EarthView InSAR軟件提取DEM的應用

史衛平,成 樞,劉國林

(山東科技大學 測繪工程學院,山東 青島 266510)

EarthView InSAR軟件提取DEM的應用

史衛平,成 樞,劉國林

(山東科技大學 測繪工程學院,山東 青島 266510)

介紹 EarthView InSAR軟件的功能特點,并應用EarthView InSAR軟件對加拿大魁北克省謝弗維爾鎮ERS-1影像數據進行處理,成功獲取該地區的數字高程模型。

合成孔徑雷達干涉測量;數字高程模型;EarthView InSAR;數據處理

合成孔徑雷達干涉測量技術(Synthetic Aperture Radar Interferometry)誕生于20世紀60年代末,是一門根據復雷達圖像的相位數據,提取地面目標三維空間信息的技術,其基本思想[1-5]是:利用兩幅天線同時成像或一副天線相隔一定時間重復成像,獲取同一區域的復雷達圖像對,由于兩幅天線與地面某一目標之間的距離不等,使得在復雷達圖像對同名象點之間產生相位差,形成干涉紋圖(Interferogram),干涉紋圖中的相位值即為兩次成像的相位差測量值,根據兩次成像相位差與地面目標的三維空間位置間存在的幾何關系,利用飛行軌道的參數,即可測定地面目標的三維坐標,它可以用來提供大范圍的高精度數字高程模型(DEM)。本文基于EarthView InSAR軟件,利用 ERS-1衛星提供的SAR數據對加拿大魁北克省謝弗維爾鎮進行實驗研究,取得了良好的效果。

1 EarthView InSAR軟件簡介

目前,國內外許多機構和科研單位開發了可用于干涉測量處理的軟件,例如:荷蘭Delft科技大學的 Kampes等人開發的主要基于Unix或Linux的DORIS軟件;美國的一個研究 SAR小組開發的ASFSoftw areTools軟件;美國芝加哥大學的兩位教師創辦的公開渠道軟件RO I_PAC,目前有30多個科研機構在使用;瑞士 GAMMA公司推出的基于Unix、Linux或 W indow s操作系統的 GAMMASAR軟件,其 ISP、D IFF&GEO模塊,能夠處理星載和機載干涉雷達數據;EarthV iew InSAR干涉雷達處理軟件;國內有“863”課題組支持開發的“通用遙感平臺”軟件,其中武漢大學的 Geo Imager 5.0和中國測繪遙感研究院的 Image Info 1.0也包含了InSAR處理模塊[6]。

EarthView InSAR軟件是加拿大A tlantis研究所開發的專業雷達處理軟件。該系統以W indow N T/2000系統為平臺,具有良好的圖形化界面(GU I),并提供完全的處理過程,支持 ERS-1、ERS-2、RADARSA T及JERS-1等傳感器的 SAR數據格式。通過采用 EV-InSAR系統可獲取m級精度的DEM圖像,以及mm級的表面連續性變場圖像。可用于地震、地面沉降、滑坡、冰川運動等事件的形變場動態演化過程的監測與研究。

EarthView InSAR軟件與其他軟件相比該軟件有簡化的安裝和授權程序,安裝操作簡單,適合初學者,數據處理運行速度相對較快。

2 InSAR數據處理流程

InSAR數據處理基本流程如圖1所示[6]。

圖1 InSAR數據處理基本流程

InSAR數據處理主要有以下幾個步驟[7]:

1)選擇合適的SAR干涉數據集。對準不同的干涉應用選取合適的SAR干涉影像對,成功地進行InSAR處理,要求進行干涉處理的SAR圖像對必須相干。

2)SAR信號數據處理成SLC影像。如果所獲取的數據是 SAR原始信號(Raw Data),必須對SAR信號進行成像處理,生成單視復影像(SLC)。

3)SAR影像對的配準。在進行SAR干涉測量時,SAR影像對粗配準后還必須進行精配準以保證輸出的干涉條紋具有良好的相干性。受配準誤差干涉紋圖影響的可以通過相干強度分析出來,通常影像的配準誤差必須在1/8個像元以下才對干涉條紋的質量沒有明顯的影響。

4)配準后的影像對作共軛相乘,生成干涉紋圖。計算相干系數,一般情況下,相干系數存在一定的偏差,通過對相干估算值進行空間平均可糾正這種偏差。

5)去除“平地效應”。“平地效應”是高度不變的平地在干涉紋圖中所表現出來的干涉條紋隨距離向和方位向的變化而呈周期性變化的現象。“平地效應”可通過對干涉紋乘以復相位函數去除。

6)干涉紋圖的濾波和二次采樣。通常需要對干涉紋圖進行濾波和二次采樣,利用濾波消除頂低位移對相位數據的影響,方位向濾波增強干涉紋圖的信噪比,二次采樣減少后期處理的數據量。

7)相位解纏。相位解纏就是從相位差圖像中恢復真實相位差的過程。相位解纏是InSAR處理中尤為關鍵的一步,相位解纏結果的好壞直接影響InSAR的最終數據產品。

8)高程計算和地理編碼。為了實現解纏相位到高程的轉換,需要有精確的基線參數,所以必須精確估算干涉測量的幾何參數。利用參數代入轉換公式,可實現解纏相位到高程數據的轉換。InSAR DEM所處的坐標系是SAR系統的斜距-方位坐標系,為了將DEM提供給最終用戶使用,DEM必須轉換到通用的地理坐標系中。

3 應用實例

3.1 實驗數據簡介

實例中所用的干涉SAR圖像對是加拿大魁北克省謝弗維爾鎮ERS-1數據。其中,主圖像的獲取時間為1994-01-09,輔圖像的獲取時間為1994-01-12,時間間隔為3 d。

3.2 數據處理的步驟和成果圖

EarthView InSAR 4.0版本共有4種處理模式:DEM;利用外部DEM生成DEM(DEM With External);二軌法差分干涉處理(2-Pass Differential);三軌法差分干涉處理(3-Pass Differential)。本文選擇DEM模式,DEM模式用于生成與“常規”DEM(數字高程模型)有關的圖像產品,包括增強的干涉圖、相位解纏后的相位圖、高度圖和相干圖。

DEM產生時,以SLC影像為初始輸入數據,通過粗配準、像元級配準和亞像元級配準、重采樣、干涉圖生成和去平地效應、干涉圖濾波和解纏、高程轉換和地理編碼最終生成DEM和形變圖。

數據處理過程中,按照軟件具體操作順序進行。具體運行時分為8個步驟:數據輸入、配準分析、配準、產生并過濾干涉圖、增強干涉相位、干涉圖相位解纏、從相位產生DEM、輸出產品。其中,相位解纏是InSAR數據處理的關鍵步驟,相位解纏的好壞直接影響到生成DEM產品的質量,在EarthView In-SAR軟件處理中(如圖2所示),采用的是迭代圓盤屏蔽算法(Iterative Disk M asking A lgo rithm)進行相位解纏。該方法偶爾會出現解纏相位不好的情況,此時需要利用解纏編輯工具(Unw rap Edit Tool)對相位解纏后的圖像進行改正,人為地設置一條屏蔽線,從而對斷點進行修復,最終得到高質量的相位解纏結果。

圖2 EV-InSAR主界面

圖3中的粗直線表示為相位斷點的誤差。若放大圖像中央小山,可以看到小山周圍有一個U型區域,該區域中沒有被屏蔽的地區用深灰色表示,連接覆蓋區域的粗直線形成相位解纏斷點。在解纏圖像的右下角有一些相位解纏誤差。在此區域大多數粗直線是在相位解纏控制屏蔽之內。其中一條粗直線代表有一個相位斷點,即從一個像元到下一個像元有360°相位的跳躍。從相干圖3中,可以預見有相位斷點或低相干度的、被屏蔽出來的區域。從干涉圖4中,可以看到邊緣的連接是光滑的而且通過相位的旋轉循環是均勻的。在這些區域內,可以預料相位是連續的,且應該沒有相位解纏誤差。因此,可以推斷,矩陣框內粗直線事實上是相位斷點,需要加以改正。

從圖4增強的干涉圖中可以看出,干涉條紋明顯,圖像相干性好于圖5反映帶有地理編碼的DEM情況,圖像顏色的變化反映地面的起伏狀況,顏色越深高程值越小,顏色越淺高程值越大。

圖5 帶有地理編碼的DEM

4 結束語

利用 EarthView InSAR 4.0軟件對加拿大魁北克省謝弗維爾鎮ERS-1數據進行處理,提取出了該地區m級精度的數字高程模型(DEM),進一步展示了SAR數據提取DEM的有效性。該軟件不但能利用 ERS-1數據提取DEM,同時利用 RADARSA T數據提取高精度DEM。EarthView InSAR軟件功能比較強大,有效地提取D-InSAR技術獲取的地表變形信息(精度可達mm)。此外,該軟件的CTM模塊能夠方便的的實現PS技術的應用。隨著InSAR數據處理技術的不斷發展與完善,EarthView InSAR軟件也將進一步提高產品精度。

[1]ZEBKER H A,GOLDSTEIN R M.Topographic mapping from interferometric synthetic aperture radar observations[J].J Geophysical Research.1986,91(B5):4993-4999

[2]ZEBKER H A,W ERNER CL,et al Accuracy of topographic maps derived from ERS-1 interferometric radar[J].IEEE Transactionson Geoscience and Remote Sensing,1994,32(4):823-836.

[3]舒 寧.雷達影像干涉測量原理[M].武漢:武漢大學出版社,2003:13-14.

[4]劉國祥,劉文熙,黃丁發.InSAR技術及其應用中的若干問題[J].測繪通報,2001(8):10-12.

[5]陳 強,劉國祥,李永樹.粗/精軌道數據對衛星 InSAR DEM精度影響的對比分析[J].遙感學報,2006,10(4):475-481.

[6]李平湘,楊 杰.雷達干涉測量原理與應用[M].北京:測繪出版社,2006:44,107-108.

[7]王 超,張 紅,劉 智,等.星載合成孔徑雷達干涉測量[M].北京:科學出版社,2002:68-70.

The application of generating DEM from EarthView InSAR software

SH IWei-ping,CHENG Shu,L IU Guo-lin
(Geomatics College,Shandong University of Science and Technology,Qingdao 266510,China)

The fuctiuon and features of EarthView InSAR software is exp lained.Based on the software and using the ERS-1 SAR data,it successfully obtained digital elevation model of Schefferville,Quebec,Canada.

InSAR;DEM;EarthView InSAR;data p rocessing

P237

A

1006-7949(2010)01-0065-03

2009-03-07

史衛平(1984-),女,碩士研究生.

[責任編輯李銘娜]