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InSAR技术用于西安地区DEM生成的精度分析

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InSAR技术用于西安地区DEM生成的精度分析杨成生1，赵超英1，季灵运2(1. 长安大学地质工程与测绘工程学院，西安 710054；2. 国家地震局第二形变监测中心，西安 710054)摘要：InSAR具有能够实现全天时、全天候的对地观测等特点，现已成为空间对地观测技术的研究热点。

本文论述了合成孔径雷达干涉测量(InSAR)技术生成DEM的原理、方法以及该过程存在的误差、减弱办法，最后对利用InSAR生成的西安地区DEM与1：5万比例尺的外部DEM进行了比较，并分析了其精度。

关键词：合成孔径雷达干涉测量；数字高程模型；精度分析中图分类号：P228.6 文献标识码：BAbstract：InSAR has already become a hot topic of the technique that can observe earth from space because of its day to night and all-weather imaging capability. This paper discusses the principle of DEM generation from synthetic aperture radar interferometer (InSAR) technique，processing，existed errors and the method for error mitigation. Finally，the DEM of Xi'an area，which acquired from InSAR and the local DEM of 1∶50，000 are compared and the accuracy of them analyzedKey words：InSAR；DEM；quality assessment0前言合成孔径雷达干涉测量是一种新型的空间技术，主要应用之一就是大范围的数字高程模型(DEM)的生成，如美国在2000年进行的SRTM就是采用航天雷达干涉技术生成全球约80%区域的DEM，其精度和技术参数如表1所示[1]。

除此之外InSAR还广泛应用于地球表面的监测，垂直形变和水平形变，如地震监测、火山监测、地面沉降、冰川、煤矿开采塌陷、滑坡、地裂缝等监测。

本文以西安地区为研究区域，首先介绍了InSAR技术生成DEM的原理、方法及其存在的问题及其解决办法，最后对InSAR生成的DEM与当地1∶5万比例尺的外部的DEM进行了比较和分析。

SRTM参数信息表1波段类型获取范围产品类型高程精度参考系C波段/X 波段南纬54°至北纬60°分辨率30m/90m13m/30m水平：WGS84垂直：WGS84EGM961InSAR技术生成DEM的原理与步骤利用InSAR技术生成DEM的基本原理是利用SAR卫星在不同的时间以不同的视角获取的同一地区两幅SAR影像，通过对其配准并共轭相乘得到SAR干涉图；由于SAR干涉图中包含了地面高程的相位信息，所以在对干涉图进行了滤噪和去平地效应之后，再进行相位解缠，就可以得到地面高程信息。

图1显示了雷达干涉测量的几何示意图，式(1)给出了地面高程的计算式。

图1 雷达干涉几何示意图()()224cos2sin4BZ y hBλπθλϕθαπ⎛⎞−⎜⎟⎝⎠=−⋅⎡⎤⎛⎞⋅−−⎜⎟⎢⎥⎝⎠⎣⎦ϕ(1)利用InSAR生成DEM的处理过程可用图2表示。

收稿日期：2007-07-09；修订日期：2007-08-02基金项目：国家自然科学基金项目(40672173)；国家自然科学基金重大项目(40534021).作者简介：杨成生(1982 -)，男(汉族)，河南新乡人，硕士.图2 InSAR生成DEM的处理流程图2InSAR技术用于DEM生成存在的误差及其减弱措施影响InSAR技术提取DEM的精度的因素很多，其主要误差来源归纳起来大致有如下几种：(1)重复轨道干涉模式下，雷达单视复数影像的配准误差。

影像的配准精度是影响InSAR测量高程精度的关键因素之一。

如果两幅复数影像的同名点相互错开一个像素，虽然此时干涉图得到的能量图依然清晰可辨地形地貌特征，而两幅影像的相位信息将完全不相干，干涉相位图为纯噪声[2]。

因此，配准精度越高越好，一般要达到1/8像素精度。

但是，由于成像条件复杂多变，侧视成像造成的阴影与叠掩区域、时间失相关以及雷达图像特有的斑点噪声等原因，要达到十分理想的配准精度很困难。

目前，很多学者对提高影像配准精度提出了若干比较成功的算法，在成像质量好的情况下，配准均能达到子像素级。

(2)复杂地区的相位解缠误差。

相位解缠就是恢复雷达影像的原始相位值，而雷达信号的低信噪比、地形起伏引起的迭掩、阴影以及其它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，都会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了极大的困难。

因此二维相位展开成为干涉SAR数据处理中最为困难的问题之一。

因此，对于相位解缠误差可以根据实际的情况选择不同的解缠算法，通常Flynn 最小不连续法和Snaphu网络流算法结果可靠性较好，在大多的情况下都能得到较好的全局解[3]。

(3)轨道参数的不确定性以及基线估算的不准确性引起的误差。

从InSAR测高的基本原理可以知道基线估算的不准确将直接影响测高的精度。

通常要获取准确的基线，需要根据卫星轨道星历表参数和雷达系统本身参数来估算。

然而轨道参数的不确定性将会给基线估算引入误差。

但目前还没有较好的算法来准确地确定基线。

对于ERS-1/2以及envisat卫星的轨道数据可以从荷兰DELFT大学网站上免费下载，用来减少配准误差和去除平地效应[4]，必要情况下还要人为地对基线进行调整。

(4)在有较多植被覆盖区域的去相关引起的相位噪声。

由于两幅SAR影像获取期间作物或植被的生长，树木的季节变化(树叶的生长和掉落)，以及风向变化引起的植被运动等等，都会引起相位的去相关，给干涉图造成相位噪声。

人工角反射器的应用将会消弱此类相位噪声。

这些误差或是由于SAR所特有的成像方式引起的，或是干涉测量极力所引起的[5]，所以仔细的处理数据是非常有必要的。

适当的相位滤波和多视处理都能有效地消弱噪声的影响。

3比较分析为了分析InSAR生成的DEM在西安地区的精度，我们采用ERS-1卫星分别于1993年1月29日和3月5日获取的西安地区的影像数据作试验，影像参数见表2。

影像参数表2垂直基线平行基线基线角α入射角θ高程模糊度143.8m 95.4m -11.1deg 22.4deg 65.9m实验中假定本研究所购买的西安地区1∶5万比例尺的DEM为真实的西安地区的地面高程。

由于InSAR生成的DEM里面不仅包含了透视伸缩扭曲和垂直偏移，而且还与外部DEM之间存在着位置、方向和空间分辨率之间的不同[6]，所以为了便于比较利用InSAR生成的DEM与1∶5万比例尺的DEM之间的差异，生成的DEM必须与外部DEM具有相同的输出格式，同时两个DEM也应该在同一坐标系下。

还有，由于InSAR生成DEM过程中的地理编码是一个非线性复杂的过程，因此，同一坐标系下的两个DEM在同一点上的坐标值还存在着一定的差异，需要做一定的影像纠正。

本实验首先将1∶5万比例尺的DEM 内插成20m地面分辨率的DEM，使之与SAR生成DEM具有相同的地面分辨率，然后再将两者作差比较。

图3、图4分别为SAR生成DEM和1∶5万比例尺的DEM，图5是两者作差后的DEM。

71m 50m 25m 0m -25m -50m -75m -100m -115m0.0km 2.5km 5.0km 7.5km 10.0km12.5km图3 SAR 生成的西安地区DEM519m 500m 475m 450m 425m 400m 376m图4 1∶5万比例尺的西安地区DEM70m 50m 25m 0m -25m -50m -72m图5 作差后的西安地区的DEM20m 0m -20m2.5km7.5km12.5km21.5km图6 左上至右下差值剖面图20m 0m -20m2.5km 7.5km 12.5km22.3km图7 左下至右上差值剖面图500004000030000200001000012345678图8 差值绝对值分段显示图两者的差值最大的达到71m ，最小的达到-72.5m ，绝对平均差值为11.953m 。

图6和图7是作差后的西安地区的DEM 的对角剖面图，图8显示了差值绝对值在0~80m 各段的分布情况，由上可知误差在20m 以内的地区占82.2%。

在图5中可以看到在图的左上部分存在一个系统残余，考虑到其范围比较大，很有可能是由三个方面的原因造成的：一是轨道及基线误差所引起的；二是大气延迟的影响；三是雷达卫星固有的侧视成像模式所造成的。

4 结论通过以上的比较分析，可以认为利用InSAR 生成的DEM 在西安地区82.2%的高程误差在20m 左右，绝对平均差值为11.953m ，可以满足1∶25万地形图测量。

同时在实验的过程中还存在一个问题，相同范围DEM 的选取方法还需要作进一步的优化，由于同一坐标系下两个DEM 之间还存在着一定的差异，所以要选取相同的比较范围还要作一定的影像纠正，本文中则通过选取特征点，对两DEM 之间的平移近似地做了平均，方法还比较粗糙，需要改进。

参 考 文 献[1] Farr ，T.G.，M. Kobrick. Shuttle Radar Topography Missionproduces a wealth of data [J ].Amer. Geophys. Union Eos ，583~585，2000.[2] 陈鹰，于晶涛. 合成孔径雷达复数影匹配准方法研究[J ]. 中国科技论文在线.[3] 李陶. 重复轨道星载SAR 差分干涉监测地表形变研究[D ]. 武汉：武汉大学，2004.[4] Scharroo ，R.，Visser ，P.N.A.M.，Mets ，G.J.，1998，Precise orbitdetermination and gravity filed improvement for ERS satellites ，Journal of Geophysical Research [J ]. 101(E10)，pp.23109~23125. [5] 廖明生，林珲. 雷达干涉测量—原理与信号处理基础[M ].北京：测绘出版社，2003.[6] Masafumi Iwamoto Takahiko Fujisaka. Evaluation of elevation derivedfrom interferometric SAR data with DEM [J ]. IEEE. 7803~3836. 1997，7.。

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基于sbas_insar的西安地表沉降监测

基于sbas_insar的西安地表沉降监测

Keywords: InSAR, Land Subsidence, SBAS-InSAR
II
目录
第一章 绪论 ............................................................................................................................................... 1 1.1 研究背景 ...................................................................................................................................... 1 1.2 国内外研究现状 ......................................................................................................................... 2 1.2.1 国外 InSAR 应用研究现状 .......................................................................................... 2 1.2.2 国内研究情况 .................................................................................................................. 4 1.3 研究的内容与目标 .................................................................................................................... 5 1.3.1 研究目标和意义 ............................................................................................................. 5 1.3.2 研究的主要内容 ............................................................................................................. 5 1.4 论文组织结构 ............................................................................................................................. 6
InSAR技术在陕西省地理国_省_情地表沉降监测中的应用研究

InSAR技术在陕西省地理国_省_情地表沉降监测中的应用研究

InSAR技术在陕西省地理国（省）情地表沉降监测中的应用研究张庆涛刘伟东吴华为王宏宇（国家测绘局第一大地测量队陕西西安710054）Application of InSAR Technology in Land Surface Sedimentation Monitoring inShaanxi Provincial Geographic MonitoringZHANG Qingtao LIU Weidong WU Huawei WANG Hongyu摘要：地表沉降监测是地理国（省）情监测的一项重要内容。

采用合成孔径雷达干涉测量（InSAR）技术，运用基于SAR影像的时序分析数据处理方法，获取地表沉降范围、沉降量和年沉降变化速率等监测成果，较好地解决了煤矿分布区大面积小量级沉降与采空区大尺度塌陷交错的复杂沉降监测难题。

关键词：地理国情监测；地表沉降；合成孔径雷达；干涉测量；时序分析中图法分类号：TU196地表沉降监测是地理国（省）情监测的一项重要内容。

櫏櫏櫏櫏櫏櫏櫏櫏櫏櫏櫏櫏櫏櫏櫏櫏櫏櫏櫏櫏櫏櫏櫏櫏櫏櫏櫏櫏櫏櫏櫏櫏櫏櫏櫏櫏櫏櫏櫏櫏櫏櫏櫏櫏櫏櫏陕西省是全国第一个地理国情监测试点省产区。

陕北丘陵属于陡坡地区，低丘陵地区可以进行农业生产，通过修建梯田、坝地等土地整治活动可以改善农业生产环境。

关中地区地势平坦，灌溉便利，土壤性质适于农业生产，是工农业充分发展和人口聚集的区域，因此城镇密度和人口密度远远大于陕北和陕南。

关中的城镇密度约为陕北的3倍，陕南的2倍，人口密度的比例差距分别为7ʒ1和4ʒ1。

上述区域要素特征分析符合人们对陕北―关中―陕南自然特点的认识，这就说明从划分结果的角度来看，根据水文地貌关系对“陕北―关中―陕南”进行划分的方式是合理的。

4结论与讨论1）基于水文地貌关系对陕北、关中、陕南3个区域划分的方法是有效和可行的，划分结果的区域形状和位置符合人们对区划概念的理解，统计参数和区域要素特征符合人们对区域地理环境的认识，因此这种划分方式是合理的，可以为陕西省地理国（省）情监测成果提供区划统计支撑。

基于InSAR技术的DEM提取及_省略_SARDEM精度与地形因子的关系_张博

基于InSAR技术的DEM提取及_省略_SARDEM精度与地形因子的关系_张博


图 3 试验区 DEM 比较及高差分布统计
通过对高程差异进行统计分析，得出标准差为 12． 50 m。 f（ x，y） 在东西方向、南北方向上的高程变化函数，即
图 3-D 误差基本符合正态分布，离散度较小，分布曲线陡峭。 由图 3-C 可知，平坦地区高程精度高，地形起伏较大地区高 程精度差，即地形特征复杂地区高程差异也增大，高程差异 与 DEM 变化相似。可知高程精度与地形因子密切相关。 3． 2 InSAR DEM 与地形因子的关系分析 地形因子是为
摘要 为研究基于 InSAR 技术 DEM 精度以及与地形因子的关系，以巴姆地区 ENVISAT 卫星 SAR 影像作为试验数据。利用 InSAR 技术 提取 DEM，研究 InSAR DEM 与 SRTM-3 DEM 精度关系，同时重点研究 InSAR DEM 的精度与地形因子关系特征。结果表明，研究区域 InSAR DEM 与 SRTM-3 DEM 高程差异的中误差为 12． 50 m，并且精度与地形因子密切相关。 关键词 InSAR DEM； 精度； 地形因子 中图分类号 P 228 文献标识码 A 文章编号 0517 － 6611（ 2012） 06 － 03767 － 03
2． 2 DEM 提取流程 在 DORIS 环境下，轨道号为 6687、 9192 分别为主副影像，基于 InSAR 技术根据图 2 InSAR 数据 处理流程提取试验区域 DEM。
图 2 InSAR 数据处理流程
2． 2． 1 主副影像配准。影像配准为 InSAR 技术提取 DEM 的关键之一。在分别读取主副影像的头文件、数据体信息以 及轨道信息 后，为 了 得 到 准 确 的 干 涉 相 位，必 须 精 确 配 准。 目前，关于 InSAR 数据处理配准算法有相干系数法、最大干 涉频谱法、相位差影像平均波动函数法等。该试验采用最大 干涉频谱法处理研究区域影像数据，达到影像精确配准。 2． 2． 2 生成干涉图。影像配准完成后，InSAR 数据的处理 流程就是生成高质量的干涉图。将配准后的两幅影像对复 共轭相乘就可以得到干涉纹图。 2． 2． 3 干涉图滤波及解缠。由于高质量的干涉图对 DEM
利用星载InSAR技术获取DEM及误差分析

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65第2期周伟文：用星载InSAR技术获取DEM及误差分析利用星载InSAR技术获取DEM及误差分析周伟文（广东华远国土工程有限公司　广东中山　528400）Analysis of DEM Acquisition and Error Sources Using Space-borne InSAR TechniqueZHOU Weiwen摘　要：星载干涉合成孔径雷达(InSAR)技术是一种高效的数字高程模型（DEM）获取方法，对其展开探讨具有十分重要的意义。

对利用InSAR技术获取DEM的技术流程进行介绍，并分析利用星载InSAR技术获取DEM的误差来源。

关键词：星载干涉合成孔径雷达；数字高程模型；误差分析中图法分类号：P227当前，数字高程模型已经在国民经济、环境规划监测等领域得到了广泛的应用。

InSAR技术是一种数据覆盖范围广、经济、高效、便捷的DEM获取方法，具有全天候全天时、大面积成像等优点，因此，对利用星载InSAR技术获取DEM 的研究具有重要的实际意义。

本文对利用星载InSAR技术获取DEM的技术流程进行介绍，并分析了利用星载InSAR技术获取DEM的误差来源。

1　获取DEM的技术流程InSAR是微波遥感领域发展的重要方向，不仅具有SAR 的优点，而且由于利用了雷达回波的相位信息，使得InSAR 在获取地表数字高程模型和地形微小形变方面发挥了越来越重要的作用。

在地形复杂区域，选择数据时要选择合适的雷达卫星平台、斜视模式及入射角，尽量减少SAR 图像中的近距离压缩、透视收缩、叠掩和阴影。

对于平均坡度为30°左右的中等起伏地形，宜选用中等入射角的SAR 系统（如入射角为20°的ERS-1/2,SEASAT等），对于坡度达到60°的高起伏地形，宜选用低入射角SAR 系统（如入射角低至10°～15°的RADARSAT-1等）。

另外，波长对时间失相干也有较大影响，同一测区，传感器波长越大，成像受时间失相干影响越小。