TerraSAR-X影像在1：10 000地形图测绘中的应用

刘　晖

(四川省遥感信息测绘院，四川成都　610100)

合成孔径雷达(synthetic aperture radar)是一种侧视成像雷达，集合成孔径技术，脉冲压缩技术和数字信息处理技术于一体，作为遥感设备，其图像分辨率基本上与光学图像相当，从它获取的图像里可以获取丰富的信息。星载SAR使用微波传感器，自身具有全天候、全天时高分辨率的成像探测能力，为获取地球空间信息提供了重要手段。而星载SAR对于测绘应用最大的优势在于它能够不受天气、气候的影响，可以透过云层遮盖获取地面信息，这对于解决中国西部主要是四川盆地的遥感数据获取具有十分重要的现实意义。本文主要探讨基于TerraSAR影像应用于1∶10 000地形图测绘的技术路线和可行的技术流程。

1　TerraSAR-X基本情况介绍

新型星载SAR卫星发展至今，已经在多个领域发挥着重要的不可替代的作用，在地形图测绘方面也取得了一定的突破。SAR自身具备的高分辨率、多种成像模式、多极化和高质量干涉数据的特点，SAR数据正越来越广泛的应用于基础地理数据的测绘中。TerraSAR-X卫星是目前比较主流的商业SAR卫星，其基本技术参数见表1。

TerraSAR-X可提供1 m聚束模式的SAR影像和3 m条带模式的SAR影像，同时可提供3 m重轨模式SAR干涉影像对和侧视角相差在8°至20°之间的立体影像对。

表1　TerraSAR-X卫星有关参数描述

2　基于TerraSAR-X影像的地形图测绘

2.1　技术路线

全数字摄影测量系统VirtuoZoSat(RPC模块)充分利用了TerraSAR影像的相关轨道参数，建立立体模型开展立体测图生产。TerraSAR本身提供了包含卫星瞬时姿态RPC参数文件，为了便于理解，在实际生产过程中通俗的称之为“外方位元素”。 TerraSAR影像提供的原始RPC文件记录了卫星在获取影像时的位置和姿态参数，使用原始原始RPC定向还远远不能满足测绘地形图的精度要求，必须做加密处理。TerraSAR影像的加密过程类似于普通的光学影像或是其他类型卫星影像的加密过程，以外业控制点作为基础，在立体影像中选择明显地物点作为加密点，通过平差计算后得到新的RPC文件，用于地形图测绘。TerraSAR影像的加密过程本文不作详细阐述，重点对于使用TerraSAR影像立体模型进行地形图测绘的技术路线和技术难点做一些探讨。选取了四川中部山区和平地结合地区的1 m分辨率TerraSAR影像，进行1∶10 000地形图实验性生产，具体技术路线如下。

(1)影像处理：调整原始立体模型影像的直方图，并进行影像增强等处理，使影像反差适中，对地面要素的判读达到最佳。

(2)TerraSAR影像加密：在原始RPC参数的基础上通过加密和平差解算得到新的RPC参数，新的RPC参数符合地形图测绘的精度要求。

(3)立体模型定向：使用加密后获得的RPC参数，在VirtuoZoSat(RPC模块)中建立立体模型，并裁切核线影像。

(4)利用VirtuoZoSat中立体测图模块进行要素采集：主要对于道路、水系、居民地、附属设施、植被等要素进行判读。

(5)对采集好的道路、水系、居民地、附属设施、植被等要素进行粗编辑：处理好各要素之间的关系并进行符号化，粗编辑完成后制作外业工作底图，供外业人员进行野外核查。

2.2　TerraSAR影像立体模型建立方法

现在简要介绍一下利用TerraSAR影像在VirtuoZoSat中建立立体模型的具体方法，基本思路和通常航空摄影测量的作业思路一致，大体可概括为：数据准备、建立测区、建立模型、模型定向、核线生成。

(1)数据准备：需要准备原始影像和加密好的RPC文件，原始影像包括构建立体模型需要的左、右影像(如图1所示)。

图1　TerraSAR立体模型左、右片

(2)在VirtuoZoSat中新建工程文件，设置基本参数(如图2所示)。

图2　新建工程

(3)将原始影像进行格式转换，使之成为VirtuoZoSat可以识别的格式(如图3所示)。

图3　TerraSAR影像引入

(4)模型建立好以后，开始在左、右影像中选择连接点，也就是通常说的相对定向。连接点选择完成后，进行绝对定向计算，要求绝对定向单位权中误差控制在一个像素以内(如图4所示)。

图4　模型连接点选取

(5)由于TerraSAR影像像幅较大，为了用于地形图生产，必须按照一定的范围将立体模型划分为多个子模型，可以根据标准10 000分幅，也可以按照生产的要求进行自定义划分。运行VirtuoZoSat工具菜单中的“创建子模型”，即可按照设定好的划分范围，将原始立体模型划分为多个子模型，同时生成核线影像。

3　试生产情况

3.1　地表要素判读情况

(1)居民地的判读比较容易，特别是城区大面积居民地，由于街区的划分较清晰，根据街区可明确划分出成片的居民地。而城郊、乡镇、农村散列居民地的判读难度较大。主要原因在于TerraSAR影像在色彩反映上没有特别明显的区分，散列居民地由于四周植被、土质的干扰，无法清晰准确地加以区分(如图5所示)。

图5　城区大面积居民地

(2)街区的整体轮廓可以判断，但是无法提取准确的边缘线，这是TerraSAR影像自身特点决定的。从图5可以看出，城区街道线的边缘无法准确判读，房屋、树木等遮盖影像街道边线的提取。

(3)水系的提取相对容易，这也是由于水体对于雷达波的反射情况比较单一、在TerraSAR影像中反映出较深的颜色，如图6中的河流和湖泊，比较容易判读。同时，河流中的桥梁因为反映出较水系为浅的颜色，也容易判读。但是农田地区用于灌溉的水渠在判读上难度较大，经过分析，如果沟渠宽度在3 m以上时，可以直接从影像中提取出轮廓(如图6所示)。

图6　水系

(4)交通要素在地形图中是很重要的，在TerraSAR影像中是否能够准确判读，也是我们最关心的。在经过对影像的仔细分析后发现，公路和铁路的大致轮廓可以根据经验作初步判断。规划较好、铺面平整、较宽的公路是比较容易判读的，铁路可参考相关资料进行判读。但是，从影像中仅仅可以判断公路、铁路的位置，对于公路的路面边线却无法准确提取(如图7所示)，主要原因在于公路边的植被、阴影的遮挡。铁路在1∶10 000地形图中只需要采集中心线，参考相关资料可以准确提取。总的来说，公路和水系一样，只有当宽度达到一定程度以后，才能直从TerraSAR影像直接提取，而农村地区中的乡村路、小路几乎无法判读。

图7　铁路和高速公路

(5)从整个TerraSAR影像反映的地表要素形态来看，植被在其中属于几乎无法判读的一类要素，因此，测绘地形图时，植被采集需要耗费较多的外业工作量来完成。

(6)其他附属要素、独立地物均属于无法判读的要素，需要野外实地核查。

3.2　高程信息提取情况

(1)平坦地区反映地貌状况时较多的采用高程点和地貌符号，可少量采集等高线，平坦地区按照每km2采集20个高程点的密度采集，山地按照每km215个高程点的密度采集。试生产过程中发现，TerraSAR影像构建的立体模型，其立体效果远不如光学影像好，提取高程信息的难度较大。

(2)山地需要按照5 m等高距采集等高线，由于TerraSAR采用的是侧视投影，在高差起伏较大的地区采集影像时，需要在山体两侧分别采集，其过程通常称为升轨和降轨，如图8所示。

图8　升、降轨影像获取

因为TerraSAR获取影像的这种特点，在采集山地等高线的时候必须利用升轨影像和降轨影像对山体的两侧分别采集，这在实际生产中不利于生产效率的提高。

3.3　精度情况

试生产中采集了完整的一幅标准1∶10 000分幅地形图，实地面积约23 km2，采集的要素包括了居民地、水系、交通、等高线、高程点这几类可以在影像中直接判读的要素，利用四川省空间框架建设项目加密成果中提取的20个备查点，分别对地形图数据的平面和高程情况进行精度评估，如表2、表3所示。

表2　平面中误差统计　m

通过对平面、高程中误差情况的分析，利用TerraSAR影像采集的1∶10 000地形图平面精度能够满足1∶10 000地形图生产规范的要求，而高程精度情况不够理想，基本只能满足高山地精度要求，需要进一步研究和改进。

表3　高程中误差统计　m

4　与光学成像影像的比较

TerraSAR影像由于自身特点、以及成像方式和光学成像影像有所不同，在地形图生产中在成本、质量、效率等方面均有较大的差别，具体见表4。

表4　TerraSAR影像与光学成像影像的技术对照

从表4的比较可以看出，地形图生产中，TerraSAR影像相对于光学成像影像仅仅在影像获取难度、获取成本、加密等方面具备一定优势，在对于地形图最关键的精度问题上劣势明显，而生产效率也不够理想，需要进一步的探索技术解决方案。从以上结果也能够看出，在西部受云雾影响的高山地区可以使用TerraSAR影像开展1∶10 000地形图的生产。

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