利用雷達攝影測量方法提取DEM及其精度評價

1、利用雷達攝影測量方法提取DEM 及其精度評價鄧磊, 陳悅竹, 陳云浩, 胡德勇, 李京(北京師范大學(xué)資源學(xué)院, 資源技術(shù)與工程研究所, 北京100875; 中華測繪技術(shù)服務(wù)公司, 北京,100088摘要:為了解雷達立體攝影測量中各項因素對最終DEM 精度的影響, 采用馬來西亞熱帶雨林地區(qū)具有不同波束模式和入射角的6對Radarsat -1影像, 應(yīng)用兩種不同的SAR 成像模型, 即距離/多普勒模型和等效共線方程模型, 對使用雷達攝影測量方法提取DEM 進行了試驗。首先分析了兩種成像模型不同的物理基礎(chǔ), 然后通過比較由它們得到的DEM 的精度, 發(fā)現(xiàn)利用距離/多普勒模型提取DEM 的精度優(yōu)于等效

2、共線方程模型; 然后, 利用研究區(qū)的數(shù)字地形圖等參考資料, 分析了不同軌道、不同模式、不同分辨率、不同交角的立體像對組合以及地形因素對DEM 精度的影響, 要得到高精度的DEM , 必須綜合考慮立體像對的選取和研究區(qū)的地形、地貌等特征。關(guān)鍵詞:雷達攝影測量;Radarsat ; 合成孔徑雷達圖像;DEM ; 精度評價中圖分類號:P237. 9文獻標識碼:A 文章編號:1000-3177(2006 85-0037-041引言DEM (Digital Elevation Models 是地表形態(tài)的數(shù)字形式, 它由規(guī)則水平間隔處地面點的抽樣高程矩陣組成, 具有廣泛的應(yīng)用潛力1。隨著遙感技術(shù)的發(fā)展,

3、像提取DEM 已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用。如利用(Spaceborne Thermal Emission , 65m 2, 利用Radarsat SAR 數(shù)生成精度約2060m 的DEM 3, 利用SPO T 數(shù)據(jù)提取的DEM 精度可達10m 以內(nèi)4, 而利用InSAR 生成的DEM 精度可達米級5。SAR 是一種工作在微波波段的主動式傳感器, 能夠不受日照和天氣的限制, 全天候、全天時地對地觀測, 同時由于衛(wèi)星影像成像范圍大, 可重復(fù)對地觀測, 因此SAR 衛(wèi)星影像的應(yīng)用越來越受重視。目前利用SAR 傳感器進行DEM 提取主要分為三種路線69:雷達攝影測量技術(shù)(StereoSAR 和Radarclin

4、ometry , 干涉測量技術(shù)(InSAR 和極化測量技術(shù)(Polarimetry 。盡管InSAR 在精度方面比StereoSAR 具有絕對優(yōu)勢10, 但是綜合科技水平、經(jīng)濟實力、應(yīng)用效益等條件,InSAR 技術(shù)對許多國家來說仍難以實現(xiàn), 而且StereoSAR 與InSAR 兩種技術(shù)之間存在相互補充和融合的領(lǐng)域, 比如, 采用InSAR 獲取DEM 時, 由于大氣相對濕度變化導(dǎo)致干涉相位扭曲, 得到的DEM , 通過將InSAR 和StereoSAR , InSAR 數(shù)據(jù)中-1衛(wèi)星的SAR 傳感、異軌獲取立體影像的特點, 從SAR 影像變得簡單。本文使用熱6對Radarsat 影像構(gòu)成的立

5、體像對, 利用兩種基于不同原理的SAR 圖像成像模型, 進行立體SAR 影像提取DEM 方法的研究。通過試驗, 將兩種成像模型提取的DEM 的精度進行了比較, 同時分析了不同的立體像對組合對DEM 精度的影響。2利用雷達攝影測量方法提取DEM立體像對是由不同攝站獲取的同一地區(qū)的具有一定重疊度的兩張像片, 雷達影像存在高差引起的投影差, 同一高程的地物在兩張雷達影像上投影差不同, 當用兩像片進行立體觀察時將引起視差, 產(chǎn)生立體感。雷達立體成像的方式有兩種, 即在目標同側(cè)成像構(gòu)成立體像對和在目標異側(cè)成像構(gòu)成立體像對, 如圖1所示。異側(cè)獲取的立體像對, 圖像幾何變形差異較大, 而且影像色調(diào)差異也大,

6、 給立體模型的建立和影像匹配帶來困難。而同側(cè)獲取的立體像對, 兩景影像上的變形基本相同, 透視收縮、疊掩和陰影在兩景影像出現(xiàn)的情形大致相同, 引起的色調(diào)差異也較小, 因此, 利用雷達立體圖1立體像對的構(gòu)成方式11收稿日期:2005-12-07修訂日期:2006-03-25基金項目:高等學(xué)校博士點專項科研基金(20030027014 , 三維信息獲取與應(yīng)用教育部重點實驗室開放基金聯(lián)合資助。作者簡介:鄧磊(1976 , 博士生, 主要從事遙感圖像處理研究. E 2m ail :DengL ires. cn732006. 4應(yīng)用技術(shù) 遙感信息影像進行立體測量多采用同側(cè)方式得到的像對。在提取DEM 的

7、過程中, 雷達圖像成像模型的選擇對最終結(jié)果有很大的影響。本研究中, 分別采用了基于距離/多普勒SAR 成像模型和基于等效共線方程的模型1213。2. 1距離/多普勒SAR 成像模型距離/多普勒成像模型是根據(jù)雷達圖像像點的距離條件和多普勒條件表達像點、物點和雷達成像參數(shù)之間的關(guān)系。對于地距圖像, 其距離條件公式為:(X -X s 2+(Y -Y s 2+(Z -Z s 2=R 2(1式中, (X , Y , Z 為地面點坐標, (Xs , Ys , Zs 為地面點對應(yīng)的雷達天線的物方空間坐標, R 是要量測的點到傳感器的斜距。對于方位向, 采用零多普勒條件, 即:當衛(wèi)星飛行速度矢量與天線至地面點

8、距離矢量間的角度為90°時, 多普勒頻率為零, 如公式(2 所示:Vsx (X -X s +Vsy (Y -Y s +V S Z (Z -Z s =0(2 Vsx Vsy Vsz 為衛(wèi)星飛行速度矢量的三個分量。根據(jù)距離/多普勒構(gòu)像方程, 左片和右片可以各列2個方程:(X -X s 1 2+(Y -Y s 1 2+(Z -Z s 1 2-R 21=0V sx 1(X -X s 1 +V sy 1(Y -Y s 1 +V sz 1(Z -Z s 1 =0(X -X s 2 2+(Y -Y s 2 2+(Z -Z s 2 2-R 22=0V sx 2(X -X s 2 +V sy 2(Y

9、-Y s 2 +V sz 2(Z -Z s 2 = 0(3 X s 1Y s 1Z s 1V sx 1V sy 1V sz 1是左片的衛(wèi)星位置矢量和速度矢量; X s 2Y s 2Z s 2V sx 2V sy 2V sz 2是右片的衛(wèi)星位置矢量和速度矢量; 求解方程組(3 , 即可以求得地面點的坐標(X , Y , Z 。2. 2等效共線方程模型SAR 圖像是一種距離投影圖像, 它與可見光圖像的中心投影有很大的差別。K onecny 于1988年首先綜合分析了兩種投影之間的不同, 并提出了利用等效共線方程來描述SAR 成像模型。對于雷達成像, 其等效共線方程為:x gr =0=-f x( (

10、 ( c 1j (X i -X -X sj +c 2j (Y i -Y -Y sj c -Z sj y gr =0=-f y ( c 1j (X i -X -X sj (Y -sj c 3j (Z -Z sj (4X i 、Y i 、Z i 是地面i 點坐標, X sj 、Y sj 、Z sj 在j 時刻的位置, f x 、f y 是等效焦距, x i 點坐標, a 1j 、a 2j 、c 3j 、組成的方向余弦, SAR 圖像, 需要求解6(X sj , Y sj , Z sj , , , 。3實驗結(jié)果本文選擇馬來西半島中部的Raub 地區(qū)進行DEM 提取試驗并進行精度驗證。該研究區(qū)的地理位

11、置在N 3°16-3°47,E 101°37-102°14之間, 覆蓋近3000km 2的區(qū)域, 最高峰2048m 。全境處于熱帶氣候區(qū), 植被覆蓋情況復(fù)雜, 既有大片茂密的原始熱帶雨林, 又有大量的人工種植的油棕和橡膠樹等植物。該研究區(qū)地勢起伏顯著, 有大片的平原區(qū), 同時擁有一系列不同形狀、不同大小、不同高低的山脈集合而成的山地地貌。本次研究使用了研究區(qū)的6對Radarsat 數(shù)據(jù), 其詳細情況如表1所示。精度驗證的數(shù)據(jù)有:該地區(qū)1:50,000地形圖和由等高線提取的圖像分辨率為30m 的DEM 。不同的SAR 成像模型對地面控制點(GCP 的數(shù)目要

12、求有所不同。而GCP 的采集, 一般來說費時費力, 而且在SAR圖像上定位GCP 有一定的難度, 因此, 對GCP 的依賴越少越好。當使用距離/多普勒模型時, 由于Radarsat 的軌道數(shù)據(jù)相對比較穩(wěn)定, 甚至可以不用地面控制點, 完全依靠軌道數(shù)據(jù)進行SAR 影像成像模型的建立。但為了提高結(jié)果的精度, 在本研究中使用Trimble 4000SE 進行野外差分GPS 測量, 得到高精度的地面控制點(GCP , 利用這些控制點對衛(wèi)星軌道參數(shù)進行糾正。對于等效共線方程模型而言, 為有效, 一般要求至少有6個均勻分布的GCP , 但通過試驗我們發(fā)現(xiàn), 一般取多于20個均勻分布的GCP 才能獲得比較好

13、的效果。表2列出了每個立體像對組合使用的GCP 數(shù)目。表1研究區(qū)內(nèi)的Radarsat 數(shù)據(jù)NO. 波束軌道入射角(. 分辨率(m (距離×方位 獲取時間1S6升軌454920×272005-06-16W2升軌31-3925×272005-06-062S230-3720272005-02-08S7升軌39-4219×272005-02 -103S3降軌30-3725×272005-02-10S5降軌36-4222×272005-02-174S5升軌36-4222×272005-02-18S7升軌39-4219×272

14、005-02-115S1降軌20-2724×272005-02-27S3降軌30-3725×272005-02-106F1降軌37-418. 3×8. 42005-03-13F4降軌43-467. 3×8. 42005-02-24表2不同的立體像對使用的地面控制點(GCP 數(shù)目S1/S3S3/S5S5/S7S2/S7W2/S6F1/F4距離/多普勒566764等效共線方程263331261714試驗提取的DEM 像素分辨率均為30m 。插頁2圖1顯示了由W2/S6像對、S2/S7像對組合得到的DEM 和相應(yīng)的地貌圖。4精度評價與分析在實際應(yīng)用中, 常用的

15、DEM 精度評價方法有檢查點法、83遙感信息應(yīng)用技術(shù)2006. 4剖面法、等高線回放法等14。本文主要采用檢查點法和剖面法。按照地理坐標, 在6個DEM 中, 隨機選取大小相同的6塊進行驗證, 大小為26km ×43km 。結(jié)合DEM 和地形圖取得該區(qū)域內(nèi)270個點的高程值作為檢查點, 使用總均方根差(RMSE 對DEM 進行精度檢驗。其定義為:RMS E =n(y i -y i 2n (4 式中, y i 和y i 分別為測定值和預(yù)測值, n 為樣本數(shù)。表3列出了使用檢查點對DEM 進行精度檢驗的統(tǒng)計結(jié)果。表3DEM 精度檢驗結(jié)果(單位:m 像對交角RMSE 均值標準差等效共線方程

16、W2/S610. 041. 251. 2541. 23S2/S719. 236. 9714. 3134. 08S1/S310. 855. 85-16. 1353. 47S3/S55. 178. 3714. 5677. 00S5/S77. 749. 0717. 6645. 78F1/F45. 846. 20-5. 9345. 82距離/多普勒W2/S610. 024. 250. 8124. 23S2/S719. 224. 589. 1122. 83S1/S310. 830. 426. 3829. 74S3/S55. 149. 0914. 4446. 92S5/S77. 739. 490. 503

17、9. 49F1/F45. 825. 41-0. 0325. 41地形圖N/A 8. 206. 98觀察表3, 對于距離/, 和S7組合得到的DEM , 其分別為24. 25m 和24. 58m 。,S2/S7得到的DEM 的精度最高, 其RMSE 為36. 97m 。圖2顯示了使用不同SAR 成像模型和不同的像對組合得到的DEM 的RMSE 。圖2不同像對使用不同成像模型得到的DEM 的精度比較為了進一步分析不同的地形對DEM 的精度的影響, 我們利用剖面法在使用不同SAR 成像模型提取的DEM 上任意做4條剖面, 并計算其RMSE 。結(jié)果見插頁2圖2, 限于篇幅, 只列出了S2/S7組合的剖

18、面圖。綜合分析表3、圖2及插頁2圖2, 我們發(fā)現(xiàn):(1 對于各種立體像對組合, 由距離/多普勒模型提取的DEM 的精度均高于由等效共線方程模型提取的DEM 的精度;(2 由插頁2圖2所顯示的剖面曲線可以看出, 在地形比較平緩的地區(qū), 距離/多普勒模型提取的DEM 的精度高于等效共線方程模型(如插頁2圖2(a (b 所示 ; 而在地形陡峭的地區(qū), 由等效共線方程模型提取的DEM 的精度要高于距離/多普勒模型(如插頁2圖2(c (d 所示 ; (3 在各種地形上, 由R -D 模型提取的DEM 的剖面曲線更加接近于由等高線生成的DEM 的剖面曲線。通過以上分析我們可以發(fā)現(xiàn), 由距離/多普勒模型提取

19、的DEM 的精度要優(yōu)于由等效共線方程提取的DEM 的精度。下面我們將進一步分析地形與不同立體像對之間相互作用的關(guān)系并由此判斷不同的立體像對提取的DEM 的優(yōu)劣。插頁2圖3顯示了6個DEM 上任意4條剖面曲線, 圖3顯示了地形因素對提取的DEM 精度的影響。為了分析的方便起見, 這里使用的DEM 都是由距離/多普勒模型提取的 。DEM 精度的影響23, 插頁2圖3, 可以發(fā)現(xiàn):(, 得到的DEM 的精度隨之下降, ;(2 地形因素對DEM 的精度有極大的影響, 由圖5可以看出:隨著地形由平緩變得陡峭,DEM 的精度基本是線性下降的; 同時, 地形因素對于交角大的立體像對的影響更大, 比如從圖5中

20、看到,S2/S7在平坦地區(qū), 其精度高于大部分其他立體像對, 但是隨著地形的變陡, 其精度下降的速度遠遠高于其他立體像對組合;(3 在地形相對平緩地區(qū), 交角大的立體像對組合提取的DEM 精度比較高, 而在地形陡峭地區(qū), 交角小的組合則相對較優(yōu)。比如插頁2圖3(a 顯示, 在高山地區(qū), S2/S7的精度較低, 而其他交角相對較小的組合(如W2/S6, S1/S3 的DEM 精度高于S2/S7; 而在相對平緩地區(qū), 如插頁2圖3(b 、(d 所示,S2/S7提取的DEM 有不錯的精度;(4 影像分辨率的提高, 并不能大幅度的提高最終DEM 的精度。比如,F1/F4組合提取的DEM 的精度與S2/

21、S7組合的DEM 具有類似的精度, 而由表1可以看到, 精細模式的空間分辨率是標準模式的3倍; (5 從插頁2圖3還可以發(fā)現(xiàn), 所有組合提取的DEM 均比由地形圖得到的DEM 高。這是由于Radarsat -1采用的是C 波段的SAR , 而C 波段無法穿透濃密的植被, 因此, 由該方法得到的DEM 包含植被的高度。通過以上分析我們可以發(fā)現(xiàn), 由雷達攝影測量的方法提取DEM 的精度受到多種因素的影響, 要得到高精度的DEM , 必須綜合考慮立體像對的選取和研究區(qū)的地形、地貌等特征。932006. 4應(yīng)用技術(shù)遙感信息5結(jié)論與討論隨著遙感技術(shù)的發(fā)展, 越來越多載有SAR 傳感器的衛(wèi)星進入軌道, 從

22、而使得利用衛(wèi)星獲取立體SAR 影像變得簡單, 數(shù)據(jù)源非常豐富, 為解決那些常年多云霧、多陰雨和植被覆蓋茂密, 光學(xué)和光電成像困難地區(qū)的測繪難題提供了一種新的途徑。加拿大的Radarsat -1衛(wèi)星的SAR 傳感器具有波束模式入射角可調(diào)、異軌獲取立體影像的特點, 本文通過使用同一地區(qū)的具有不同交角的6對Radarsat 影像, 使用2種不同的SAR成像模型, 對利用雷達攝影測量方法提取DEM 的方法進行了研究, 并將結(jié)果與地形圖等資料進行了比較, 結(jié)果表明, 由該方法獲取的DEM 的垂直精度在25m 左右, 可以滿足一般應(yīng)用的需要。同時發(fā)現(xiàn), 距離/多普勒立體模型基于SAR 成像的物理原理, 其

23、構(gòu)成簡單, 對地面控制點要求不高, 并且得到的DEM 的精度高于等效共線方程模型; 地形因素和立體像對的交角共同影響著最終DEM 的精度, 大的交角適合于地勢平緩地區(qū), 而對于陡峭地區(qū), 則應(yīng)選擇具有較小交角的立體像對組合; 影像分辨率的提高并不能大幅度提高DEM 的精度, 而且, 隨著影像分辨率的提高, 影像中斑點噪聲的影響也隨之增強, 增加了處理的難度; 并且, 由于傳感器自身的限制, 生成的DEM 含有系統(tǒng)誤差, 即包含植被的高度。致謝:感謝馬來西亞國家遙感中心(Malaysia Centre for Remote Sensing :MACRES 為本次試驗提供Radarsat 衛(wèi)星影像

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