基于InSAR技术在山地区域DEM提取及精度评定

基于InSAR技术在山地区域DEM提取及精度评定

王召邦

青海盐湖工业股份有限公司钾肥分公司青海格尔木市816000

摘要：近年来，随着数字地球、数字中国、数字区域、数字城市等研究在全球的蓬勃展开，DEM为这些数字工程提供着重要的空间数据支持，是其创建和应用的基础。随着遥感技术的发展，利用遥感影像获取山区DEM在我国测绘工作也已经得到广泛应用。文章重点就基于InSAR技术在山地区域DEM提取及精度评定进行研究分析，以供参考和借鉴。

关键词：InSAR技术；山地区域；DEM提取；精度评定

引言

随着科技的进步，航空航天业的发展，InSAR技术成为测绘行业获取地面高程信息的全新手段。雷达波遥感不同于光学影像遥感，属于主动式遥感，可以提供全天时服务。另外，雷达波具有穿透性，能透过云层、浓雾、烟尘等，可以提供全天候服务，为光学传感器困难区域填补空白。InSAR技术的最早应用领域就是数字地面高程提取，后来随着传感器升级，卫星数量增多，该技术在地形测绘、海洋表面状态监测、农作物监测以及地表形变监测等方面得以广泛应用。雷达数据获取时传感器搭载在飞机上或者卫星上，数据处理的方式和关键技术也会有所差异。

1数字高程模型（DEM）的特点

1.1容易以多种形式显示地形信息

地形数据经过计算机软件处理后，产生多种比例尺的地形图、纵横断面图和立体图，而常规形图一经制作完成后，比例尺不容易改变，如要改变比例尺或者要绘制其他形式的地形图，则需要人工处理。

1.2精度不会损失

常规地图随着时间的推移，图纸将会变形，失掉原有的精度，而DEM采用数字媒介因而能保持精度不变。另外，人工方法由常规的地图制作其他种类的地图，精度会受到损失。而由DEM直接输出，精度可得到控制且不会损失。

1.3容易实现自动化、实时化

常规地图要增加和修改都必须重复相同的工序，劳动强度大而且周期长，不利于地图的实时更新，而DEM由于是数字形式的，所以增加或改变地形信息只需将修改信息直接输入到计算机，经软件处理后立即可实时化地产生各种地形图。

2基于InSAR技术在山地区域DEM提取

第一，数据转换。利用InSAR模块处理的雷达影像只能用ERDAS的专用格式，因此在进行处理之前得进行数据格式转换，即必须将原始的SLC的SAR图像转换为*.img格式，ERDAS在输入输出模块提供了这种格式的转换；第二，数据导入。将格式转换之后的主从影像在ReferenceImage和MatchImage文件选择框中选择导入；第三，影像配准。影像配准包括粗配准和精配准，所谓配准是指主从影像上的同名点，通过计算偏移量，建立两幅图像之间的对应数学关系。首先进行醋配准，再进行完粗配准后，从影像进行重采样处理，然后采用相同的方法自动匹配搜索，得到一系列的像素点的偏移量和延展值。当子像元配准精度达到1/8像元时，便可满足干涉处理要求；第四，航迹修正。根据现有的轨道预测和建模技术需要对传感器的轨迹进行修正，修正参考图像和匹配图像需要有地面控制点文件；第五，影像裁剪。影像裁剪根据用户需求选择研究区的范围对影像进行裁剪，输出的DEM就是裁剪后的那一部分；第六，干涉图生成。生成干涉图是为了提取正确的干涉相位，并用于InSAR图像的相位解缠。首先选择参考DEM，然后执行干涉条纹图的生成；第七，相位解缠。相位解缠是同观测相位计算绝对相位的过程，通过设置起始和终止相干系数，对相位解缠进行人工干预，控制哪些点会被解缠哪些点不会被解缠，当参数确定后可以采用最小二乘法或路径跟踪法进行相位解缠；第八，高程计算和地理编码。经过相位解缠后可以得到每个点的斜高，然后利用各点斜高及其相互关系可以计算出模型中各点的高程。此步骤中需要设定输出DEM的文件名、输出路径和空间分辨率，InSAR模块默认的投影方式为主影像的投影方式，因此可以进行设置，没有地面控制点得到的DEM为相对高程；第九，生成最终DEM成果。通过上面一系列的步骤可以得到DEM数据，用ERDAS系统的影像观察窗打开，也可以在VirtualGIS窗口进行三维立体显示，更直观的观测研究区的地形起伏状况。

3基于InSAR技术在山地区域DEM提取的质量评价与精度分析

3.1数据准备

选用ASTERGDEM2的DEM数据作为InSAR提取DEM数据的质量评价，ASTERGDEM数据由日本METI和美国NASA联合研制并免费面向公众分发，是目前唯一覆盖全球陆地表面的高分辨率高程影像数据。ASTERGDEMV2版则采用了一种先进的算法对V1版GDEM影像进行了改进，提高了数据的空间分辨率精度和高程精度，并且第二版数据纠正了第一版的异常数据。以GDEMV2版数据作对比，具有一定的可靠性。

3.2数据预处理

GDEM数据采用的是WGS84作为参考坐标系，与提取的DEM数据的坐标系不相同。因而利用ArcGIS软件进行坐标系的转换，使之与InSARDEM数据具有相同的参考坐标系。在质量评价时，两种数据需要进行对比，因而采用三次卷积法进行高程数据重采样处理，使栅格数据的栅格尺寸统一为50m。为方便对比，对这两种数据进行裁剪，裁剪出相同的规则区域，以便进行栅格运算。

3.3研究区DEM数据质量评价及精度评价

将InSARDEM数据与GDEMDEM数据进行减法运算，得到反映InSARDEM误差的栅格数据，其结果统计如下，即最小值：-787；最大值：3947；平均值：7.54；标准差：71.76。利用MATLAB制作减法误差直方图，分析可知，InSARDEM与GDEMDEM数据相比较存在一定误差，误差范围是-787～-3947，其误差范围呈现以0为中心的正态分布，高程偏差较大的数值其栅格单元数所占比例较少，0左右的误差范围内高程栅格单元数所占比例较多。

3.4DEM质量评价及精度分析

分析比较结果发现，InSARDEM相较与GDEMDEM数据存在一定误差，其误差范围较大，那些误差范围较大的点，所占栅格单元数较少，多是由于高程异常值所引起。而此误差也是由多方面原因引起的，其中包括数据的来源，数据提取的技术，研究区的地形地貌，同时作为比较的ASTERGDEM数据也存在着一定影响等，这些都是造成误差的原因。InSARDEM数据由于在获取过程中各方面因素的影响，造成一些数据质量的缺陷，高程数据就会产生明显的异常值，为了减小误差，必须对异常值进行修复。文章利用栅格数据空间插值的方法对该数据的异常值进行了修复，具体操作如下：利用ArcGIS软件将DEM栅格数据转化为点矢量文件，然后剔除明显的异常点，最后对该点矢量文件进行插值运算，得到新的栅格DEM数据，再将其与对应的GDEM数据进行减法运算。经过数据异常值修复，其误差范围减小，精度提高，可应用于一般地形，地貌的研究。

结束语

综上所述，纵观国内外研究，InSAR技术为在恶劣的气候、地形、地貌环境下的土地资源调查、环境监测、地表沉降监测等提供了有效的解决途径和技术手段。InSAR技术是现在研究雷达图像的一个全新技术，其还在发展的阶段，相信随着这个技术的不断发展，高质量的InSAR数据的推陈出新，我们对地形地貌的探索一定会有更大的进步和发展。

参考文献：

[1]赵争.地形复杂区域InSAR高精度DEM提取方法[D].武汉大学，2014.

[2]解博.基于DEM的山地地貌实体划分[D].成都理工大学，2013.

[3]何福红.基于“3S”技术的沟蚀研究方法构建与应用[D].中国农业科学院，2006.