAR测制1∶10 000 DEM、DOM、DLG的示范应用研究。本文介绍了这次试验的工艺流程和作业方法，分析了3D数字测绘成果的精度及其影响因素。

二、机载InSAR测制数字测绘成果工艺流程和方法

雷达干涉测量(InSAR)是基于时间测距的成像机理，利用雷达回波信号所携带的相位信息，以获取地表的高程信息。其原理是通过两副天线同时观测，获得同一区域的重复观测数据(复数影像对)，提取同一目标对应的两个回波信号之间的相位差，结合观测平台的轨道参数等提取高程信息[1]，直接获得数字地表模型(DSM)，如图 1(a)所示。通过滤波、编辑处理，生成数字高程模型(DEM)，如图1(b)所示。

SAR影像则是由单视复型数据(SLC)的实部和虚部，计算出振幅值，然后进行灰度化变换，生成原始影像，再经过变换以及去噪声、地理编码后，生成DOM数据，如图2所示。

而DLG则是在上述DEM、DOM数据基础上测制而成，即从DEM数据派生出DLG的地貌要素数据，如图3(a)所示，从DOM数据测制DLG地物要素数据，如图3(b)所示，最后合并形成DLG成果，如图3(c)所示。

图1 DSM、DEM成果

图2 DOM成果

图3 DLG成果

综上所述，机载 InSAR系统测制 DEM、DOM、DLG数字测绘成果的工艺流程如图4所示。

上述工艺流程是基于单片机载InSAR数据，它具有以下优点：

1)该工艺简单明了，充分利用机载INSAR系统直接获取高精度的DSM和DOM数据。

图4 机载InSAR系统测制3D成果工艺流程

2)采用该工艺生产DLG产品，无须开发新的立体测图系统，节省了生产成本，有利于新技术的推广应用。

3)可以实现一项任务多人作业的生产方式，提高了生产效率。

三、DEM、DOM、DLG 成果精度

基于上述工艺流程和作业方法，在绵阳试验区内测制完成了10幅1∶10 000比例尺的3D数字测绘成果，并抽查了3幅DEM、1幅DOM、1幅DLG成果，所用检测点均匀分布在图内、包括了各种地形地貌以及困难地区，其精度见表1～表3。

由统计结果可知，采用机载InSAR系统测制的DEM成果高程中误差在±0．5m左右，DOM成果的平面中误差约为±2．7 m，DLG成果的平面中误差约为±2．5 m、等高线及高程注记点高程中误差在±0．9m左右。

表1 DEM高程精度统计

表2 DOM平面精度统计

表3 DLG平面、高程精度统计

四、精度分析

1．高程精度分析

由上述工艺流程可知，DEM的高程精度直接影响着数字测绘成果的高程精度，而影响DEM的高程精度有以下几个方面因素。

1)成像雷达系统参数：通过成像雷达系统参数、姿态参数和轨道间的几何关系，可以重建地面高程模型，因此成像雷达系统的参数直接影响着DEM的质量。本文采用中科院电子学所自主研发的机载双天线、X波段的InSAR系统，研制中充分考虑到基线长度、基线倾角、干涉相位、飞行(平台)高度、雷达距离等因素对高程测量精度的影响，并给出了以上因素对高程测量误差的指标要求，从系统设计与研制环节上保证了高程测量精度优于0．5m，这一点从表1的高程精度统计中也可反映出。

2)干涉测量困难地区：即易产生叠掩和阴影的区域，包括高山区、水域、高植被区、城镇居民区等，这是受侧视雷达成像机制的制约，在这些区域中，或因地形起伏不可避免地产生阴影现象，阴影区没有回波信号，相干性差，严重影响DEM质量;或因水域部分产生镜面反射，也无法接收到回波信号，继而影响DEM质量;或因高植被区域，X波段不能穿透树冠树叶到达地面，无法得到地面的回波信号，因此影响DEM质量。为此，对密集建筑物区域、森林、道路、水域等区域的高程精度进行了统计(见表4)，明显看出，这些地区的高程精度较低。

表4 困难地区高程精度统计

3)DEM滤波和编辑处理：除了上述两种客观因素的影响，后期的滤波和编辑处理也影响着DEM的精度。对于DEM滤波方法有多种，每种方法都各自有其优缺点，适用范围也不尽相同，但一般都还需要后期的人机交互式滤波和编辑。特别是小范围的“异常区”(如图5(a)所示)、静止水面(如图5(b)所示)、流动水域(如图5(c)所示)、建筑物区域(如图5(d)所示)、树林区(如图5(e)所示)等，都需要经过人机交互编辑处理后，使“异常区”正常、静止水面置平、流动水域平缓过渡、建筑物区域及树林区合理，如图6所示。

图5 DSM所生成的等高线

图6 DEM所生成的等高线

表5统计了稻田区域进行滤波和编辑处理前后的高程精度，从统计结果可以看出，采用正确的滤波和编辑处理方法，能够有效地提高高程精度。

2．平面精度分析

为了得到困难地区的平面精度，就房屋、道路交叉口、池塘等成像地物，对其DOM进行了平面精度统计，结果如表6所示。

表5 滤波前后DEM精度统计

表6 1∶10 000困难地区平面精度统计

由表6统计可知，困难地区能够成像地物的平面中误差小于3m，高程中误差为±1．08 m，由此可知，机载InSAR技术的困难地区对高程影响较大，对成像地物的平面精度影响不大。

五、结束语

综上所述，通过试验区的实践，获取了大量的试验数据和检测数据。数据统计表明，我国自主研发的机载InSAR系统及其数据处理系统，经过多年的不断完善和改进，达到了设计的标称精度;通过干涉处理获取DSM的高程精度优于航空摄影测量;在此技术上生产的 DEM、DOM、DLG产品满足1∶10 000国家规范的精度要求。因此，机载InSAR系统有效地弥补了航空摄影测量受制于天气的不足，由于其具有即时飞行、成图周期短的优势，形成了一条高速的从数据获取、数据处理、智能信息提取、基础地理信息建库、更新等部分组成的全数字化数据链，必将为国民经济建设和国防建设提供高效快速的基础数据保障。

[1]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，2003：36-41．

[2]宋建社，郑永安，袁礼海．合成孔径雷达图像理解与应用[M]．北京：科学出社，2008，P57-59．

[3]CURIANDER J C，MCDONOUGH R N．Synthetic Aperture Radar：Systems and Signal Processing[M]．[S．L．]：WILEY，1991．

[4]丁琼，刘国祥，蔡国林，等．InSAR DEM精度与地形特征的关系分析[J]．测绘科学，2009，1(1)：147-148．