INSAR提取地面高程信息的实验研究

冯 强

北京同创达勘测有限公司，北京 100048

利用合成孔径雷达干涉测量（INSAR）技术快速获取高精度数字高程模型（DEM）是目前INSAR技术的广泛应用之一。它在地信测绘、地表变形监测、冰川运动研究等方面都表现出了全天候、全天时、不受大气和气候影响、高精度高效率等突出优势。

目前，世界上有许多科研及应用单位致力于SAR干涉技术及其应用实践和软件的开发，比较著名的事Earthview、Gamma等，本文立足国内研发的软件，利用中国测科院研究开发的软件进行INSAR技术提取DEM实验，发现该方法易于掌握且效果较好。

1 INSAR的基本干涉原理

INSAR获取数字地面DEM技术的基本激光干涉原理，主要是利用同区域，具有激光条纹干涉几何构成模型成像能力，两幅或者多幅SAR天线，获取同一地区具有一定视差的两幅图像，该图像是有干涉信息，同时也是单视复数主辅图像，并根据其干涉相位信息进行分析计算，用最小范数反演出地面的高程数值，从而建立该地区的DEM[1]。

本实验采用的是双天线INSAR系统，即在SAR平台上（飞机）安置两（多）幅SAR天线，其中一幅天线向地面发射雷达激光波，另外的两（多）幅天线，在同时相内，接收雷达波到达地面后的向散射反射辐射回波，从而得到相应同区域的两（多）幅单视复数主辅辐射图像。采用该方式可以同时获取同一区域的主、辅含干涉波的数字辐射图像，这样的回波图像具有的相干性很好的特性，可以利用干涉的波谱原理进行处理、分析和应用。

2 INSAR数据图像处理一般流程

INSAR获取数字DEM工作流程主要包括：地理配准复数主辅图像、生成雷达干涉主辅影像图匹配、评价雷达干涉图像质量因子、去平地雷达效应、地雷干涉图像滤波、相位干涉解缠、双基线计算与干涉参数确定、数字DEM采集和重建等。

2.1 复数图像配准

对于机载双天线INSAR主、辅图像的配准，由于干涉主辅图像之间的之间存在相对偏（平）移，但偏移量较小，可以通过轨道参数进行计算减弱，可采用数值一级像元级匹配、子像元级二级灰度匹配和地理配准模型计算三步完成配准工作。

2.2 干涉图生成

利用回波干涉影像计算出的基准地理影像配准后的模型，对主、辅雷达图像进行重采集采样，并将主、辅图像的同名相应像元的复数值进行向量共轭相乘，加入非平行轨道情况的多高程点基线估计方法，计算干涉图。

2.3 评价干涉影像质量因子

为了评价雷达影像干涉质量因子好坏并为干涉滤波和后续激光相位解缠提供参考依据和数值参数，从而计算出干涉质量图文件。

以上三步可通过软件输入原始图像、参数文件，同时进行计算，计算结果见图1～3所示。

图1 原始机载SAR图像

图2 干涉图

图3 干涉质量图

2.4 去平地效应

由于采用双天线的情况，图4干涉影像图的条纹，明显能看出表现为基本竖直，且基本平行的条纹纹理，对这些干涉条纹进行基础处理，经一步降低了雷达干涉图像的条纹几何频率，减小干涉图像滤波和相位解缠的难度系数，利用计算的参数文件对干涉图进行去平地效应工作，并计算平地干涉相位。

图4 去平地干涉图

2.5 干涉图滤波

为减少干涉图像里的相位噪声，干涉图像采用滤波前和后干涉相位的均方差来评价干涉图滤波相位保持精度的策略，从而降低（减弱）相位解缠的难度，可通过人工输入滤波指数进行调整，实现精度较高、效果较好的滤波效果。

2.6 相位解缠

从干涉条纹图像中，只能得到该相位的主值，它实际是以2π为模的不足一个周期内的相位差，但每一次的单个测量值的整数相位周期却不能从信号中得到（整周期）。为了重建数字DEM，需要恢复丢失的整数相位周期（整周模糊恢复），这一过程就是相位解缠[4]。

相位解缠作为INSAR技术中关键步骤，一直是INSAR数据处理中的难点和热点问题，常用的方法有枝切法、最小费用流等方法，相位解缠处理后的相位图如图5所示。

图5 解缠后的干涉图

2.7 基线估计与干涉参数定标

为了精确地进行基线估计或干涉参数定标，本次实验是利用的已有的地面控制点文件，计算相应地面的高程信息。

2.8 DEM重建

通过对干涉图像的配准、干涉图生成、去平地效应、干涉图滤波、相位解缠和相位高程转换等处理获得了地面点的高程信息后，根据主（辅）影像的像点坐标和定标参数，经过投影变换，把高程模型投影到相应坐标系下，最后根据要求进行格网化间距重采样得到标准的DEM，DEM成果。

3 结语

（1）通过实验分析表明，利用INSAR技术进行DEM的快速提取，已成为解决困难地区快速获取地形图和更新的重要手段之一，该方法可靠，有效。

（2）INSAR技术应用尚面临诸多困难：例如高山区域和城市地区的干涉处理与精确高程反演困难。例如叠掩、阴影的存在，容易导致干涉处理困难、高程精度低等情况。

（3）基线估计是难点。本次实验是利用的已知的控制点进行了基线估计或干涉参数定标。对于控制点布设困难地区，干涉测量精度可能会受限。

[1] 肖国超，朱彩英.雷达摄影测量[M].北京：地震出版社，2001.

[2] 靳国，徐青，张红敏.合成孔径雷达干涉测量[M]. 国防工业出版社，2014.

[3] 靳国，徐青，何钰.机载双天线干涉SAR图像的自动匹配[J].仪器仪表学报 （zl），2006：794-795.

[4] 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.