机载/星载InSAR定标模型与方法

【摘要】：数字高程模型(Digital Elevation Model,DEM)已在国民经济、国防军事、环境规划和灾害监测等领域发挥着重要作用。相较于水准测量、GPS测量、航片影像和遥感影像等传统 DEM 制作方法,干涉合成孔径雷达(Interferometric Synthetic Aperture Radar,InSAR)技术具有全天候全天时、大面积成像的优点,而且能穿透云雾的影响,实现高精度的DEM制作,已成为获取全球高精度DEM数据的重要手段之一。InSAR系统根据其搭载平台的不同分为机载InSAR和星载InSAR,其杰出代表分别为航天飞机雷达地形测绘任务(Shuttle Radar Topography Mission,SRTM)和TanDEM-X计划,两者先后在2000年和2016年获取全球DEM数据,他们的成功标志着机载和星载InSAR技术在获取全球DEM的优势。当然高精度DEM数据的获取一方面依赖于InSAR平台指标设计,另一方面取决于各类定标技术的保障。SAR设备本身的相位偏移误差、局部振荡误差等部分系统参数误差可在SAR内定标阶段校正,但是和测量误差、时延误差相关的基线、斜距、平台位置和速度等的参数误差仍会在DEM制作过程中影响DEM精度,对这些误差的校正是InSAR提取高精度DEM的重要阶段,而干涉定标的目的就是使用地面控制点对各类干涉参数进行误差校正,进而提高DEM精度。InSAR获取DEM的步骤主要包括干涉相位计算、平地相位去除、相位解缠和DEM重建。InSAR三维重建是DEM重建的重要方法,它直接将相位映射到大地坐标,不仅有助于减少误差传递,而且能有效控制三维坐标精度。本论文将结合机载和星载InSAR平台的特点,根据InSAR三维重建模型分别提出了一种适用于机载和星载系统的干涉定标模型。主要的工作涉及以下几个方面:1.基于InSAR三维重建方程,论文提出机载和星载平台的干涉定标模型。针对机载InSAR天线布设情况多样化的发展趋势以及交叉轨干涉测量的特性,将载机坐标系Y和Z方向的基线分量、多普勒频率、初始斜距和干涉相位作为定标参数;针对星载InSAR平台,首先分析了各参数误差对三维坐标定位精度的影响,确立了星载InSAR待定标参数,即TCN坐标系C和N方向的基线初值、基线速率、初始斜距、干涉相位、多普勒系数f0、f1和f2 9个参数。2.无论是机载干涉定标模型还是星载干涉定标模型都存在敏感度矩阵条件数过大的问题,矩阵病态会降低定标模型解算结果的可靠性。为此本论文将引入基于岭估计的正则化方法改善干涉定标模型,以获取正确地干涉参数改正值。3.论文使用陕西地区Ka波段机载InSAR数据验证了机载干涉定标模型的正确性,并进行了实验分析。文中选取了4种分布形式的定标点方案进行干涉定标实验,采用改正后的干涉参数生成DEM并进行精度评价,分析发现控制点布设形式会影响定标精度,控制点应遵循一定的布放规则,即尽量在同一方位向上,沿距离向间隔分布。实验结果验证了本论文提出的机载InSAR定标模型的正确性及有效性,得到的DEM高程中误差为0.37 m,平面定位中误差为0.54 m。4.论文使用北京地区TanDEM-X影像验证了星载干涉定标模型的正确性,并进行了实验分析。首先采用北京城区的TanDEM-X影像和实测控制点数据进行了干涉定标实验,将定标DEM与未定标DEM进行精度比较。实验结果表明干涉定标能提高DEM精度,定标后DEM高程中误差为2.08 m,平面中误差为8.69 m;然后采用北京门头沟地区的TanDEM-X影像、实测控制点数据和冰、云和陆地高程卫星/地学激光测高系统(Ice,Cloud and land Elevation Satellite/Geoscience Laser Altimeter System,ICESat/GLAS)数据联合进行干涉定标处理。实验选取了基于控制点定标、基于ICESat/GLAS点定标、控制点和ICESat/GLAS点联合定标3种方案,实验结果表明联合控制点和ICESAT/GLAS点数据共同定标的方案,既能保证控制点在测区内的均匀分布,又能提高定标点精度,最后获取的DEM平面定位精度为9.54 m,高程精度为4.09 m。