DEM Extraction from InSAR
WAN G Zhi yong, ZHAN G Ji xian, ZHANG Yong - ho ng
摘要 : 重点介绍应用 ERS 雷达卫星数据进行干涉测量提取 D EM 的方法及过程。首先介绍雷 达干涉测量的原 理及数据处理的 流
程 , 然后介绍干涉数据选取时需要考虑的因素 , 最后利用 ER S -1/ 2 单视复数雷达影 像进行试验 , 成 功地提取 DEM , 并 对结果进 行 分析。
SAR 数据 , 干涉 SAR 数据的选择至关重要 , 它的选 ( 2) 择正确与否不仅关系到干涉测量的精度问题 , 还影 响到干涉图的生成, 有时数据选择不合适甚至形成 不了干涉。选择雷达干涉数据主要考虑的因素有: 传感器的类型、 空间基线、 时间基线、 成像时的地形 及大气状况等。对于以 地形测图为目 的的干涉测 量 , 要产生高质量的 DEM, 其垂直基线的选取一般 在 100~ 500 m, 其时间基线的选取要尽可能的短来 减小时间去相关的影响 , 同时选择气候条件比较稳 定的时间( 如无风无雨的夜间) 获取图像。对于干涉 数据的具体选择可以参考 DESCW 软件, 该软件提 供了详细的干涉雷达数据信息, 包括传感器、 获取的
1=
- arcsin
4 B
1
( 4) ( 5)
Z = H 1 - R 1 cos
式( 4) 和式( 5) 揭示了干涉相位差 与高程 Z 之 间的数学关系 , 若已知天线的位置参数和雷达成像的 系统参数等 , 就可以从 计算出地面的高程值 Z 。 如图 2 所示, 干涉雷达提取 DEM 一般可分为高精 确配准、 干涉条纹图生成、 去平地效应、 相位噪声的滤 除、 相位解缠、 相高转换、 地理编码等几个步骤[ 8] 。 雷达干涉测量采用单视复数 ( SLC) 影像数据 , 它的最大特点是应用雷达相位信息来进行精确的提 取 DEM 或者进行地表微小形变的测量 , 而 应用雷 达强度信息进行配准。
获取日期 轨道号 景号 列数
ERS - 1 SA R SL C 1996 - 04 - 15 24842 2889 4 900 26 541 ERS - 2 SA R SL C 1996 - 04 - 16 05169 2889 4 900 25 520
要利用 IFSAR 模块进行雷达干涉测量处理提 取 DEM, 首先要将原始的单视复数 ( SL C) 雷达影像 读入为 ERDAS 所认可的 img 格式 , 这一步可以看 作是数据的预处理 , 主要借助于 ERDAS 软件的数 据输入 / 输出模块 , 根据数据实际的数据格式选取的 输入类型为 ERS( D - PAF CEOS) 。
二、 InSAR 干涉测量的原理及数据 处理流程
下面以星载重复轨道干涉测量 ( RT I) 为例来 说明 InSAR 的基本原理。图 1 所示, S 1 和 S 2 分别 表示两幅天线的位置 , 它们之间的距离用基线距 B 表示 , 基线与水平方向的夹角为 , 基线可分解为沿 斜距方向的分量 B 和垂直于斜距方向的分量 B , H i 表示卫星 S i 的高度, i 表示卫星 S i 的入射角, R i 表示卫星到地面上一点的斜距, 其中 i = 1 , 2 , 分 别对应于卫星 S 1 和卫星 S 2 , 地面上点的高程用 Z 表示。另外假设 R 2 = R 1 + R 。 在不考虑散射特性引起的随机相位, 则接收信 号的相位只与传播路径有关 , 可表示为 4 4 R 1, ( R 1+ 1= 2= -
合成孔径雷达 ( Synt hetic Apert ure Radar, 简称 SAR) 由于可以穿透云雾, 具有全天候、 全天时工作 能力, 已成为地球空间信息获取的一种先进的技术 手段 , 在测绘、 地质、 水文、 海洋、 生态环境监测、 冰川 制 图、 军 事等 领 域显 示出 越 来越 大 的应 用 潜 力
五、 结论与展望
从上面的试验, 我们可以看出雷达干涉测量技 术给我们提供了一种新的提取高精度的数字高程模 型的方法。 IFSAR 模块具有自动检测、 选择参考图像及匹 配图像的功能, 使用单视复数 ( SLC) 雷达影像 , 可生 成高精度的 DEM; 利用 ERDAS IF SAR 进行干涉测 量 , ERS - 1/ 2 是最可行的数据源; 技术复杂的操作如 轨道调整、 产生干涉图、 相位解缠可自动完成 , 模板 式的操作过程及智能缺省设置贯穿全过程。因此, 我们可以采用 IFSAR 方便快捷地提取 DEM 。 2006 年年初, 日本已经发射一颗雷达卫星 AL OS/ PALSAR, 加拿大也将在年末发射 Radarsat -2 雷达卫星 , 德国 也将发射 一颗 X 波段 的雷达 卫星 ( T erraSAR - X) , 随后 德国和欧 空局还 将发射 T an dem T erraSAR - X 及 P 波段的雷达卫星 ( T erraSAR P) 。这些 雷 达 卫星 的 发 射以 及 现在 正 在 运行 的 Radarsat - 1 和 ENVISAT 卫星将为雷达干涉测量提 供大量的干涉数据 , 可以预见, 合成孔径雷达干涉测 量技术将会迎来一个新的研究和应用的高潮。
三、 干涉数据的选择及预处理
进行干 涉 测 量的 第 一 步 是 选择 合 适 的 干 涉
2007 年
第7期
测 2 530 行。
绘
通
报
29
生成的干涉条纹图大小为 2 447 列 得到以下的基本信息 , 见表 2。
表 2 雷达干涉基本信息 中文名称 英文名称
89. 05 m, 由于存在相位模糊的现象, 它还不能表示 地形的起伏情况, 还需要进行相位解缠, 图 3( c) 就 是进行相位解缠的结果 , 从图中 , 我们可以看到已经 解决了相位模糊的问题 , 基本上可以表示地形的起
图 3 是应用 ERDAS IFSAR 模块进行雷达干涉 测量生成的一些结果影像。
关键词 : 雷达干涉测量 ; 数字高程模型 ; ER S
一、 引
言
干涉条纹图中包含了斜距方向上的点与两天线位置 之差的精确信息。根据复雷达图像的相位差信息 , 利用传感器高度、 雷达波长、 波束视向及天线基线距 之间的几何关系, 通过影像处理、 数据处理和几何转 换等来提取地面目标地形的 3 维信息 [ 7] 。 目前, 针对雷达干涉测量, 世界许多国家的研究机 构都在进行 InSAR 软件的研制, 如 Earthview, Gamma, Doris 等。著名的 ERDAS IMAGINE 软件也包含了 In SAR 数据处理的模块 IFSAR DEM 子模块, 它利用 雷达影像干涉像对生成高精度的 DEM。 本文研究的重点就是通过 IFSAR 模块进行雷 达干涉测量提09 -21 基金项目 : 国家自然基金资助项目 ( 40571104) 作者简介 : 王志勇 ( 1978 -) , 男 , 山东胶南人 , 博士生 , 主要研究方向为雷达干涉测量。
28 则干涉图的相位就只与信号的路径差有关: =
12=
测
绘
通
报
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第7期
参考影像的斜距 ( R 1) Reference slant range 参考卫星的高度 ( H 1 ) Reference Heig ht 参考影像的入射角 ( 1 ) Reference T helta 基线长度 ( B ) 平行基线 ( B ) 垂直基线 ( B ) 高度模糊数 ( ha ) Baseline Parallel Baseline Perpendicular Baseline Heig ht Ambiguity
四、 IFSAR 进行干涉测量
将原始的单视复数 ( SLC) 雷达影像导入为 img 格式后 , 就可以进行雷达干涉测量数据处理了。首先 要新建一个工程, 然后导入刚才转换的雷达影像, 然
图2 InSAR 数据处理的简单流程图
后按照提示一步一步地往下操作, 就可以生成 DEM 。 首先对两幅复数影像进行配准 , 配准过程需要 人工选取一对同名控制点 , 然后在粗配准的基础上 采用基于相关系数的配准方法。多视处理的比例因 子为 2 10( 即距离向采样为 2, 方位向采样为 10) ,
通过应用 IFSAR 进行雷达干涉处理, 我们可以
值 849 989. 63 m 788 272. 91 m 21. 968 26 109. 40 m 44. 42 m 99. 98 m 89. 05 m
伏情况。 相位解缠后通过相高转换、 地理编码等处理 , 最 终生成 DEM 。在地理编码处理时需要选择合适的 投影方式。由于 IFSAR 采用了传感器模型技术 , 使 生成 DEM 减少了对地面控制点的依赖。图 3( d) 就 是利用 ERS - 1/ 2 数据提取的数字高程模型。
[ 1~ 3]
。特别是合成孔径雷达干涉测量 ( Interfero -
metric Synt hetic Apert ure Radar, 简称 InSAR) 技术 为获取地球表面的数字高程模型提供了一种全新的 高精度测量方法。 1974 年 , Graham
[ 4]
利用机载 SAR 数据获取了
能满足 1 25 万地形图要求的高程数据 , 开创了 In SAR 技 术 在对 地 观 测 中 获 取 3 维 信 息 的先 河。 1986 年, Zerber 等 [ 5] 利用机载干涉 雷达进行试验 , 首次得到了实用性的观测结果。 1988 年, Goldst ain 等[ 6] 利用 SEASAT 星载 SAR 数据采用 InSAR 技术 获取了死亡谷 Cot tonball 盆地的地 形图, 所得 到的 地形数据与已 出版的 USGS 的地 形图很吻合。到 20 世纪 90 年代 , 随着星载合成孔径雷达的 不断升 空, 产生了丰富的 SAR 数据, InSAR 技术在地形测 绘上的应用有了很大的进展。 InSAR 是利用卫 星或飞机搭载的 合成孔径 雷 达系统 , 通过两副天线同时观测 ( 单轨模式 ) , 或 两次近平行的观测 ( 重复轨道模式 ) , 获取地面同 一景观的复影像对。由于目标与两天线位置的几何 关系 , 在复图像上产生了相位差 , 形成干涉条纹图。