InSAR获取高精度DEM关键处理技术研究

【摘要】： 合成孔径雷达干涉测量(Interferometric Synthetic Aperture Radar或Synthetic ApertureRadar Interferometry,InSAR、INSAR或IFSAR)技术在数字高程模型(Digital ElevationModel,DEM)重建和地表形变监测等方面具有快速、高精度、全天时、全天候、大区域等突出优势,已成为最具潜力的对地观测新技术之一。但由于干涉数据质量的影响以及干涉图滤波、相位解缠等关键处理问题尚未得到有效解决,目前国内外合成孔径雷达干涉测量技术的实用化程度还不尽人意。本文以InSAR获取DEM处理技术的实际应用为目标,重点对主辅图像匹配、干涉图滤波、相位解缠、基线估计等核心问题进行了深入研究,建立了实用化的“InSAR-DEM”软件系统;并对多基线InSAR技术进行了初探,以提高干涉数据的利用率和获取DEM的精度。 论文的主要工作和创新点包括: 1.系统论述和深入分析了SAR(Synthetic Aperture Radar,合成孔径雷达)成像原理、SAR图像的几何构像模型、InSAR重建DEM及差分InSAR监测地表形变的基本原理和基本处理流程; 2.研究了航天重复轨道类型干涉数据匹配方法和机载双天线类型干涉数据的匹配处理流程,提出了InSAR主辅图像的方位向一维匹配策略,明显提高了主辅图像的匹配速度,实现了干涉数据一维快速匹配的重大突破;分析了主辅图像之间的距离向频谱偏移现象和预滤波方法; 3.研究了干涉图的多视滤波、矢量滤波等空间域滤波方法和频谱加权滤波、主频率成份提取滤波等频率域滤波方法,首创性地提出了自适应零中频矢量滤波方法,设计了矢量分离式小波滤波方法,实现了密集条纹和频率变化条纹的抗噪及清晰化处理,为降低相位解缠难度奠定了基础;为了对不同滤波方法的滤波效果进行定量评价,提出了采用滤波前、后干涉相位的均方差来评价干涉图滤波相位保持精度的策略,结合质量图、残差点数目等评价测度,实现了干涉图滤波效果的定量、客观评价; 4.在剖析路径跟踪、最小范数等常用相位解缠方法的基础上,提出了质量图区域生长、直接相位积分和移动曲面相位拟合相结合的自适应相位解缠方法,解决了弱相干区的相位解缠问题,从而突破了相位解缠满足精确性、完整性和一致性要求的核心技术难题;提出了利用解缠后干涉相位的重新模糊相位值与解缠前相位值的均方差来评价相位解缠质量的方法,为定量评价相位解缠效果提供了有效途径; 5.对平地干涉相位基线估计方法和双高程点相位基线估计方法进行了扩展应用研究,设计了适合于非平行轨道情况的多高程点基线估计方法;将有理函数模型引入到干涉相位与地面高程转换中,提出了解缠相位与地面高程转换的有理函数模型,实现了解缠干涉相位到地面高程的直接精确转化; 6.对多基线InSAR技术进行了初步研究,设计了一种新的多基线InSAR获取DEM处理流程,有助于提高干涉数据的利用率及高程获取的可靠性和精确性; 7.集成了主辅图像匹配、干涉图滤波、相位解缠、基线估计、DEM重建等研究成果,研制了实用化的“InSAR-DEM”软件系统,对SIR-C/X-SAR、ERS-1/2、机载双天线等多套InSAR数据进行了DEM重建的大量实验。实验结果表明:该软件系统功能完整、性能稳定、精度可靠,为InSAR获取高精度DEM技术的广泛应用奠定了基础。