遥感信息
遥感应用
2012.1
InSAR
技术获取高山峡谷区
精度研究
DEM
黄洁慧,谢谟文,王增福,刘翔宇,付强
北京科技大学 土木与环境工程学院
(
北京
,
100083
中国
)
摘要:通过对金沙江河段高山峡谷区
波 段 的
涉处理,获取此区域的数字高程 模 型 (DEM)。利 用
InSAR
剧烈的地区,用
雷 达 单 视 复 数 数 据 的 干
为 参 考 数 据,通 过 对 比 分 析 发 现
精度与相干系数 、地形和波长有密 切 的 关 系 。同 时 也 验 证 了 在 相 干性 好 ,地 形 起 伏 不 太
和
分 辨 率 的
是可行的。
Alos-Palasar
技术生成的
SRTM 90m
Radarsat-2
技术生成
波 段 的
DEM
DEM
L
C
InSAR
DEM
关键词:雷达干涉测量;数字高程模型(DEM);精度分析;ALOS-Palasar;Radarsat-2
doi:10.3969/j.issn.1000-3177.2012.01.013
中图分类号:TP79
文章编号:1000-3177(2012)119-0062-06
文献标识码:A
Research on the DEM Precision of Canyon Acquired by InSAR Technique
HUANG Jie-hui,XIE Mo-wen,WANG Zeng-fu,LIU Xiang-yu,FU Qiang
(School of Civil and Environment Engineering,The University of Science and Technology Beijing,Beijing100083)
Abstract:Through interferometric processing of L-band Alos-Palasar and C-band Radarsat-2single look complex data,the
Digital Elevation Model(DEM)of the canyon along Jinsha River can be obtained.With comparison and analysis of 90mresolu-
tion SRTM DEM,a conclusion has been made that precision of DEM produced by InSAR technology is closely related to corre-
lation coefficient,topography and wavelength.Meanwhile it also proved that it is feasible to produce DEM by InSAR technology
in the good coherence and flat terrain areas.
Key words:InSAR;digital elevation model;precision analysis;ALOS-Palasar;Radarsat-2
引
言
精确的地形信 息 在 地 质
1
、
、
。
、
、
、
建立
冰 山
水 文
坡 向
的 方 法 有 多 种
是正 确 计 算 坡 度
自 然 灾 害
监测和自 然 资 源 调 查 等 领 域 都 有 着 十 分 重 要 的 作
例 如 在 水 文 分 析 时 高 质 量的 数 字 高 程 模 型
用
提 取 流 域 地 形 特 征
从 数 据 源 及 采
全 站
此 方 法 是 获 取 地面 高 程 最 精 确 的
从 现 有 地 形 图 上 采 集
数 字 化 仪 手 扶 跟踪 及 扫 描 仪 半 自
、
种 方 法
特别是
,
(DEM)
的前提
。
集方式讲 有
仪
方法之一
例如格网读点法
动采集法等
都既费时又费力
3
随着遥感技术的不断发展
,
通过 摄 影 测 量 途 径 获 取
;
DEM
直 接 从 地 面 测 量
:
野外测量等
、
也是代 价 最 大 的
,
例 如 用
GPS、
这
,
,
。
;
。
,
合成孔径雷达卫星 技 术 的 发 展
干 涉 测 量 技 术
利 用 合 成 孔 径 雷 达
,
。
(Synthetic Aperture Radar Inter-
提取大规模高精度数字高程模型
femmetry InSAR)
已成为一种重要的手段
合成孔径雷达干涉测量技
术利用合成孔径雷达的相位信息来提取地表的三维
由 于 其 全 天 时
信息和高程变 化 信 息 的 一 项 技 术
弥补了光学遥感技术和传统
全天候
,
获取
方 法 效 率 低
范 围 面 积 小 等 不
已广泛运用到包 括 地 形 测 量 以 及 地 球 动 力 学 研
足
,
究
海 洋 测 绘 等 诸
冰川运动研究
、
多领域[1]。
高精度等优势
、
森 林 调 查 与 制 图
成 本 高
DEM
。
、
、
、
、
、
本论 文 以 不 同 波 段
数据为数据源
(SLC)
对
,
SLC
、
不 同 精 度 的 单 视 复 型
数据进行干涉处理得
收稿日期 :2010-12-29
女
作者简介 :
(1984~),
黄洁慧
E-mail:jiehuizhifei@126.com
—26—
修订日期 :2011-04-01
研究方向
,
:InSAR
遥感技术在地质灾害中的应用
。
2012.1
遥感应用
遥感信息
由于通常
故
B<<R,ΔR2<<2BR,
sin(θ0-α)=
再由上面
,
ΔR
B
=-
ΔR
4π
λ
可得
上述公式揭示了干涉相位差
:θ0=α-arcsin
λ
4πB
之间的
数学关系
也就是说
。
和雷达成像 系 统 参 数
B,α)
出地表的高程值
。
与高程
如果已知天线位置
,
z
参数
等
(θ0)
,
(
就 可 以 从
H,
计 算
在
Rsinθ0
中常用高度模糊数
InSAR
Δz2π= -
λ
2
高 度 模 糊
来表征干涉测量对 高 度 变 化 的 敏 感 程 度
相位变化所对应的高度变化
数定义为引起
因此干涉条纹的疏密反映了局部地形特征和地势的
陡缓
干涉条纹稀疏
,
的区域地形相对平坦
干涉条纹密集的区域地形陡峭
,
2π
B⊥
个
1
,
。
。
实验区介绍和数据处理
3
本研究以金沙江某河段为研究区域
102°36′,
,
地 势 险 峻
,
中心坐 标 为 北 纬
南高山峡谷区
地测量 法 获 取
波段 的
数据为 数 据 源 进 行 处 理
ALOS-Palsar
DEM
东 经
交 通 不 便
26°22′,
,
存 在 极 大 的 困 难
数 据 和
,
波 段 的
。ALOS
不支 持 编 程
只 能 购 买 存 档 数 据
,
研究区域
地 处 我 国 西
采 用 传 统 的 大
分 别 选 取
L
C
。
Radarsat-2
卫 星 波 段 波 长 为
经 查 询
模式下的升轨存档数
卫 星 支 持 用 户 编 程
,
极 化
入射
黑色标出区域
白 色 所 标 区
20km×20km,
如图
VVHH
(FBS)
7m。Radarsat-2
5.6cm,
订 购 的 为 超 精 细
幅宽为
3m,
的降轨编程数据
23.6cm,
,
购买了精细波速单极化
据
分辨率 为
,
波段波 长 为
产品模式
角是
为
域为
分辨率为
,
ALOS-Palasar
39.57°
Radasat-2
。
2
存 档 数 据 拍 摄 范 围
编程数据的拍摄范围
,
。
InSAR
并结合波长
,
与
DEM,
同 时 对 采 用
到
要流程进行了介绍
因素把二者生成的
比统计分析
体趋势与
SRTM-DEM
同时 发 现 获 取 的
可行性
和相干系数有密切的关系
结果证明
,
DEM
。
技 术 生 成
DEM
的 主
地形和相干系数等
、
进行了对
整
证 明 了 此 方 法 的
地 形
,
精 度 与 波 长
DEM
SRTM-DEM
技术生成的
、
InSAR
是 一 致 的
DEM
。
2 InSAR
原理
。
形成干涉条 纹 图
,
合成孔径雷达干涉测量原理是雷达通过两次观
获取对应地 面 同 一 区 域 的 复数 像 对
由 于 目 标
测
,
在 复 图 像 上 产 生 了 相 位
与两天线位置的几 何 关 系
干 涉 条 纹 图 中 包 含 了 关 于 斜
差
因 此
距向上的点与 两 天 线 位 置 之 差 的 精 确 信 息
,
波束视向及天线基线之
传感器高度
利用雷达波长
、
、
间的几何关系
便可 以 精 确 地 测 量出 影 像 区 域 上 每
,
一点的三维位置
,
。
。
。
图
1 SAR
干涉测量成像示意图
为
图
图 中
干 涉 测 量 成 像 示 意 图 [2],
,
SAR
1
分别表 示 两 副 天 线 位 置
表示
基线与水平方向夹角为
,
B
地面一点
,
和
A2
线距
高度
到天线
第一副天线的参 考 视 线 角
地 形 高 程 用
果不考虑不同散射 特 性 造 成 的随 机 相 位
接收信号的相位分别为
A1
天 线 之 间 距 离 用 基
表示平台
是
表示
表 示
如
则 两 天 线
的路径用
,θ0
。
α,H
A1
z
P
R
,
,
:
φ1=2
和
2π
λ
R
φ2=2
2π
λ
(R+ΔR)
干涉纹图的相位取决于信号的路径差
ΔR:=-
4π
λ
ΔR
由图
1
可以得出
:
sin(θ0-α)=
(R+ΔR)2-R2-B2
2RB
=
ΔR
B
+
ΔR2
2BR
-
B
2R
z=H-Rcosθ0
图
2
数据拍摄范围
InSAR
提取
DEM
的主要流程如下
根 据 监 测 需 要 选 择 合 适 的 雷 达
①
并进行精确的配准
,
。
:
SLC
据对
视 复 数
—36—
遥感信息
遥感应用
2012.1
空间基线来选
干涉数据对需要根据时间基线
对于时间基线尽可能选取相隔一重访周期的数
对于空间基线
;
提取的
、
InSAR
DEM
基线距对
,
基线距离越大
取
。
据对
精度起双重影响
对高程变化的反应能力越强
测得到的信号之间 的 相 干 性 越 差
取
取基线距相对较大的数据对
的精度
DEM
因此
。
。
。
但基线距越大
,
高度模糊度越小
,
,
两次观
,
进 而 降 低 了 所 提
选
,
,
在最优基线长度范围内
,
根据上述时间基线和空间基线的选取原则
订购的数据中各 选 取 两 景
行干涉处 理
景
据如图
两 景
数据
Radarsat-2
。
3。
波 段 和
L
C
数 据
Alos-Palasar
R1、R2
具体参数如表
,
在
波 段 数 据 进
和 两
数
A1、A2
1,SLC
两景数据的垂直基线距为
数据进行了
darsat-2
均为
为两种数据共同覆盖区域
25m。
两种数据幅宽不同
8∶8
250.3m,
ALOS-Palasar
而计算出高度模糊度是
间的垂直基线距为
糊高度越小
低
条纹图 中 反 演 的
数据的高
Radarsat-2SLC
干涉条纹也比
,
反演
,
因此
,
DEM
DEM
4
的多视处理
干涉条纹图如图
,
分辨率重采后
,
后续图显示的范围皆
,
所示
。
从
438.9m,
数据之
模
的高程精度越高
则越
,
数据复共轭相乘得到的干涉
精 度 应 该 要 比
131.5m。Radarsat-2
高度模糊度为
反之
,
63m。
ALOS-palasar
ALOS-palasar
数据的密集
。
ALOS-Palasar
干涉条纹图
A1SLC(20080112) A2SLC(20080227)
干涉条纹图
干涉条纹图
Radarsat-2
图
4
R1SLC(20100530) R2SLC(20100623)
图
3 SLC
数据
数据名称
数据编号
拍摄时间
时间基线
垂直基线
高度模糊度
表
1 SLC
数据参数表
ALOS-Palsar
数据
Radarsat-2
数据
A1
A2
R1
R2
20080112 20080227 20100530 20100623
天
46
438.9m
131.5m
天
24
250.3m
63m
主图像与配准后的副图像复共轭相乘得到干
②
涉条纹图
。
因为 需 比 较
数据生成
此
DEM
ALOS-Palasar
—46—
数 据 和
ALOS-Palasar
的 精 度
,
所 以 先 要 统 一 分 辨 率
的 多 视 处 理
数 据 进 行 了
Radarsat-2
为
。
3∶8
,Ra-
去平地效应和滤波
③
平 地 效 应 使 干 涉 相 位图 呈 现 为 密 集 相 间 的 条
纹
一定程度上掩盖 了 地 形 变 化 引 起 的 干 涉 条 纹 变
,
化
最 后 再 把 去
所以干涉条纹 图 需 先 去 平 地 效 应
平地效应的干涉图进行滤波处理 [3]。
。
,
相位解缠
④
经过干涉处理得到的干涉图上点的相位值丢失
只有把这些被卷叠起来的相
才 能 顺 利 地 反 演 出地 面
找 回 丢 失 的
2n∏,
2n∏,
了被卷叠起来的
位展 开
目标的高度来 [4]。
,
轨道修正
⑤
在由相位信息转变到高程信息的过程中
步是至关重要的
相位偏移量
。
不仅修正了轨道误差
,
这一
而且计算了
,
,
2012.1
遥感信息
遥感应用
与
生成
和地理编码后的相干系数图
DEM
⑥
把解缠相位值转换到地面高程值
最后经过地理编码处理
,
仍是斜距坐标
标准的地理参考系中
生成的
,
DEM
此时的高程值
,
把
转到
,
DEM
数据如图
5。
。
数据干涉处理获取的
与
DEM
Radasat-2
SRTM-
然
。
获 得
图
,
进行 对 比 分 析
发 现 整 体 趋 势 是 一 致 的
,
DEM
数 据 和
SRTM DEM
与
ALOS-Palsar
。
SRTM-DEM
从图中可看出误差成正态分布
DEM
以
后采用叠加相减 分 析 方 法 [4],
ALOS-Palsar
叠 加 相 减 为 例
的
为
图
区间为
非常少
值大的像元多分布 在 相 干 系 数 低
地方
。
区
用
,
7
高 程 差 统 计 直 方
尽管差值的分布
,
但差值大的区域像元数
这些差
,
地 形 起 伏 剧 烈 的
地形起伏不太剧烈的地
,
644.95m~648.52m,
可忽略不记
,
只要相干性好
,
技术生成的
通过进一步分析得知
质量是可靠的
可见
。
、
。
InSAR
DEM
Alos-palasar DEM
图
生成的
5
DEM
相干系数在整个干涉处理过程中是一个非常重
否则干涉相位的噪声不
要的参数
相干性要足够高
,
,
仅致使相位解缠变得困难
而且在相干值低的区域
,
.
很难得到高精度的高程信息
获取的
,
当 研 究 区 域 正 对 卫 星 拍 摄 方 向
相 干 系
背 向 卫 星 拍 摄 方
加 上 山 体 阴
以
DEM
时
电磁波反射强 度 大
,
数高
向的区域
影等因素的影响导致
接 收 到 的 能 量 就 多
精 度 高
DEM
因反射 强 度 低
,
相干系数越低
,
从而获 得 的
,
越 不 可 靠
。
,
,
。
,
,
2
数据的相干系数为例
数据为降轨数据
dasat-2
坡向在
域内
至
45°
135°
ALOS-Palasar
DEM
。
因 订 购 的
Radasat-
,
6
,
如 图
Ra-
从图中可以很明显地看出
,
研究区
数据获得 的 相 干 系 数 平 均 值 为
之间相干系数都比较大
。
相 干 系 数 低
精度不高
所 示
数据获取的相干系数均值为
0.18,
0.31,Radarsat-2
证明了波长越长抗干扰性越强
。
图
高程差统计直方图
同时
7
为了对比
,
干涉处理 获 得 两 种
数据采样到
某滑坡地形后缘处生成的两幅等高线图
与
数 据 的 精 度
ALOS-Palasar
后生成
DEM
25m
Radasat-2
把 两 种
,
图
10m
间隔等高线图
DEM
是
8
对比两图
,
生 成
图中圈出滑坡山脊上的一些细
Radasat-2
而
。
。
,
ALOS-Palasar
的等高线较为圆润
生 成 的 较 为 粗 糙
数据
。
能显 示 出 来
Radasat-2DEM
此处在图
,
节
不能
验证了以高精度 和 模 糊 高 度 小 的
据源生成的
则
光学影像图中也用白色椭圆标出
,
数 据 对 为 数
精度也相对较高
ALOS DEM
SLC
而
,
9
DEM,
。
ALOS-Palasar
相干系数图
图
6
Radarsat-2
相干系数图
相干系数图
结果分析
4
ALOS-Palasar
等高线
Radasat-2
等高线
为检验不同 数 据 源 获 取
的 精 度
数据作为参考标准
DEM
我 们 以
,
数据是由
。SRTM
SRTM-DEM
美国太 空 总 署
联合测量的
MA)
达影像数据
据覆盖中国全境
和 国 防 部 国 家 测 绘 局
(NASA)
(NI-
是通过奋进号航天飞机获取的雷
,
该 测 量 数
制 成 的 数 字 地 形 高程 模 型
,
。
分辨率为
,
把
90m。
ALOS-Palasar
图
等高线
8
为了进一步验证生成的
相干系数和波长的关系
、
形
面线生成断 面 图
地势比较平坦
处的相关系数都比较高
DEM
在不同区域选取
,
数据的精度与地
条剖
处
其坡 向 决 定 了 升 降 轨 拍 摄 模 式 下 该
,
剖 面 线 分 布 如 图
3
剖 面 线
9。
,
1
从图
。
10
中可看出
SRTM-
—56—
遥感信息
遥感应用
2012.1
与生成的 两 种
DEM
了在 地 势 起 伏 较 小
术生成的
的 误 差 较 小
DEM
相 干 系 数 高 的 区 域
完全可以满足正常需要
,
。
再 次 验 证
技
,InSAR
。
DEM
的
数 据 获 得 的
数 据 与
ALOS-Palsar
的误差 相 对 要 小
DEM
系数决定了生成的
DEM
SRTM-
再 一 次 验 证 了 地 形 和 相 干
数据的精度
,
DEM
。
图
9
剖面线图
图
11
断面图
2
,
岸
Radarsat-2
前后 缘 高 差
位于一滑坡上
1100m~1200m,
降轨拍摄正对滑坡
,
剖面线
后缘高程
,
且坡向向东
因此在
,
2
1900m~1950m,
810m~812m,
较陡峭
。
背对滑坡
较高
而
,
从图
该滑坡位于金沙江右
前缘金沙江河床高程
地 势 比
升轨拍摄
,
数 据 中 该 处 相 干 系 数
因 此
与
要
STRM-DEM
三 者 之
小
间的误差越大
影像提取出的高程信
SAR
息与雷达入射角有很大的关系
技术的侧
而
,
视成像特性及地表 起 伏 状 态 决 定 了 不 同 的 入 射 角
地形起伏越大
且在平坦区域 三 者 误 差 较 小
,
ALOS-Palsar
中 可 看 出
数据中相干 系 数 较 低
ALOS-Plarsar DEM
这是由于
,
的 误 差 相 对
数 据 提 取 的
Radarsat-2
坡 度 越 大
InSAR
DEM
产生的畸变越大
,
11
。
,
,
。
,
图
10
断面图
1
剖面线
3
1100m
12,
前缘高程
面图如图
处相干系数较低
较高
此该 区 域
,
,
左 右
左 右
1900m
其坡向决定了在
后 缘 高 程
位于金沙江右岸支流太平小河左岸
,
其 断
数据中该
数据中 相 干 系 数
因
数 据 与
但 相 干 系 数 相 对 较 高
因地形引起的畸变较大
,
技 术 获 得 的 两 种
ALOS-Palsar
Radarsat-2
的误差 都 较 大
而
,
DEM
。
且该处地势陡峭
,
InSAR
,
SRTM-DEM
—66—
图
12
断面图
3
和断面图
整体分析断面图
1
要比
数据获取的
大
剖面线
,
给予考虑
太剧烈的情况 下
波段波长比
,
等的穿透深度也比较大
的
L
波 段 长
就
。
C
DEM
比
从上述
C
ALOS-Palsar
DEM
DEM
位于地形较陡且相关系数较低区域
3
因此可知在相关系数较高
2,
发现
获取的
Radarsat-2
要
不
,
且地形起伏不
,
,
C
,
由 于
波 段 而 言
波 段 和
其 对 植 被 覆 盖 区
L
干 旱 裸 地
波段干涉测量获取
,
高程稍低一点
波段生成的
个断面图中可定性的得出获取
DEM
从而
L
。
、
。
3
DEM
技术获取
SRTM-DEM
数据 为 基 准
的精度与坡度
的精度与地形特征 有 一 定 的 关 联
表征地形 特 征 的 两 个 重 要 指 标
InSAR
现以
各个像元的坡度和 坡 向
大小与获取
DEM
区域内 的 坡 度 图
DEM
而 坡 度 和 坡 向 是
,
为 了 定 量 地 研 究
坡向的关系
、
,
计 算 出 共 同 区 域 内
进 一 步 分 析 坡 度 和 坡 向 的
为 公 共
13
显 示 的 是
14
数 据 获 取 的
数 据
Radarsat-2
的高程差和坡度的关系
从 图 中
可以明显 看 出 高 程 误 差 随 着 坡 度 的 增 加 而 逐 渐 变
精 度 的 对 应 关 系
图
与
DEM
坡度以
,
SRTM-DEM
是 坡 向 图
为 步 长
。
图
15
5°
图
,
,
,
,
。
2012.1
遥感应用
遥感信息
。
,
。
,
90°
270°
DEM
订购的
Radarsat-2
40°
,SAR
成 像 时 的 几 何 畸 变 越 大
当坡度大于
大
,
因为坡度越 大
的精度
降低了获取
且是右侧拍摄
是降轨拍摄模式
,
右的区域是正对卫星拍摄方向
域是背对卫星拍摄方向
大
摄方向的区域
体阴影等因素的影响导致
时高程误差增 大 速 率 明 显 变 快
。
从 而
数据
左
左 右 的 区
正对拍摄方向时反射强度
背 向 拍
精 度 高
加 上 山
相 干 系 数 低
精度不高
这与图
是高程差与坡向的
从 而 获 得 的
,
因 反 射 强 度 低
,
因 此 坡 向 为
,
坡 向
显示的结果是一致的
相干系数 高
,
。
为步长
坡向以
,
16
关系图
100°
20°
左右 高 程 误 差 最 小
且 正 对
拍摄方向区域的整体高程误差都要小于背向拍摄区
域的整体高程误差
时 高 程 误 差 最 大
,260°
DEM
图
16
图中可看出坡向在
,
DEM
;
,
,
。
。
。
图
15
坡度与高程误差关系图
图
16
坡向与高程误差关系图
结束语
5
图
13
坡度图
①
波 段
,ALOS-Palsar
的 比
SRTM-DEM
本文 通 过 对
L
较分析
波段干涉测量 生 成 的
DEM
Radarsat-2 C
和
可以得出以下几点结论
,
只要相干性好
技术生成的
。
波长越长对地物的穿透能力就越强
质量是可靠的
DEM
:
地形起伏不太剧烈的地区
,
用
,
InSAR
②
波段波长比
波段短
从而
,
L
波段生成的
由于
。
C
波段干涉测量获取的
高程稍低一点
L
DEM
相干值越高
③
。
C
DEM
DEM
DEM
比
精 度 与 相 干 性 关 系 很 大
干涉生成 的
精度也越高
生成的
,
干涉生成的
精度与地形特征具有一定
而地形特征主要由坡度和坡向两个指标来反
坡 度 大 于
,DEM
坡 向 为 正 对 卫 星 拍 摄 方 向 时
精 度 要 高 于 坡 向 背 对 拍 摄 方 向 时 获 得 的
④
。
坡 度 越 小 的 区 域
精 度 越 大
。
时精度降低 更 快
DEM
。
,
。
关联
映
40°
的
。
图
14
坡向图
DEM
参考文献
DEM
精度
。
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郭华东
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