多源星载SAR地形干涉测量精度分析

陈利军，张 瑞，郭旭东，洪凯瑞，涂晋升

(1.国家基础地理信息中心，北京 100830；
2.西南交通大学，四川 成都 611756)

地形测绘是遥感领域一个重要的应用方向，对应的数字高程模型(DEM)数据在军事侦察、国民经济建设和科学研究中发挥着越来越重要的作用[1-3]。利用SAR技术提取地形信息一直是热门的研究方向之一。目前，基于SAR影像获取地表的高程信息主要有4种途径：雷达角度测量(radaclinometry)、雷达摄影测量(radgrammetry)、雷达极化测量(polarimetry)和雷达干涉测量(interferometry)。其中，干涉合成孔径雷达(interferometric SAR，InSAR)是以SAR复图像对的干涉相位反推测距信息，进而得到地表三维信息的一门技术，其发展的主要目的是进行地形测绘和获取高精度的DEM数据[4-8]。如今，为获取全球DEM数据及其他增值产品，具有大幅宽成像能力的星载SAR系统已成为全球测绘任务下InSAR的首选系统类型[6]。

当下，面对海量的全球干涉测量实测数据，如何在保证精度的情况下，兼顾处理算法的稳健性与处理效率是星载InSAR数据处理亟待解决的重要问题。本文将针对全球测绘中所面临的多云雾、多阴雨、植被茂密的复杂气候环境区域，无法开展光学立体影像测图工作的情况，尝试利用国内外多源星载SAR影像数据开展地形干涉测量试验和精度分析，为全球测绘提供技术参考。

InSAR是一种以波的干涉为基础的雷达技术，通过卫星或航天器获取同一地区的两景或多景SAR影像进行地面三维信息的量测[9]。

由三角函数关系可知，地面目标点P的高度h可表示为[9]

h=H-rcosθ

(1)

式中，H为卫星地球表面的高度。在数据处理过程中通过SAR影像干涉得到的是地面点的相位信息，由式(1)无法解算出到地面点的高程信息。由余弦定理可知

(r+Δr)2=r2+B2-2rBcos(α+90-θ)=

r2+B2-2rBsin(θ-α)

(2)

式中，r和r+Δr分别表示主、辅卫星天线相位中心到地面点P的距离；
α为基线倾角；
θ为主星方向的侧视角；
B为主、辅卫星之间的天线距离。通过平面波模型可将斜距变化量Δr与干涉相位之间的关系近似表示，即

(3)

当Q=1时，表示干涉数据为双天线类型的数据；
当Q=2时，表示干涉数据为重复轨道类型的数据。

将式(2)和式(3)代入式(1)可得[10]

(4)

通常利用InSAR技术生成DEM的数据处理流程包括：SAR主辅影像精配准、干涉相位生成、基线估计、去除平地相位、相干性估计、干涉相位滤波、干涉相位解缠、相位高程转换、地理编码等，处理流程如图1所示。对于轨道精度较低的SAR数据，还需要利用外部DEM对基线进行精化处理，以提高最终高程反演精度[11]。研究表明，厘米级的基线精度是InSAR生成高精度DEM的前提[12-15]。为了精确改正基线参数，本文采用控制点高程和解缠相位结合的基线精化方法。

图1 InSAR生成DEM处理流程

2.1 研究区域

为了客观评价不同SAR数据源的成像能力和干涉能力，本次试验选择GF-3、ALOS-2和COSMO-SkyMed数据，通过相同的试验区域分别进行干涉处理(如图2所示)，以便于横向对比不同数据源生成的DEM，以验证不同SAR卫星数据的可靠性。试验选定研究区域位于青海省北部的茫崖镇，地处柴达木盆地的西北边缘。区域内以山区为主，高差约600 m。

图2 研究区域数据覆盖

在试验区数据处理之前，计算了生产所用影像对的时空基线，见表1。GF-3的干涉配对在垂直基线参数方面明显优于COSMO-SkyMed与ALOS-2。由干涉参数不难推测，在DEM数据的地形纹理重建方面，GF-3相比较于其他两种数据具有一定的优势。在时间基线方面，COSMO-SkyMed干涉配对一天的采样频率优势明显；
其次是GF-3干涉配对一个月的时间基线；
而对于ALOS-2干涉配对而言，数据采集时间相隔接近一年。

表1 试验区影像对时空基线

2.2 干涉生成DEM结果

根据每个像素点的相干系数、非缠绕相位差值和轨道参数，计算出对应地面点的高程H，并对该像素点的像素坐标(x，y)进行地理编码，转换为地理坐标(L,B)，从而生成干涉DEM，如图3所示。整体看来，GF-3、ALOS-2、COSMO-SkyMed这3种数据干涉测量获取的DEM整体地势较为一致，纹理高度符合。但是，由于COSMO-SkyMed原始影像数据的分辨率较高(达到2 m)，因此在局部的细节度方面更为细致，预期可达到更高的精度。而在现有的3种数据中，ALOS-2的数据分辨率相对较低(约为10 m)，在细节度方面稍有不足，预期在精度方面略低于COSMO-SkyMed和GF-3干涉获取的DEM数据产品。

图3 研究区干涉生产DEM

为验证高分辨率SAR卫星在复杂地区提取DEM的精度，试验选用了覆盖该区域的12 m分辨率World DEM数据以及30 m分辨率SRTM DEM作为参考数据。为保证精度评估结果的可靠性，地理编码过后将提取的DEM分别与30 m分辨率的SRTM DEM和12 m分辨率的World DEM进行配准，随后将参考DEM与提取DEM相减，得到试验区域的高程差，从而进一步对提取得到的干涉结果开展比较分析与精度验证。

3.1 与SRTM DEM精度对比分析

研究区的差值图如图4所示。由图4可知，ALOS-2干涉获取的DEM与SRTM DEM的高程差在局部较为明显，且与地形有一定的关系，在起伏显著的地方差值较大。GF-3干涉获取的DEM仅在部分沟谷区域有符合地形特征的偏差出现，整体质量较高。而COSMO-SkyMed干涉获取的DEM则具有更高的质量，与参考DEM的整体偏差最小。

图4 干涉获取DEM与SRTM高程差

试验统计了SRTM DEM试验区域覆盖范围内的误差分布，其统计数据见表2，其直方图分布如图5所示。

图5 研究区干涉获取DEM误差直方图分析

表2 误差统计 m

基于误差统计结果的比较分析可以看出，COSMO-SkyMed干涉获取的DEM具有最高的精度，其在研究区一的误差均在5 m以内。其次，GF-3干涉获取的DEM具有相对较高的精度，在研究区一的误差可控制在8 m以内。而ALOS-2干涉获取的DEM受空间基线较短，影像分辨率较低等因素的综合影响，本次试验的精度在10 m以外。

3.2 与World DEM精度对比分析

将干涉提取的DEM与参考的World DEM进行精确匹配，裁剪出二者重合的区域进行后续的精度分析，最终得到12 m分辨率的高程差值图。研究区的差值情况如图6所示，ALOS-2和GF-3干涉获取的DEM与World DEM的高程差在部分沟谷区域有符合地形特征的偏差出现，最大偏差超过40 m，且在地形起伏较大的地方差值较为明显。而COSMO-SkyMed干涉获取的DEM则具有更高的质量，与参考DEM的整体偏差最小。

图6 研究区干涉获取DEM与World DEM高程差

试验统计了World DEM试验区域覆盖范围内的误差分布，其统计数据见表3，其直方图分布如图7所示。

图7 研究区干涉获取DEM误差直方图分析

表3 研究区误差统计 m

基于误差统计结果的比较分析可以看出，COSMO-SkyMed干涉获取的DEM确实仍有最高的精度，在青海研究区的误差保持在5 m左右。GF-3和ALOS-2干涉获取的DEM受空间基线、影像分辨率等因素的综合影响，在本试验区的精度高于10 m。

本文在分析国内外多种SAR影像数据的基础上，选择了地貌条件较为复杂的青海试验区，开展了DEM提取的综合试验。为验证星载SAR数据的可行性及可靠性，依据SRTM和World DEM外部DEM数据进行了精度对比分析。主要结论如下：

(1)本试验选取的当前国内外主流的X/C/L波段COSMO-SkyMed、GF-3、ALOS-2影像数据，在试验区生产高质量的DEM数据产品。经比较，COSMO-SkyMed干涉获取的DEM的精度与细节质量均较高，GF-3数据和ALOS-2数据略低。试验结果重点反映了分辨率差异对InSAR干涉测图质量的影响。

(2)从不同波长SAR数据抵御时间失相关的能力进行分析，波长达到分米级的L波段ALOS-2数据(波长23.5 cm)更有优势，在时间基线长达一年的不利条件下，仍可以解算出较为可靠的InSAR干涉结果。对同为厘米级波长的GF-3和COSMO-SkyMed数据而言，C波段GF-3数据(波长5.6 cm)在相隔一个月的时间基线条件下表现更为稳定。试验采用的COSMO-SkyMed数据(波长3.1 cm)为编程获取，时间间隔最短，故未表现出相位失相关的现象，从而也体现出更短的时间间隔有利于保障干涉获取DEM的质量。

(3)InSAR测图的干涉像对需具有合适的空间基线，空间基线过短会导致地形相位的模糊问题，难以保障地形纹理的恢复重建。因此，短期重复轨道获取的SAR像对，成像位置的空间基线普遍较短，不利于保证干涉获取DEM的纹理细节。GF-3数据在试验区的垂直基线约为1100 m，在分辨率和波长/穿透性指标均不占优的情况下，仍具有高可靠度的DEM测图结果，尤其是在高复杂度地形区域，精准重建了地形纹理细节，集中体现了长空间基线对干涉获取DEM的积极作用。

(4)国产GF-3数据在空间基线合适的条件下，具备高精度InSAR测图的能力。由于GF-3卫星主要面向海洋遥感应用需求，未考量地形测绘的性能指标，因此该卫星的常规运行模式尚不足以对境内外DEM测图提供稳定的支持和保障。然而，GF-3卫星的成像系统已达到国际先进水平，具备领先的成像分辨率优势。通过本次试验论证，在基线条件合适的情况下，GF-3卫星具备获得高精度的DEM数据产品的潜力。

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