基于Sentinel-1A雷达影像的DEM提取方法
巢子豪;谢宏全;费鲜芸
【摘 要】合成孔径雷达干涉测量是一种提取数字高程模型、探测地表形变的新技术,近年来已成为快速获取精确DEM的重要手段.以Sentinel-1A雷达影像为数据源,基于InSAR技术提取日本四国岛地区的DEM.结果表明,利用InSAR生成的DEM总体上符合该地区实际地形.基于InSAR技术的Sentinel-1A雷达影像反演DEM在日本四国岛地区是行之有效的.
【期刊名称】《淮海工学院学报（自然科学版）》 【年(卷),期】2015(024)002 【总页数】3页(P56-58)
【关键词】合成孔径雷达干涉测量;数字高程模型;Sentinel-1 A;四国岛;SARscape 【作 者】巢子豪;谢宏全;费鲜芸
【作者单位】淮海工学院测绘工程学院,江苏连云港222005;淮海工学院测绘工程学院,江苏连云港222005;淮海工学院测绘工程学院,江苏连云港222005 【正文语种】中 文 【中图分类】X87
数字高程模型（DEM，digital elevation model）在地质监测、自然灾害分析、工程选址等领域都起到极为重要的作用.合成孔径雷达干涉测量（InSAR，synthetic aperture radar interferogram）是一种从雷达单视复数影像中提取相
位信息，并将其作为信息源提取地面三维信息或形变信息的技术［1］.InSAR技术近年来已成为快速提取高精度DEM的有效方法之一，是国内外专家学者在雷达遥感领域的一个新的研究方向.余景波等［2］在ENVISAT卫星影像的基础上，以Earhview InSAR软件获取巴姆地区的DEM.朱昊等［3］以山西大同矿区为例，研究了使用InSAR技术提取矿区高程信息的可行性.A.Geymen［4］使用InSAR技术反演了土耳其开塞利省的DEM，并评价了其反演精度.本文利用2期Sentinel－1A雷达重复降轨影像，使用InSAR技术，研究了Sentinel－1A在日本四国岛地区反演DEM的可行性，并将反演结果在ArcScene软件中进行了三维展示. 1 数据来源
Sentinel－1A卫星是欧洲太空局哨兵系列发射的首颗雷达成像卫星，能够提供连续的、全天候的雷达影像.本文选取了日本四国岛2014年11月16日和2014年11月28日的2期Sentinel－1A雷达影像作为DEM反演的试验数据，影像下载自The Sentinel－1Scientific Data Hub 网 站 （https：／／scihub.esa.int／），其基本信息如表1所示.2期影像时间间隔为12d，较短的时间间隔保证了地形的较小变形，较高的分辨率为高精度DEM的反演提供了基础.2期影像均为单视复数影像（single look complex，SLC），为地理参考级产品，无需导入处理，地理编码和辐射定标在DEM反演过程中进行.
表1 雷达影像基本信息Table 1 Basic information of radar images获取卫星 产品级别成像日期极化方式接收模式轨道方向 分辨率Sentinel－1ASLC 2014－11－16VV IW DESCENDING 5m×20m Sentinel－1ASLC 2014－11－28VV IW DESCENDING 5m×20m
InSAR技术反演DEM，需参考DEM以去除干涉图中的地形相位.本文所需的参考DEM由ENVI5.1中的SARscape模块联网获取，获取工具为GTOP030，获得的参考DEM分辨率为90m×90m.
2 InSAR反演技术流程
目前，ENVI5.1软件中带有的SARscape5.1模块已封装有InSAR技术反演DEM的流程化工作模式，且已支持Sentinel－1A卫星数据的地形反演.基于SARscape5.1模块的DEM反演步骤如下.
（1）基线估算.基线估算用来评价干涉像对的质量，当获取地面反射时至少有2个天线重叠，才可以产生干涉.本文中的基线估算结果显示，高程和形变的精度随着相干性的增加而提高.基线长度为12.691m，远远小于临界基线的1／3，能探测的最小高程变化为1 209.348m，最小形变量为0.028m.基线估算结果表明，研究所用的2期干涉像对质量符合InSAR技术要求.
（2）干涉图生成.本文中2期Sentinel－1A 的SLC数据，经距离向为1、方位向为6的多视处理，约可得到25m的地面分辨率，处理时需从参考DEM中获取干涉所需的投影参数.处理后可得到经过配准和多视的2期数据的干涉图和主从影像的强度图.生成的干涉图如图1a所示.
（3）自适应滤波及相干性计算.自适应滤波及相干性计算即对去平后的干涉图进行滤波处理，滤波方式可选用Boxcar，以去除由平地干涉引起的相位噪声，生成干涉的相干图和滤波后的主影像强度图.生成的相干系数图系数分布于0～1之间，值越大说明该区域的相干性越高，值越小，相干性越低，表明该区域在该时间段内发生了变化.相干性系数的计算可为轨道精炼和重去平提供帮助.
（4）相位解缠.相位解缠可解决相位的模糊问题，恢复雷达影像的原始相位值.而雷达信号的低信噪比、地形起伏引起的叠掩、阴影以及其他各种原因造成的去相关现象等都会造成相位数据的不连续，导致干涉相位图中相位的趋势和周期性的破坏，为各周期的分离带来极大的困难.因此二维相位展开成为InSAR数据处理中最困难的问题之一.本文使用的区域增长法同样具有较好的适用性.文中解缠相干性阈值设置为0.2，对相干性系数大于0.2的区域进行解缠，以保证提取精度.解缠后的相位
图如图1b所示.
图1 影像处理过程Fig.1 Maps of image processing
（5）轨道精炼和重去平.Sentinel－1A的雷达数据中包含精确的轨道信息，但仍需修正轨道参数，以校正相位偏移，校正后解缠图像头文件中的相关信息会作出修正.轨道精炼需要通过设定控制点来完成.控制点一般选择相位相干性好的，尽量选择平地区域，避开相位突变地区.本文共选取控制点25个.
（6）相位高程转换.相位高程转换是将经过绝对校准和解缠的实际相位，结合合成相位，生成进行过地理编码的DEM文件.本文中投影信息为UTM，椭球参数为 WGS84，WGS坐标分区号为53，产品相干性阈值为0.2，对相位缺少地区进行内插处理，最后生成分辨率为25m×25m的DEM.
转换高程后生成的数字高程模型局部区域出现像元值的缺失，在研究区域东南侧的山地处缺失较为明显.但反演结果总体上仍符合研究区域的基本地形情况，西北、东南沿海城镇地区与河谷地区地势较为低平，中部山地地势起伏较大.因此，基于In－SAR技术的Sentinel－1A数据DEM反演在日本四国岛地区是行之有效的.InSAR提取的四国岛数字高程模型如图2所示.
图2 四国岛地区数字高程模型Fig.2 DEM of Shikoku area 3 数字高程模型三维显示
数字高程模型虽然带有高程信息，但在二维平面上无法直观地显示，无法对区域地形的起伏及沟、谷、鞍部等基本地形进行直观判读.相关学者在该领域进行了研究.陈天伟等［5］以VB6＋MapX为开发平台，用编程的形式实现了对断裂地形的三维显示.丁伟翠等［6］通过叠加DEM与地质构造图，实现了湖南省DEM的三维可视化.ArcScene是美国ESRI公司开发的ArcGIS软件桌面系统3D分析扩展模块中的一部分，是一个适合于展示三维透视场景的平台，可以在三维场景中漫游并与三维矢量与栅格数据进行交互，适用于数据量比较小的场景3D分析显示.
为充分模拟地表情况，可在DEM的表面覆盖上遥感影像.本文以同一区域2014年8月3日的landsat影像作为皮肤进行覆盖.为尽量贴近地表实际情况，波段组合效果设置为标准真彩色.由于研究区水平变化远大于其垂直变化，为突出强调地表的变化，将地表垂直拉伸为原高程的5倍.三维显示后可以直观地发现反演结果整体上遵循实际地形，呈现中部山区地势起伏、沿海城镇区域较为平坦的规律.但在山区植被茂密、地形起伏较大处，反演精度相对较低.三维显示处理后的研究区数字高程模型如图3所示.
图3 数字高程模型三维展示Fig.3 3Drenditions of DEM 4 结论
通过观察研究区实际地形可以发现，基于In－SAR技术的Sentinel－1A影像地形反演结果整体上符合实际地表情况，呈现西北、东南角平坦，中部山区起伏较大的特点.城镇地区地势平坦，植被较为稀疏，DEM的反演精度更高；而在地形相对陡峭的山区，由于雷达叠掩和阴影等因素的影响，使2期雷达影像的相干性降低，从而影响了DEM的反演精度.总体而言，基于InSAR技术的Sentinel－1A影像反演DEM，在日本四国岛地区是行之有效的.
【相关文献】
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