INSAR高精度DEM提取方法及其精度分析

朱俊聪



INSAR高精度DEM提取方法及其精度分析

朱俊聪

（昆明理工大学国土资源工程学院，云南 昆明 650093）

数字高程模型（DEM）可以传达出所需要的地形、地貌及一些专题信息。因此获取高质量的DEM特别重要。随着科学技术的不断发展，InSAR技术也在不断的更新发展，目前使用InSAR技术提取数字高程模型已经越来越普遍，InSAR技术可以提供，大量、高速、高分辨率的数据。本文从合成孔径雷达干涉测量技术的原理出发,详细的描述InSAR技术获取DEM的技术流程，之后对实验结果进行精度分析，证明InSAR技术提取DEM是可行的，最后分析InSAR提取DEM的误差来源及不足之处。

InSAR技术；DEM；系统误差

0 引言

数字高程模型(DEM)可以表达我们所需要的地形、地貌及一些专题信息。之后利用DEM制作出研究区域所需要的专题地图。目前获取DEM的手段包括外业采集，摄影测量和地形图数字化，这些方法都有一个缺陷就是在获取大范围的数据时所需要的周期长无法高效的获取数据。然而随着科学技术的日益发展，目前可以通过合成孔径雷达干涉测量（INSAR）技术高效的获取高精度数字高程模型（DEM），InSAR技术是利用雷达系统获取同一地区两幅SAR影像所提供的相位信息进行干涉处理，来获取地表的三维信息，可以建立目标地区的数字高程模型。Insar技术具有不受天气影响，全天候，全天时，高效率，高分辨率等优势。InSAR如今已大量运用在地形测绘上，比如地表形变的监测、灾害的监测、冰川的运动监测、森林的资源调查监测、农业中的监测和地形的制图等各个领域得到了大范围的使用，然而怎样高效的运用InSAR技术大范围的提取高精度的数字高程模型任然需要不断改进。本文从InSAR高程测量的原理出发，探讨获取DEM的技术流程，设计出一套InSAR生成DEM的方案，并提出InSAR获取DEM的不足之处[1-4]。

1 InSAR的基本原理

InSAR获取DEM的基本原理为下，通过同一研究区域，利用激光条纹干涉使其构成几何模型的成像，拥有两幅或者两幅以上的SAR天线，采集同一研究区域拥有视差的两幅图像，这些图像具有干涉信息，而且两幅图像是单视复数主辅图像的关系，之后利用它们的干涉相位信息逐步解析，地面的高程数值利用最小二乘法反演得出，因此就获取了研究区域的数字高程模型（DEM）[6]。

图1 干涉雷达几何示意图

如图所示A1和A2为测量时天线各种所在的位置，S为所探测的研究对象，H是A1到大地参考面的距离，目标S到大地考面的距离是h；天线各自之间的距离是B，也叫做基线长度；水平线和基线之间的夹角α；其中A1天线的夹角为θ；目标点S到天线A1的距离为R1，到天线A2的为R2。

三角形A1A2S使用余弦定理：

所以

天线A1、A2到观测点S的斜距差为天线A1、A2到点S的实际量测相位差为ε，得：

（3）带入（2）得：

把（4）代入（5）得：

从（6）式我们可以看出确定了H、、、、B、，就可以输出目标点的高程。

2 InSAR技术获取DEM的技术流程

通过InSAR技术获取目标区域DEM的步骤包括:聚焦模块、SLC数据对的基线估算、生成研究区域干涉图、干涉图去平、干涉图滤波，之后生成相干系数图、相位解缠相位编辑、轨道精炼重去平、相位转高程地理编码最后得到数字高程模型；特别重要的步骤为复SLC数据对的配准、干涉图的去噪以及相位的解缠。通过InSAR技术获取目标区域DEM的具体流程如下图所示：

图2 处理流程图

本文以横断山脉最为研究区域。实验所用的数据为COSMO SkyMed SLC数据像对，数据的极化方式为：HH极化，天线的入射角：43.95°，范为：4060´6130 pixels（约为12´18 km2），其中像元间隔：3´3 m，辅助数据：90米分辨率的SRTMDEM。处理数据所用的软件为ENVI。

2.1 图像配准

图像的配准主要有粗度和高精两个配准步骤组成。配准之前首先进行基线估算，对两景数据进行基线估算，从像对轨道参数中得到基线估算结果，估算数据是否符合做InSAR提取DEM，看相干性，相干性越高高程精度越大。然后利用相干系数法对两幅影像进行处理[5]。

相干系数法是利用两幅影像的特点进行匹配，由从前的相关匹配的方法发展传承，对于信噪比高的地方能发挥较好的效果，相比于其他方法运算简便高效，成为了最为普遍的方法。此方法不仅考虑了SLC的振幅信号而且考虑到了相位信号，在配准方面较为精准[8]。

2.2 干涉图生成

实部和虚部共同构成了SAR图像上的各个像素，所以SAR图像为复数图像，不仅包含了回波信号的相位信息而且包含了相位信息。对主影像和从影像进行配准，之后对从影像再次重采样，然后对SAR主影像和从影像所一一对应的像素通过共轭相乘之后生成干涉图。实验中先进行SAR单视复图像对的配准，之后进行方向位和距离位的预滤波处理，再进行滤波后的主图像和辅图像之间进行复共轭相乘，就得到实验所需要的干涉图。也就是在辅图像上匹配和主图像反应同一地物每一个像素点，称之为同名点。

2.3 平地相位消除

实验中为了使相位处理变得简便，就使用去平地的方法需要对干涉相位处理。平地效应消除方案使用的方法主要有以下两种:一种是基于轨道参数的数值计算方法另一种是条纹主频率估计法。第一种方法能狗真正意义上的去除平地效应，然而这种方法需要高精度的轨道参数以及目标中心位置参数，如果存在一定的轨道误差，通常会产生一些新的干涉条纹，这种方法计算量大繁琐；本文采用的去平地效应的方案是利用条纹率和平地相位两者的关系。此算法简便高效，可以较有效的去除平地效应，是一种常用的方法。

2.4 相位解缠

利用InSAR技术提取DEM的重要步骤就是相位解缠。相位解缠将直接影响到实验提取DEM的精度。相位解缠就是把相位由主值(区间为(-p，p])恢复到真实相位值的过程。本文相位解缠方案使用的是改进的最小费用流法，设置一个不太大的相关性阈值（0.15和0.2之间）。

2.5 轨道精炼重去平

选择控制点进行轨道精炼和重去平，期间如果轨道参数不够精确，影响从干涉相位转变为地形高度，之后使用GCP重新定义基线参数，然后计算相位偏移（如获取绝对相位值），之后重新修改解缠图像的头文件中的轨道参数，就可以得到较好的轨道精炼和重去平的结果。

2.6 相位高程转换

相位转高程就是运用观测时天线斜距、载体轨道参数还有选择一些控制点的斜距、相位信息来反演出斜距域高度的信息。本文相位转高程步骤使用的是高程模糊度法。此方法采用的计算方法是迭代，一点点的靠近各个像点的高程的真值，所以得到的高程精度较高。也是经常作为相位转高程的计算方法。

2.7 地理编码

地理编码就是高程反演的过程使用观测时天线的斜距、载体轨道参数并且选取一定控制的斜距、相位信息反演斜距域高度信息。也就是把雷达的坐标转化为地理坐标的过程称之为地理编码。本文采用的是向地理编码转换坐标。使用提前下载好的目标区域的数字高程模型，把雷达坐标转换为地理坐标，取数字高程模型的栅格点一一匹配在SAR图像上，就完成了地理编码方案。实验经过聚焦模块、SLC数据对的基线估算、生成研究区域干涉图、干涉图去平、干涉图滤波，之后生成相干系数图、相位解缠相位编辑、轨道精炼重去平、相位转高程地理编码最后得到数字高程模型（DEM）。如图3所示[7]。

图3 处理结果DEM

3 精度分析

实验利用软件ENVI生成DEM，在处理数据时所使用的参DEM为90米分辨率的SRTM DEM，因此实验结果中存在着绝对高程，并且在空间上和参考DEM对等。精度分析利用InSAR技术提取DEM与90米分辨率的SRTM DEM来对比，就可以清晰的看出InsSAR技术提取的DEM分辨率和精度。实验所生成的DEM分辨率为15米。

3.1 分辨率对比分析

在坐标轴中主意标出每一个点的高程就是所谓的DEM的实质，实验图中的坐标是由无数个矩形所组成的。这些矩形的长为DEM的分辨率。分辨率数值越小，分辨率也越高，描绘的地形准确度也越高。实验利用ENVI生成的数字高程模型分辨率是15m，提前下载的已知DEM为90米分辨率的SRTM DEM，这两个数字高程模型都可以描绘我们所需要的地形、地貌的纹理特征，如图4所示。

图4 原图（左）和InSAR获取DEM（右）

如图所示，将实验结果局部放大左半部分为90米分辨率的SRTM DEM，右半部分为InSAR技术提取的DEM，可以明显看出90米分辨率的地形细节不是很精细

3.2 平均分辨率分析

用ENVI生成的数字高程模型用ENVI进行掩膜分析平均分辨率，如图5所示，最小值为3.3最大值为67.1平均高程分辨率为5.3。从直方图可以看出绝大多数为3.8.所以用InSAR来提取DEM是可行的。

图5 平均高程分辨率

4 InSAR技术提取DEM误差分析

用InSAR提取的DEM精度较高，然而获取的DEM结果仍存在一定的误差。以下几点为产生误差的原因。

4.1 SAR图像获取间隔

实验获取的SAR图像具有一定的时间周期间隔，在周期间隔里可能产生一定的形变量。如果在时间间隔中地形产生了形变将会直接影响到InSAR提取的DEM的精度。因此实验在获取两幅SAR影像时时间间隔应尽量的短，提取的DEM的精度也就越高。

4.2 失真现象

如图6所示，灰黑色部分误差较大多数为山脊，误差区间为7~13 m之间。因为山脊部分高低起伏严重，所以会有透视收缩现象发、山顶和山底有一定阴影现象发生。实验在InSAR获取DEM的过程中，未曾矫正此等失真现象，因此山脊的地方误差明显；还有另一个原因为山区植被茂盛，对相干性产生了影响，这也将对实验结果产生一定的误差[9-13]。

图6 处理结果分析

4.3 参考DEM引起误差

实验InSAR提取DEM的过程，为了将结果DEM高程为绝对高程，实验选择90米分辨率的SRTM DEM。然而参考DEM的精度会直接影响到结果DEM的精度。所以在进行实验的时候，应该尽量选择精度较高的参考DEM，参考DEM的精度越高，利用InSAR技术提取DEM精度也越高。

5 结论

通过实验证明使用INSAR技术大范围的提取DEM方案是可取的，该方法可以做为大范围简便获取高精度地形图以及更新的方法之一，此方法提取的DEM精度较高。然而利用InSAR提取高精度的DEM仍然存在着一些问题亟待解决，比如SAR图像的获取需要一定的时间周期间隔，在周期间隔里就会产生一定的形变量，如山脊部分高低起伏区域和高楼大厦的区域需要的干涉处理和精确高程的反演有一定的难度叠掩、阴影等的存在，可能会降低干涉处理的精度影响实验结果。参考DEM的精度也会直接影响到结果DEM的精度[14-17]。

相信随着科学技术的不断发展InSAR技术也在不停的更新发展，使用InSAR技术提取数字高程模型将会越来越普遍，然而要使InSAR技术提取DEM变的更加精确无误并且被大范围的使用，仍然存在着某些问题亟待解决。

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Methods on High-accuracy DEM Extraction from Interferometric SAR and Its Accuracy Analysis

ZHU Jun-cong

(Faculty of Land Resources Engineering,Kunming University of Science and Technology, Kunming 650093)

The model of Digital elevation (DEM) can convey That Our needed topography, landform and some thematic informations. Therefore, How to obtaining high-quality DEM is particularly It is important That with the continuous development of science and technology, InSAR technology has been constantly updated and developed. At present, it is more and more common to use InSAR technology to extract digital elevation model. InSAR technology can provide a large amount of date, high-speed and high-resolution data. Based on the principle of synthetic aperture radar interferometry technology, this paper describes in detail the technical process of InSAR technology to obtain DEM, then conducts precision analysis of experimental results to prove that InSAR technology is feasible to extract DEM, and finally analyzes the error sources and deficiencies of InSAR technology to extract DEM.

InSARtechnique; DEM; Systemerror

TP751

A

10.3969/j.issn.1003-6970.2018.10.032

朱俊聪(1993-)，男，昆明理工大学国土资源工程学院硕士研究生，研究方向为3S集成及应用与地理信息系统。

朱俊聪. INSAR高精度DEM提取方法及其精度分析[J]. 软件，2018，39（10）：170-174