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INSAR技术高山DEM.pdf

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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 。 [1]  [2]  [3]  [4]  王超 郭华东 刘永坦 , 张红 , 李平湘 张永生 , 刘智 , 杨杰 , 何秀凤 , 何敏 等 , 雷达对地观测理论与应用 . [M]. 北京 科学出版社 : . 星载合成孔径雷达干涉测量 . 北京 科学出版社 : ,2002. 雷达干涉测量原理与应用 . 利用星载 . InSAR [M]. 技术提取镇江地区 测绘出版社 : ,2006. 及其精度分析 DEM 计算机应用 [J]. [M]. 北京 ,2010,30(2). —76—
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