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高分辨率星载InSAR技术在DEM生成及更新中的应用研究

蒋厚军  
【摘要】:数字高程模型(Digital Elevation Model, DEM)是地球空间信息科学的基础数据,在科学研究、经济建设和军事领域都具有重要的应用价值。随着高分辨率SAR卫星ALOS/PALSAR, COSMO-SkyMed, TerraSAR-X/TanDEM-X的建设运行,星载干涉合成孔径雷达(Interferometric Synthetic Aperture Radar, InSAR)技术在全球尺度的高分辨率、高精度DEM测绘领域有着巨大优势和广阔应用前景。 尽管高分辨率星载SAR在影像分辨率、干涉相干性和轨道定位精度方面的性能有了很大提升,但由于星载SAR观测模式和SAR侧视成像的限制,高分辨率星载InSAR仍存在其固有缺陷和关键问题:1)重复轨道干涉模式下的大气效应会引入不可忽略的高程误差:2)InSAR测高机理中垂直基线长度、相位解缠可靠性和测高精度之间存在固有矛盾;3)侧视成像形成的透视收缩、叠掩和阴影会在DEM中造成数据空洞。 为了克服以上缺陷和问题,提高高分辨率星载InSAR地形测量的实际应用能力,有必要研究完善InSAR地形测量的方法与技术,提高其生成DEM的精度和可靠性,使之能够达到我国的测绘行业标准和相应的国际标准。本文从InSAR基础理论出发,分析了高分辨率星载SAR系统在干涉测量中的优势,重点在以下三个方面进行了深入研究,提出了上述问题的解决方法与技术。 一、在改正重复轨道干涉的大气效应方面,分析SAR信号的对流层和电离层延迟的特性,重点研究干涉图中大气相位的空间分布特点和统计特性,在此基础上提出了基于线性回归和组合滤波的改正方法。该方法可利用低分辨率的外部参考DEM和差分干涉,在单幅高分辨率干涉图上将大气相位分为两个部分(垂直分层和湍流混合)分别予以分离,可有效地提高InSAR DEM精度,且不需要气象观测数据和复杂的气象模型,易于实现。 二、在解决垂直基线长度、相位解缠可靠性和测高精度之间的固有矛盾方面,研究多基线InSAR生成DEM的方法,在深入分析干涉相位概率分布的基础上,提出了基于低分辨率DEM的最大后验估计方法,通过低分辨率DEM提供的信息定义高程的先验概率分布,利用它提高多基线估计的精度和可靠性,并且避免了相位解缠;同时针对星载InSAR数据,给出了多基线干涉影像对的组合配准策略,并使用高程/干涉相位的有理多项式模型、高程似然概率二维查找表和高程变步长搜索来提高多基线估计的效率。 三、在消除透视收缩、叠掩和阴影造成的DEM数据空洞方面,研究升降轨InSAR生成DEM的方法,探讨了两种实现途径——联合估计和DEM融合,针对多数星载SAR观测缺少控制点的情况,提出了无控制点的升降轨InSAR DEM融合方法,利用低分辨率的DEM作为参考,校正升降轨InSAR的定位偏差,实现了不同观测方向获取的InSAR DEM的配准,同时推导了融合的最大似然加权系数,使融合在消除数据空洞的同时亦提高了InSAR DEM精度。 论文在解决以上关键问题的基础上,改进了常规的InSAR生成DEM的方法和技术,建立了更为完善的高分辨率星载数据处理流程,并通过ALOS/PALSAR, COSMO-SkyMed和TerraSAR-X高分辨率干涉数据进行实验,验证了方法的有效性。本研究亦验证了高分辨率星载InSAR在地形测量方面的应用能力,所生成的ALOS/PALSAR多基线DEM可达到我国1:50000DEM国家标准和美国DTED-2标准,COSMO-SkyMed和TerraSAR-X DEM可达到我国1:25000DEM国家标准和美国HRTI-3标准。


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