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摘要：本文介绍我国机载干涉SAR系统及测绘应用概况,介绍机载干涉SAR生成DEM、SAR正射校正、地形引起的SAR后向散射畸变校正、机载SAR图像解译、雷达图像与光学影像的融合、雷达“空中三角测量”等关键技术研究进展。最后,介绍机载干涉SAR系统在某试验区的测绘制图实验情况。
关键词：机载SAR;干涉测量;正射影像图(DOM);数字高程模型(DEM)
“机载干涉SAR(SyntheticApertureRadar)测绘制图应用系统”是获得国家科技进步一等奖的“先进机载合成孔径雷达关键技术与装备的开发应用”的一个重要组成部分。该系统在机载In-SAR(SyntheticApertureRadarInterferometry)生成DEM(DigitalElevationModel),SAR影像正射校正、地形引起的SAR后向散射畸变校正、机载SAR图像解译、雷达图像与光学影像的融合、雷达“空中三角测量”等方面取得了显著的进展,并在泰山试验区得到验证。其创新性主要体现在高精度机载干涉SARDEM,DOM(DigitalOrthophotoMap)生成等方面。
由于雷达系统具有全天候、全天时测绘能力,机载干涉SAR系统有望解决我国多雨、多云雾等测绘困难地区数据源问题。但是,SAR影像与目前广泛采用的光学影像区别较大,还未能在我国测绘和相关领域得到广泛应用。本项目取得的进展,使得机载干涉SAR系统向实用化方向迈了一大步,因此希望借此机会向广大测绘和相关领域科技工作者介绍机载干涉SAR系统的研究进展,吸引更多的有识之士来关注、推动机载干涉SAR的测绘应用及其研究。
1机载干涉SAR系统测绘应用现状
合成孔径雷达/合成孔径雷达干涉测量作为对地观测系统中核心的信息获取与处理技术之一,具有全天时、全天候、穿透性、精度高、自动化程度高等特点,成为当前测绘困难地区数据获取的重要手段之一,而且特别适合于多云雾地区的地表信息获取、突发性灾害(如洪涝、地震、火山爆发和山体滑坡等)灾情快速获取、地壳形变监测等应用。SAR/InSAR地形测量及应用关键技术研究,是地形测绘、自然灾害监测、自然资源调查等空间对地观测技术应用领域的先行基础工作,有着巨大的社会和经济效益,尤其是对于传统的光学传感器成像困难的地区有着特别重要的意义。
机载合成孔径雷达(AirborneSAR)系统可以依据用户需求进行数据获取,且具有大比例尺、高分辨率、高精度、实时获取与处理、机动灵活等特点。集高分辨率、多波段、多极化、干涉、多模式等于一体的机载SAR系统,是目前机载SAR发展的必然趋势。
国际上先进的机载雷达系统绝大多数是双天线系统,与机载单天线雷达系统及星载雷达系统相比,机载双天线雷达系统能够避免重复轨道干涉模式中存在的时相失相干问题,在地形制图方面有着巨大的优势。本课题研究机载干涉SAR影像的测图处理软件系统,可以用来快速生成高精度地形数据及雷达正射影像,为解决我国测绘困难地区的测图问题提供新的技术手段。
2机载干涉SAR测绘制图原型系统
2.1????机载双天线干涉SAR生成DEM
机载干涉SAR测绘制图原型系统接受来自机载干涉SAR系统的干涉处理数据,由干涉图绝对相位差生成符合国家测绘产品标准的栅格数字高程模型的技术。其方法主要是:首先采用高程线性拟合和最小二乘法获得各点高程,然后采用引入投影差的多项式法对其进行地理编码。
2.2????SAR正射纠正
原型系统利用InSAR生成的DEM和成像处理参数以及飞行姿态和状态数据对SAR影像进行几何校正以形成制图所需的正射影像,以及在无法获得地面控制点的情况下,进行高精度的几何校正。主要采用两种方法进行SAR正射纠正,一种是基于距离-多普勒模型的正射纠正法,一种是课题组提出的引入投影差的多项式正射纠正法。在稀少或无地面控制点的情况下,提出了新的利用DGPS/INS数据的正射纠正法。
2.3????地形引起的SAR后向散射畸变校正
地形引起的SAR后向散射畸变校正技术研究主要是分析地形对后向散射的影响及其消除技术,以提高SAR影像土地覆盖分类、湿度信息提取等应用处理的精度。方法主要是:首先进行直方图统计和可视化分析,然后进行幅度图像地形改正及基于边界探测的人工地物的幅度改正。
2.4????机载SAR图像解译
这部分研究的目的是通过分析在一定波长、极化方式、入射角条件下的地物要素的后向散射特征,提高SAR影像的解译精度。实验表明:机载SAR影像可以清楚地反映水系、道路(包括铁路、公路等)和植被;在管线方面不如同等分辨率的光学影像,增大了外业调绘工作量;在居民地方面较差,外业调绘比较困难,特别是受到树木或其他地物遮挡时无法判定;境界可以依据相关地物完成调绘。
2.5????雷达图像与光学影像的融合
对纠正后的雷达影像进行目视判读,确立影像上各类信息的目标特征[7,8],并与光学影像进行对比,可以看到两种影像的许多信息和特点能够达到优势互补。例如由于雷达的侧视特点,可以看到影像很有立体感,对于地面上有一定起伏或下陷的小坑塘及一些小路,雷达影像上都表现得十分明显,这是在光学影像上所难以发现的。由于雷达影像所具有的这些特征,将2m分辨率的单波段、单极化SAR影像与SPOT510m多光谱影像融合,结果表明它不仅能较好地保留多光谱图像的光谱特性,同时又能很好地保持SAR图像的高空间分辨率和较强立体感的特性。
SAR影像斑点噪声去除技术方面,通过改进国内外现有的SAR影像斑点噪声滤除方法,原型系统实现了一些经典的斑点噪声滤除算法。
2.6????雷达“空中三角测量”
基于多种构象方程,研究了多种适合于合成孔径雷达影像的多片联合平差方法及区域网空三加密的算法:通过建立雷达影像的像点与对应的地面物点之间的联系方程,将多幅雷达影像构成区域网,使得这个网内包含一定数目可以获取的外围地面控制点,联合整个网内的构像方程并进行平差计算,实现利用外围控制点加密困难地区制图所需的控制点,解决某些人工难以到的困难地区的地面控制信息获取问题。
3某试验区的测绘制图应用实验
某实验区属(高)山地,海拔高度平均825m,高差1415m。其范围是:经度(117o00’~117o04’),纬度(35o58’~36o20’)。项目组在以上实验区获取了2m分辨率的机载InSAR数据,布测了大量的地面控制点,完成了约140km2的InSAR生成DEM,DOM的实验,并进行了精度检查。结果表明,几何精度满足1:50000比例尺地形图精度要求。其中高程精度为对于山地,中误差为8.3m;对于平地,中误差为2.7m。
4结束语
国际上,InSAR技术已在测绘、农业、林业、灾害监测、地质、海岸带资源管理等领域得到了广泛应用。国内InSAR技术研究起步较晚。本文研制的机载SAR测图软件系统,主要目的是解决利用我国机载双天线SAR影像数字高程模型测制、SAR正射影像生成、SAR影像解译及SAR空中三角测量等处理中涉及的关键技术问题,为SAR技术的推广应用打下了坚实的基础,缺陷主要是没有解决稀少控制测量等问题。多波段、多极化、具有干涉能力、多模式且具有高效的商业运营能力的机载SAR系统,是未来机载SAR系统的发展方向,而研制自主知识产权的机载InSAR地形测图系统,也是未来的研究重点。
参考文献
[1]舒宁.雷达影像干涉测量原理[M].武汉:武汉大学出版社,2003.
[2]肖国超,朱彩英.雷达摄影测量[M].北京:地震出版社,2001.