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几种利用SAR获取地面高程信息的方法【转载】   

2009-09-02 09:51:52|  分类: 专业杂谈 |  标签: |举报 |字号 订阅

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几种利用SAR获取地面高程信息的方法

目前利用SAR作为传感器获取的数据进行空间信息提取可以分为三种路线:1、将SAR观测数据经成像处理成图像,然后在图像的基础上进行分析,这部分包括经典的雷达摄影测量技术Radargrammetry(即:StereoSAR)和雷达坡度测量Radarclinometry(即:shape from shading);2、将SAR两次或者多次观测的数据进行干涉处理,利用相位信息提取地面高程信息,这就是目前的热点——INSAR3、多极化干涉测量获取地面高程信息。

1stereoSAR

雷达摄影测量技术经过几十年的发展已经进入实用化阶段。从发展历程来看,分为三个阶段:第一阶段是80年代以前,主要的工作围绕行星雷达测量展开,比较著名的Magehorn火星探测计划等。这期间的工作主要从理论上对雷达摄影测量技术进行分析。第二阶段是80年代中期,伴随着SIRB观测计划的实施,能够得到适用于雷达摄影测量的立体数据,导致了一系列相关研究。第三阶段的标志是90年代中期加拿大雷达卫星上天,第一次能够全面得到各种立体配置的立体像对,促经了对雷达摄影测量理论全面而系统的研究,这其中包括加纳到遥感中心的Toutin等人的大量工作。

我国对雷达摄影测量技术研究起步较晚,这方面的报道也不多。比较突出的包括时富生采用距离-多普勒方程作为SAR图像构像模型,分析了解析测图技术与方法,西安测绘研究所、郑州测绘学院对SAR构像模型进行了研究分析,以及SAR图像的几何纠正和辐射改正。中科院地面站和遥感应用研究所对星载SAR图像的地面应用也进行了研究,涉及的技术领域包括SAR构像模型、干涉处理和SAR图像纠正等。中科院电子所对机载SAR进行了研制,获得大量的试验数据。武汉测绘科技大学也有关于SAR立体像对解析处理的报道。对于采用SAR图像进行数字测图,目前国内未见报道。

1995年,加拿大Radarsat卫 星投入使用,由于该系统具有多种扫描模式和多种入射角度,为雷达立体成像的研究提供了丰富的数据资源,从而满足了人们不同的研究和应用的需求。但是,由于 数据品种的增加,如何针对不同的研究目的和研究区,选取合适的像对,成为一个比较复杂的问题。像对的选取直接影像最终的DEM精度,而像对的选取受诸多方面的影响:地形(坡度、坡向)、观测方式(相同方向Same-Side方式或者相对方向Opposite-Side)、地面控制点的精度、影像分辨率的大小、雷达斑点噪声、影像获取的时间间隔以及成本效益的影响。详细信息请参见本人《利用SAR影像的立体成像技术获取DEM的方法与实践》。

误差:在平坦地区,精度约为20m左右(使用精细模式可以得到的DEM精度略大于12M,使用标准模式影像略大于20M);在山区,精度明显降低,一般为30M以上。

stereoSAR方法最常选用的数据源是加拿大空间局的Radarsat卫星。虽然使用InSAR技术可以获取更高精度的DEM,但是由于InSAR对数据源的要求非常严格,使用InSAR获取DEM的成功率很低,目前满足InSAR要求的数据源非常有限,因此,stereoSAR方法获取DEM在很长的一段时间内还是获取DEM的有效手段。

2InSAR

21 国内外情况

InSAR技术是将由雷达影像复数据推导出的雷达信号的相位信息作为数据源,利用这些相位信息提取地表三维信息的一项技术。该技术诞生于20世纪60年代末。1969年,InSAR技术由Rogers首次应用于对金星观测,用来分离来自金星南北半球的雷达模糊回波。1972年,IngallsInSAR技术获得了月球表面的地形数据,高程精度优于500m1974年,在Goodyear宇航中心工作的L.C.Graham,提出用于干涉合成孔径雷达进行地形测绘的原理和技术,首次岩石了InSAR用于地形测量的可行性,并制作了第一台用于三维地形测绘的机载干涉合成孔径雷达,他的研究成果对SAR应用的发展起着巨大的推动作用,从此,人们对InSAR进行了广泛的研究。美国SeasatA SAR系统的发射,使InSAR的研究有了生机。

1978Seasat卫星在空间飞行100天,首次从空间获取地球表面雷达干涉测量数据,为开展空间InSAR技术应用研究提供了可能。法国Didier Massonnet1992年用干涉雷达技术研究了同年在加利福尼亚发生的地震,取得了突出的成果,成为应用InSAR技术研究地面位移的最早的成功范例。1991年,NASA/JPL采用带有GPS的机载干涉SAR系统(TOPSAR)6.5×30km2 的地区进行了测试,在确定绝对相位时,采用了多视技术(距离向因素为4,方位向为32),最后获得了该地区水平误差为10m的地形图。把所获地形结果与DEM进行比较表明:在平坦地区有2m的均方根测量偏差,山区有56的均方根偏差。在1995年举行的国际雷达会议上,NASA/JPL展示了1994奋进号航天飞机上SIR-C/X-SAR的成像结果,给出了1994SIR-C/L波段获得的SAR图像与19944月和10月两次的SAR图像的干涉图像导出的高程叠加数据,所得到的加利福尼亚Long Valley地区的三维成像结果观测精度可达厘米级。

1991年欧洲空间局(ESA)发射ERS-1卫星,尤其是日本1993年发射JERS-1ESA1995年发射ERS-2和加拿大1995年发射Radarsat之后,为全球提供了丰富的干涉雷达数据,InSAR技术开始从纯理论研究迈向使用研究。目前,一些机载SAR系统,入AIRSAR/TOPSARDO-SARCCRSC/X-SAR,都已拥有InSAR工作模式。一些用于InSAR数据处理的商业软件陆续推向市场,入ERDAS公司的ERDAS Imagine、加拿大的PCI等。

2000211,美国奋进号航天飞机采用InSAR技术,在11天内,成功获取了覆盖地球表面80%的干涉数据,这批数据,将采用InSAR技术生产出全球30m高分辨率的地形数据。目前,国际上SAR技术主要朝着高空间分辨率、多波段、多极化方向发展。德国已经建成的机载SAR系统(AeS123),,其空间分辨率从0.55,用InSAr生成的DEM高程精度为0.25m2m

我国从70年代开始,开展了SAR系统的研制。到80年代中期,我国研制成功机载SAR系统。目前,我国正在研制性能更高的机载SAR和星载SAR系统,并将他们列入863计划。而对InSAR领域的研究,我国只是在最近几年才喀什的,目前大多仅限于算法上、理论上进行研究。可以说,无论在InSAR硬件系统的研制上,还是在软件算法的研究上,我国都处于初步阶段。

22 利用InSAR技术提取DEM有以下优点:

(1)    全天候、全天时的工作能力:SAR波长是可见光的100000倍,受大气分子散射影响小。因此,认真选择InSAR波长可以不受天气的影响,具有全天候的有点。另外,SAR是主动成像,雷达天线发射电磁波并接收目标的回波,不依靠太阳的辐射和物体自身的反射,因此,InSAR可昼夜工作,具有全天时的优点。InSAR技术全天候、全天时的观测优势,可以弥补光学传感器再时间和空间上受限造成的成像盲区,使其在自然环境监测、战场环境调查、热带雨林和极地附近地区测绘等方面有着特殊的应用。例如,1991年海湾战争,美国使用装有SAR的卫星对侦察区进行全天候24小时的监视;19898月在恶劣天气条件和夜间的情况下,利用SAR对荆州地区洪涝灾害进行了监测。常年被云雾覆盖的热带雨林地区以及受天然光照条件严重制约的极地附近,当前只有采用InSAR技术来获取其DEM

(2)    具有一定的穿透力:InSAR技术由于采用波长较长的微波作为信息源,使其对介电常熟较小的干燥的沙漠和土壤又较大的穿透深度,能够提供其他遥感技术无法获取的信息,对于解释地下目标比可见光、近红外遥感优越。例如,利用SIR-A图像发现撒哈拉沙漠下的古河道就是建立在L波段SAR对极端干旱地区的穿透性基础之上的。

(3)    提取DEM精度高、速度快:InSAR技术由于独特地利用了影像数据中包含极丰富的信息的相位部分,可以精确的测定地面的微小位移变化,提取DEM的精度也可达到米的数量级。与之相比,利用雷达立体像对提取的目标高程的精度只能叨叨20m左右。利用差分InSAR技术进行地表的垂直形变信息的提取,其精度已经达到毫米级。同时,ERS1/2JERSRadarsat-1等重复轨道干涉雷达卫星的发射和运行,为快速获取全球DEM提供了可能。

因此,利用InSAR影像提取DEM具有全天候、全天时,一定的穿透能力以及提取DEM的精度高、速度快等突出优点,能够解决用常规手段非常困难或者无法解决的许多问题,为管理大范围的环境问题提供了更简洁、直接、高效和低成本的方法,具有极强的应用价值。

       2.3 InSAR影像提取DEM存在的主要问题

(1)InSAR技术是利用多幅SAR图像进行处理,使得InSAR的处理对于系统涉及和处理算法要求更加严格。因此还有必要对InSAR影像提取DEM的关键技术问题进行完善,提高所提取的DEM的精度。

(2)我国在该方面刚刚起步,大多限于算法理论上的研究,在实用化方面进展不大大。喂有效地使用InSAR数据,就需要独特的处理和分析工具,也就需要将InSARjishu的理论实用化,研究出一套可行的实用化方法,是InSAR影像提取DEM走向实用化。

(3)InSAR技术由于对原始数据要求非常高,常常会因为数据难以满足干涉条件造成相干结果不能满足实际需求,使得该技术收到很大限制。这就要求对InSAR影像原始数据进行斑点噪声滤除,同时对InSAR影像提取DEM的潜在误差因素进行分析,尽量减小误差因素对产生DEM结果的影响。

       误差:与StereoSAR一样,地形对最终DEM的影响较大,在平坦地区,DEM精度为10m左右,在山区,DEM的精度降到20m以上。如果利用该技术进行形变测量,一般都在厘米级的精度。

3、多极化干涉测量

多极化SAR干涉不但可以更好地对地物目标散射机理加以解释,而且还可以更进一步地提高干涉测量的精度,是一项非常有发展前途的新兴技术。

1997年,S.R.CloudeK.P.Papathanssiou首先报道了应用极化干涉来优化合成孔径雷达干涉图相干性的研究成果,开创了多极化SAR干涉研究的先河。他们在论文中指出,可以利用极化信息来改善数据的相干性,从而提高合成孔径雷达干涉的精度。由多极化SAR干涉所获得的地面数字高程图其精度可以达到厘米的数量级,同时人们还可用通过极化信息更好地了解地物目标的散射特性。

目前,有关极化干涉的研究刚刚起步,这主要是受到试验数据来源限制。到目前为止还没有一次飞行所获得的极化干涉数据,而仅仅是由SIR-C/X系统提供少量的LC波段全极化的二次飞行干涉数据以及AIRSAR等机载极化SAR系统所提供有限的机载二次飞行干涉数据。因此,试验数据不足成为制约这种新技术发展的瓶颈。尽管如此,人们还是十分看好这项技术的前景,自97年以来,极化SAR干涉逐渐成为合成孔径雷达信息处理领域研究的新热点。

本文引用地址:http://www.sciencenet.cn/blog/user_content.aspx?id=15013
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