融合测绘类核心课程的雷达干涉测量教学研究★

王 帅，王 彬

(南京工业大学测绘科学与技术学院,江苏 南京 211816)

0 引言

自20世纪50年代起,合成孔径雷达干涉测量(Interferometric Synthetic Aperture Radar,InSAR)的理论与技术持续迅速发展,如今已成为不可或缺的对地观测手段[1-2]。作为一种主动遥感观测方式,InSAR具备全天候、全天时、高分辨率、大范围和可回溯性等优势,已在地质调查、地理国情监测、地形测绘、地震地质灾害监测以及国防建设等领域得到了广泛应用[3-6]。特别是随着SAR卫星数量的增加和数据开源政策的完善,InSAR地表形变监测已从机遇性的观测逐渐演变为常规例行监测,极大地扩展了InSAR的应用领域,同时掀起了InSAR研究的热潮。

随着合成孔径雷达干涉测量应用范围的不断扩大,为满足实际需求,培养专业人才,国内高校如武汉大学、中山大学、中国矿业大学和南京工业大学等相继开设了与“合成孔径雷达干涉测量”有关的课程[7-12]。如今,InSAR已经飞入寻常百姓家,深受高校学生的追捧。然而,“合成孔径雷达干涉测量”作为一门学科交叉度高和实践性强的课程,其学习门槛较高,学生常常面临学习兴趣不高、关键知识掌握不牢、数据处理实践能力不足等问题。为提升教学效果,实现人才培养目标,本文探讨了将合成孔径雷达干涉测量课程与测绘类核心专业课程主干知识相融合的教学模式。接下来首先介绍“合成孔径雷达干涉测量”课程特点和教学设计,接着以本课程图像配准为例,着重介绍融合测绘类核心课程的合成孔径雷达干涉测量教学方法,并总结在教学实践中遇到的问题和思考,最后给出结束语。

1 合成孔径雷达干涉测量课程特点

南京工业大学的“合成孔径雷达干涉测量”课程位于测绘科学与技术学院测绘工程专业的专业选修课程群中,开设在大学四年级的第一学期。该课程的核心目标在于阐述合成孔径雷达干涉测量的基本原理,并侧重介绍利用合成孔径雷达观测数据提取地壳变形的方法。通过这门课程,学生将理解合成孔径雷达的重要概念,并培养处理雷达遥感数据的能力,从而掌握这一测绘新技术,拓宽自己的知识领域。此外,课程还旨在唤起学生对科学钻研的热情,培养创新思维和实际操作能力,使他们能够在未来的职业岗位上从事雷达干涉测量数据处理与分析工作,以及为未来的职业发展和相关研究打下坚实的基础。

“合成孔径雷达干涉测量”课程具备两个主要特点:强烈的交叉性和实践性。交叉性主要体现在多个学科和领域之间的交叉融合,具体表现为:

1)雷达技术与地球科学:合成孔径雷达涉及雷达信号处理、图像生成等技术,同时在地球科学中应用于测量地球表面的变形等。因此,在进行信号处理和变形结果分析与解释时,学生需要深入理解这两个领域的知识。

2)测绘类核心课程知识体系:InSAR作为一种主动遥感测量方式,需要学生具备一定的遥感基础知识;同时,其用于测量地表变形,涉及大地测量学原理等知识;处理InSAR观测中的误差要求学生掌握误差理论与测量平差方面的相关知识。此外,学生还需要了解地图投影和坐标系统等知识。

3)计算机科学与人工智能:当前已经进入InSAR大数据时代,计算机科学和人工智能技术在加速处理InSAR大数据方面发挥着重要作用,学生需要具备扎实的计算机编程能力。

4)物理学与大气科学:大气的折射和吸收会影响InSAR的观测结果,因此理解物理学和大气科学的基本原理对改正InSAR观测中的大气相位等误差至关重要。

由于“合成孔径雷达干涉测量”课程涵盖了深入、复杂的雷达技术和测量原理,因此本课程还强调实践的重要性,要求学生通过实际操作运用课程中抽象的概念和高级技术。从最初的原始数据获取,到数据的处理,再到最终的结果解释和实际应用,学生需要在每个环节展现出高度的实际操作能力。只有通过相关实践的锤炼,学生才能够更好地将合成孔径雷达干涉测量理论知识转化为切实可行的解决方案,从而为未来的职业发展奠定坚实的基础。

2 本课程主要教学内容设计

南京工业大学的测绘工程专业开设了名为“合成孔径雷达干涉测量”的课程,从深入基础、强调应用和培养创新的角度出发,本课程采用了以课堂教学、实践教学和课外分组讨论并重的多元教学模式,课程教学安排涵盖32学时,其中课堂教学占24学时,实践教学占8学时。

在课堂教学部分,课程内容设计从InSAR发展历程的脉络、SAR基础知识,到InSAR基本原理、数据处理的基本步骤,以及时序InSAR分析技术和实际应用案例等方面展开,具体教学内容详见表1。这一部分旨在为学生构建对于InSAR的整体认知,从而为后续实践教学和课外分组讨论提供坚实基础。实践教学环节则涵盖影像配准、相位解缠、相位滤波和实际案例应用等四个关键内容。通过这些实践项目,学生能够将所学知识融会贯通,深入理解实际应用,掌握完整的InSAR数据处理流程,实践教学内容详见表2。另外,课外分组讨论部分则聚焦于InSAR数据处理的关键步骤,例如影像配准、相位解缠、干涉图滤波等。学生将在课堂讲解、课外引导以及相关文献和程序阅读的支持下,通过编程的方式实现、复现相关计算程序,深入理解和掌握这些关键技术。这样的分组讨论有助于鼓励学生积极参与,培养他们的自主学习和合作精神。

表1 “合成孔径雷达干涉测量”课程课堂教学内容设计

表2 “合成孔径雷达干涉测量”课程实践教学内容设计

通过综合运用课堂教学、实践教学和课外分组讨论等多元教学手段,“合成孔径雷达干涉测量”课程不仅在理论层面进行了系统讲解,更通过实际操作和编程练习,让学生能够真正掌握InSAR技术。

3 融合测绘类核心课程的合成孔径雷达干涉测量教学模式

合成孔径雷达干涉测量融合了合成孔径、雷达和干涉测量三项技术,是一项高度复杂的数据处理技术,涵盖多学科领域的知识,包括雷达技术、信号处理、数学、物理和地球科学等,这种多学科性质通常会让许多初学者望而却步。InSAR通常需要处理大规模的雷达图像数据,该过程涉及多个复杂的数据处理步骤,包括数据预处理、图像配准、相位解缠和形变分析等。此外,InSAR数据易受到大气相位等多种误差源的影响,学习者需具备分析这些误差并开发相应校正方法的能力,否则可能会导致学生对课程内容感到困惑。学习InSAR也需要耗费大量的时间和精力,这可能会降低学生的学习兴趣。总体来讲,InSAR学习具有较高的门槛要求,这可能会导致学生对课程的兴趣不高、学习效果参差不齐,以及自主学习效率不高等问题。

学生普遍认为“合成孔径雷达干涉测量”难以掌握的主要原因在于该课程教学与已学测绘类专业核心课程知识存在脱节。然而,通过对本课程的教学内容进行认真研究,不难发现InSAR数据处理的关键步骤与已学测绘类核心课程知识存在紧密联系。举例来说,SAR图像配准涉及多个测绘类核心课程的知识点,如“遥感原理与应用”中的同名点选取[13],“误差理论与测量平差基础”中的间接平差模型的建立、最小二乘求解和粗差剔除等[14]。InSAR中的干涉距离测量与“数字地形测量学”中的相位式测距仪原理相似[15]。干涉图滤波去噪与“误差理论与测量平差基础”中的误差特性,以及“工程测量”中的多次测量求最优观测值[16]的思想密切相关。InSAR中的相位解缠与“卫星导航定位原理”中的整周模糊度固定思想相似[17]。SAR干涉图中的大气相位与“卫星导航定位原理”中的GNSS对流层延迟概念类似。另外,SAR影像的地理编码与“大地测量学基础”中的坐标变换思想一脉相承[18]。综上所述,通过将合成孔径雷达干涉测量的内容与已学测绘类核心课程紧密结合,学生能够更加流畅地掌握相关知识,提高学习效率,克服学习中的难点和挑战,从而迈过“合成孔径雷达干涉测量”课程的高门槛。

为更好地帮助学生吸收新知识、理解和掌握InSAR关键数据处理步骤,本课程引导学生对已学的专业核心知识进行回顾,通过运用已学的测绘类核心课程知识处理InSAR数据。如此以来,学生可以实现对测绘类课程知识的实际应用,同时通过实际操作实践巩固已学知识。下面以融合遥感影像同名点选取、大地测量坐标转换和测量平差最小二乘求解的SAR影像配准为例,详细描述融合测绘类核心课程的合成孔径雷达干涉测量多元案例式教学方法。

SAR系统采用单天线重复轨道工作模式,即卫星一次通过目标区域时只能获取一幅观测影像。为了获取目标区域的多幅观测影像,卫星需要以一定的时间间隔重复通过该地区。然而两次经过同一地区时,卫星所处的轨道位置并不会完全相同,会有一定的轨道偏移,导致获取的影像在空间上并不完全重合。因此,为了后续数据处理需要,需要对获取的影像在空间上进行配准。SAR影像配准是确保两幅或多幅SAR影像在空间上对齐的过程,是干涉测量处理的首要步骤,其核心思想是计算构成一个干涉对的两幅SAR影像同名点的坐标转换关系,将待配准影像按照坐标转换关系转换到与参考影像相同的像素格网下,使两幅影像的同名点对应于同一地面分辨单元[19]。一般来说,SAR影像的配准精度至少要达到1/8像元,否则两幅影像将完全失相干,从而干涉时不能生成干涉条纹,也就无法进行干涉测量。为满足这一要求,SAR图像配准一般包括三个步骤:控制点选取;粗配准;精配准。

1)控制点选取。无论是粗配准还是精配准,控制点选取都是至关重要的一步,这一过程类似于“遥感原理与应用”中的同名点选取。在粗配准阶段,需要从两幅SAR影像中识别出一小部分同名点。根据这些同名点计算出对应于同一地面分辨单元的像素间的坐标偏移量,据此对待配准影像进行空间上的平移,以实现参考影像与待配准影像的同名点大致对应于地面上的同一分辨单元。

控制点选取是SAR影像配准过程中的关键环节,合理的方法和精准的选点有助于确保影像之间的精确对齐,从而为后续的数据处理和分析提供可靠的基础。通过引入前期学习的“遥感原理与应用”课程中的同名点的概念、选取方法和策略有助于学生理解InSAR中的控制点选取方法。一般而言,InSAR中会选取参考影像中振幅较大的点作为控制点,然后根据卫星轨道参数和InSAR几何关系,计算出控制点在待配准影像中的对应同名点。

2)粗配准。在参考影像和待配准影像中确定控制点后,即可根据式(1)计算出待配准影像相对参考影像在行、列方向上的坐标偏移量,这相当于“数字测图原理与应用”课程中计算待测点和已知点间的坐标增量,即:

(1)

如果控制点个数大于1,那么行、列方向的偏移量Δrow和Δcol为各个控制点偏移量的均值取整。

根据待配准影像相对于参考影像在行、列方向的坐标偏移量,对待配准影像进行行、列方向的平移操作,其数学实现方式是对该影像中的每个像素的行坐标和列坐标减去相应的坐标增量(见式(2))。这个过程可以实现两幅影像在空间上的粗对齐。

(2)

3)精配准。除了影像的平移外,“遥感原理与应用”课程还讲过影像的旋转和畸变差异。因此,虽然以几何平移方法所实现的影像粗配准能够在一定程度上纠正由于轨道偏移等因素引起的影像错位,但粗配准尚不能解决影像间所存在的旋转、畸变差异等问题。因此,为了满足雷达干涉测量对1/8像元配准精度的要求,还需在粗配准的基础上对影像进行精配准。精配准是在粗配准的基础上,在参考影像里自动均匀布设控制点,再按某种相似性法则(如相干系数法、最大频谱法)等从待配准影像里搜索出与它们对应的同名点的精确位置,进而建立参考影像与待配准影像间的坐标转换关系,最后对待配准影像进行坐标变换和像元值插值重采样,从而实现精配准。

假设用相干系数法搜索出了K个坐标对,并计算出K个坐标对之间的行列坐标偏移量。在建立坐标转换关系之前,需要先对计算出的坐标偏移量进行统计分析,并剔除行列坐标偏移量中的奇异值及其对应的坐标对。这个过程类似于“误差理论与测量平差基础”课程中的粗差探测。

在剔除粗差获得一系列可靠的坐标对及其相应的坐标增量后,采用多项式建立参考影像与待配准影像之间的坐标转换关系。这里坐标偏移量是观测值,多项式系数是待求参数,自变量是像元的行列坐标,根据“误差理论与测量平差基础”所学知识可以列出观测量与待求量之间的间接平差模型,如式(3)所示:

(3)

其中,ai,bi均为多项式待求系数;rowm,colm分别为像元在影像中的行、列坐标。

基于经粗差剔除后的坐标对间的坐标偏移量,利用“误差理论与测量平差基础”中的最小二乘法求解方法即可计算出多项式拟合系数。在此基础上,根据参考影像中像元的行列坐标即可计算出每一像元所对应的坐标增量,即可完成两幅SAR影像的精配准。

综上可见,SAR影像的配准过程用到了“遥感原理与应用”课程中的同名点选取、“数字测图原理与应用”课程的中坐标增量计算、“误差理论与测量平差基础”课程中的间接平差模型的建立、最小二乘求解和粗差剔除等测绘类核心课程知识点。通过这种融合测绘类核心课程知识点的教学方法,学生能够将已学知识应用于实际问题的解决,从而深刻理解InSAR数据处理步骤。同时,这种教学方法也能够激发学生的创新思维,培养他们将多领域知识融合应用的能力,为将来在复杂领域中的实际应用做好准备。

4 教学实践中遇到的问题和思考

合成孔径雷达干涉测量是测绘遥感领域中的一个新兴研究方向,尽管各高校已陆续开设“合成孔径雷达干涉测量”课程,但迄今为止仍缺乏一本完全适用于测绘工程专业的教材。因此,为了确保“合成孔径雷达干涉测量”课程的教学内容与专业核心课程之间保持一定的系统性和连贯性,更好地引导学生学习,编写一本融合测绘核心课程特点的“合成孔径雷达干涉测量”教材显得至关重要。此外,为更好地支持学生的学习和实践,编写对应的实习手册并提供相关的数据处理程序也是当前的紧迫任务之一。这样的教材和实习手册将有助于学生串联起所学知识,从而形成一个有机的知识体系。

在当今学校教学设备不断现代化的环境下,多媒体教学已成为主流的教学方式。然而,这种教学方式可能会导致课堂上师生互动不足,影响课堂教学效果。因此,在课堂教学和课下引入分组讨论模式显得十分重要,通过教师的引导以及同学之间的深入讨论,激发学生自主学习的能力,同时培养他们的表达和沟通技巧。这种教学方式有助于打破传统的教学模式,促进师生之间和学生之间更紧密的互动,提升整体教学质量。

“合成孔径雷达干涉测量”课程具有强烈的实践性,因此,课程需要设计理论教学之后的实验环节,旨在将理论与实践有机地结合起来。通过这种实践性教学,有助于培养学生的团队合作精神、创新思维、自主学习和解决复杂问题的能力,为他们未来在雷达干涉测量领域以及其他相关领域的职业发展奠定坚实的基础。

5 结语

合成孔径雷达干涉测量以其全天候、全天时、低成本、广覆盖、高精度、可回溯等优势已在地质调查、地理国情监测、地形测绘以及地震地质灾害监测等领域得到广泛应用,并取得了显著的成就,这引起了相关行业的广泛兴趣,进而导致了社会对精通合成孔径雷达干涉测量的高素质人才的需求不断上升。为满足这一需求,相关高校陆续开设与“合成孔径雷达干涉测量”有关的课程。然而,“合成孔径雷达干涉测量”课程学习门槛相对较高,教学过程中常常面临学生学习兴趣不高、关键知识掌握不牢、实践能力不足等问题。本文探讨了融合测绘类核心课程的合成孔径雷达干涉测量教学模式研究,旨在提升教学效果,实现人才培养目标。