EarthView InSAR软件提取DEM的应用

史卫平,成 枢,刘国林

(山东科技大学 测绘工程学院,山东 青岛 266510)

EarthView InSAR软件提取DEM的应用

史卫平,成 枢,刘国林

(山东科技大学 测绘工程学院,山东 青岛 266510)

介绍 EarthView InSAR软件的功能特点,并应用EarthView InSAR软件对加拿大魁北克省谢弗维尔镇ERS-1影像数据进行处理,成功获取该地区的数字高程模型。

合成孔径雷达干涉测量;数字高程模型;EarthView InSAR;数据处理

合成孔径雷达干涉测量技术(Synthetic Aperture Radar Interferometry)诞生于20世纪60年代末,是一门根据复雷达图像的相位数据,提取地面目标三维空间信息的技术,其基本思想[1-5]是:利用两幅天线同时成像或一副天线相隔一定时间重复成像,获取同一区域的复雷达图像对,由于两幅天线与地面某一目标之间的距离不等,使得在复雷达图像对同名象点之间产生相位差,形成干涉纹图(Interferogram),干涉纹图中的相位值即为两次成像的相位差测量值,根据两次成像相位差与地面目标的三维空间位置间存在的几何关系,利用飞行轨道的参数,即可测定地面目标的三维坐标,它可以用来提供大范围的高精度数字高程模型(DEM)。本文基于EarthView InSAR软件,利用 ERS-1卫星提供的SAR数据对加拿大魁北克省谢弗维尔镇进行实验研究,取得了良好的效果。

1 EarthView InSAR软件简介

目前,国内外许多机构和科研单位开发了可用于干涉测量处理的软件,例如:荷兰Delft科技大学的 Kampes等人开发的主要基于Unix或Linux的DORIS软件;美国的一个研究 SAR小组开发的ASFSoftw areTools软件;美国芝加哥大学的两位教师创办的公开渠道软件RO I_PAC,目前有30多个科研机构在使用;瑞士 GAMMA公司推出的基于Unix、Linux或 W indow s操作系统的 GAMMASAR软件,其 ISP、D IFF&GEO模块,能够处理星载和机载干涉雷达数据;EarthV iew InSAR干涉雷达处理软件;国内有“863”课题组支持开发的“通用遥感平台”软件,其中武汉大学的 Geo Imager 5.0和中国测绘遥感研究院的 Image Info 1.0也包含了InSAR处理模块[6]。

EarthView InSAR软件是加拿大A tlantis研究所开发的专业雷达处理软件。该系统以W indow N T/2000系统为平台,具有良好的图形化界面(GU I),并提供完全的处理过程,支持 ERS-1、ERS-2、RADARSA T及JERS-1等传感器的 SAR数据格式。通过采用 EV-InSAR系统可获取m级精度的DEM图像,以及mm级的表面连续性变场图像。可用于地震、地面沉降、滑坡、冰川运动等事件的形变场动态演化过程的监测与研究。

EarthView InSAR软件与其他软件相比该软件有简化的安装和授权程序,安装操作简单,适合初学者,数据处理运行速度相对较快。

2 InSAR数据处理流程

InSAR数据处理基本流程如图1所示[6]。

图1 InSAR数据处理基本流程

InSAR数据处理主要有以下几个步骤[7]:

1)选择合适的SAR干涉数据集。对准不同的干涉应用选取合适的SAR干涉影像对,成功地进行InSAR处理,要求进行干涉处理的SAR图像对必须相干。

2)SAR信号数据处理成SLC影像。如果所获取的数据是 SAR原始信号(Raw Data),必须对SAR信号进行成像处理,生成单视复影像(SLC)。

3)SAR影像对的配准。在进行SAR干涉测量时,SAR影像对粗配准后还必须进行精配准以保证输出的干涉条纹具有良好的相干性。受配准误差干涉纹图影响的可以通过相干强度分析出来,通常影像的配准误差必须在1/8个像元以下才对干涉条纹的质量没有明显的影响。

4)配准后的影像对作共轭相乘,生成干涉纹图。计算相干系数,一般情况下,相干系数存在一定的偏差,通过对相干估算值进行空间平均可纠正这种偏差。

5)去除“平地效应”。“平地效应”是高度不变的平地在干涉纹图中所表现出来的干涉条纹随距离向和方位向的变化而呈周期性变化的现象。“平地效应”可通过对干涉纹乘以复相位函数去除。

6)干涉纹图的滤波和二次采样。通常需要对干涉纹图进行滤波和二次采样,利用滤波消除顶低位移对相位数据的影响,方位向滤波增强干涉纹图的信噪比,二次采样减少后期处理的数据量。

7)相位解缠。相位解缠就是从相位差图像中恢复真实相位差的过程。相位解缠是InSAR处理中尤为关键的一步,相位解缠结果的好坏直接影响InSAR的最终数据产品。

8)高程计算和地理编码。为了实现解缠相位到高程的转换,需要有精确的基线参数,所以必须精确估算干涉测量的几何参数。利用参数代入转换公式,可实现解缠相位到高程数据的转换。InSAR DEM所处的坐标系是SAR系统的斜距-方位坐标系,为了将DEM提供给最终用户使用,DEM必须转换到通用的地理坐标系中。

3 应用实例

3.1 实验数据简介

实例中所用的干涉SAR图像对是加拿大魁北克省谢弗维尔镇ERS-1数据。其中,主图像的获取时间为1994-01-09,辅图像的获取时间为1994-01-12,时间间隔为3 d。

3.2 数据处理的步骤和成果图

EarthView InSAR 4.0版本共有4种处理模式:DEM;利用外部DEM生成DEM(DEM With External);二轨法差分干涉处理(2-Pass Differential);三轨法差分干涉处理(3-Pass Differential)。本文选择DEM模式,DEM模式用于生成与“常规”DEM(数字高程模型)有关的图像产品,包括增强的干涉图、相位解缠后的相位图、高度图和相干图。

DEM产生时,以SLC影像为初始输入数据,通过粗配准、像元级配准和亚像元级配准、重采样、干涉图生成和去平地效应、干涉图滤波和解缠、高程转换和地理编码最终生成DEM和形变图。

数据处理过程中,按照软件具体操作顺序进行。具体运行时分为8个步骤:数据输入、配准分析、配准、产生并过滤干涉图、增强干涉相位、干涉图相位解缠、从相位产生DEM、输出产品。其中,相位解缠是InSAR数据处理的关键步骤,相位解缠的好坏直接影响到生成DEM产品的质量,在EarthView In-SAR软件处理中(如图2所示),采用的是迭代圆盘屏蔽算法(Iterative Disk M asking A lgo rithm)进行相位解缠。该方法偶尔会出现解缠相位不好的情况,此时需要利用解缠编辑工具(Unw rap Edit Tool)对相位解缠后的图像进行改正,人为地设置一条屏蔽线,从而对断点进行修复,最终得到高质量的相位解缠结果。

图2 EV-InSAR主界面

图3中的粗直线表示为相位断点的误差。若放大图像中央小山,可以看到小山周围有一个U型区域,该区域中没有被屏蔽的地区用深灰色表示,连接覆盖区域的粗直线形成相位解缠断点。在解缠图像的右下角有一些相位解缠误差。在此区域大多数粗直线是在相位解缠控制屏蔽之内。其中一条粗直线代表有一个相位断点,即从一个像元到下一个像元有360°相位的跳跃。从相干图3中,可以预见有相位断点或低相干度的、被屏蔽出来的区域。从干涉图4中,可以看到边缘的连接是光滑的而且通过相位的旋转循环是均匀的。在这些区域内,可以预料相位是连续的,且应该没有相位解缠误差。因此,可以推断,矩阵框内粗直线事实上是相位断点,需要加以改正。

从图4增强的干涉图中可以看出,干涉条纹明显,图像相干性好于图5反映带有地理编码的DEM情况,图像颜色的变化反映地面的起伏状况,颜色越深高程值越小,颜色越浅高程值越大。

图5 带有地理编码的DEM

4 结束语

利用 EarthView InSAR 4.0软件对加拿大魁北克省谢弗维尔镇ERS-1数据进行处理,提取出了该地区m级精度的数字高程模型(DEM),进一步展示了SAR数据提取DEM的有效性。该软件不但能利用 ERS-1数据提取DEM,同时利用 RADARSA T数据提取高精度DEM。EarthView InSAR软件功能比较强大,有效地提取D-InSAR技术获取的地表变形信息(精度可达mm)。此外,该软件的CTM模块能够方便的的实现PS技术的应用。随着InSAR数据处理技术的不断发展与完善,EarthView InSAR软件也将进一步提高产品精度。

[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 宁.雷达影像干涉测量原理[M].武汉:武汉大学出版社,2003:13-14.

[4]刘国祥,刘文熙,黄丁发.InSAR技术及其应用中的若干问题[J].测绘通报,2001(8):10-12.

[5]陈 强,刘国祥,李永树.粗/精轨道数据对卫星 InSAR DEM精度影响的对比分析[J].遥感学报,2006,10(4):475-481.

[6]李平湘,杨 杰.雷达干涉测量原理与应用[M].北京:测绘出版社,2006:44,107-108.

[7]王 超,张 红,刘 智,等.星载合成孔径雷达干涉测量[M].北京:科学出版社,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

史卫平(1984-),女,硕士研究生.

[责任编辑李铭娜]