機(jī)載-星載InSAR定標(biāo)模型與方法.pdf

1、數(shù)字高程模型(Digital Elevation Model，DEM)已在國(guó)民經(jīng)濟(jì)、國(guó)防軍事、環(huán)境規(guī)劃和災(zāi)害監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用。相較于水準(zhǔn)測(cè)量、GPS測(cè)量、航片影像和遙感影像等傳統(tǒng)DEM制作方法，干涉合成孔徑雷達(dá)(Interferometric Synthetic Aperture Radar，InSAR)技術(shù)具有全天候全天時(shí)、大面積成像的優(yōu)點(diǎn)，而且能穿透云霧的影響，實(shí)現(xiàn)高精度的DEM制作，已成為獲取全球高精度DEM數(shù)據(jù)的重要手段

2、之一。
　　InSAR系統(tǒng)根據(jù)其搭載平臺(tái)的不同分為機(jī)載InSAR和星載InSAR，其杰出代表分別為航天飛機(jī)雷達(dá)地形測(cè)繪任務(wù)(Shuttle Radar Topography Mission，SRTM)和TanDEM-X計(jì)劃，兩者先后在2000年和2016年獲取全球DEM數(shù)據(jù)，他們的成功標(biāo)志著機(jī)載和星載InSAR技術(shù)在獲取全球DEM的優(yōu)勢(shì)。當(dāng)然高精度DEM數(shù)據(jù)的獲取一方面依賴(lài)于InSAR平臺(tái)指標(biāo)設(shè)計(jì)，另一方面取決于各類(lèi)定標(biāo)技術(shù)的保障

3、。SAR設(shè)備本身的相位偏移誤差、局部振蕩誤差等部分系統(tǒng)參數(shù)誤差可在SAR內(nèi)定標(biāo)階段校正，但是和測(cè)量誤差、時(shí)延誤差相關(guān)的基線、斜距、平臺(tái)位置和速度等的參數(shù)誤差仍會(huì)在DEM制作過(guò)程中影響DEM精度，對(duì)這些誤差的校正是InSAR提取高精度DEM的重要階段，而干涉定標(biāo)的目的就是使用地面控制點(diǎn)對(duì)各類(lèi)干涉參數(shù)進(jìn)行誤差校正，進(jìn)而提高DEM精度。
　　InSAR獲取DEM的步驟主要包括干涉相位計(jì)算、平地相位去除、相位解纏和DEM重建。InSAR三

4、維重建是DEM重建的重要方法，它直接將相位映射到大地坐標(biāo)，不僅有助于減少誤差傳遞，而且能有效控制三維坐標(biāo)精度。本論文將結(jié)合機(jī)載和星載InSAR平臺(tái)的特點(diǎn)，根據(jù)InSAR三維重建模型分別提出了一種適用于機(jī)載和星載系統(tǒng)的干涉定標(biāo)模型。主要的工作涉及以下幾個(gè)方面:
　　1.基于InSAR三維重建方程，論文提出機(jī)載和星載平臺(tái)的干涉定標(biāo)模型。針對(duì)機(jī)載InSAR天線布設(shè)情況多樣化的發(fā)展趨勢(shì)以及交叉軌干涉測(cè)量的特性，將載機(jī)坐標(biāo)系Y和Z方向的基線

5、分量、多普勒頻率、初始斜距和干涉相位作為定標(biāo)參數(shù);針對(duì)星載InSAR平臺(tái)，首先分析了各參數(shù)誤差對(duì)三維坐標(biāo)定位精度的影響，確立了星載InSAR待定標(biāo)參數(shù)，即TCN坐標(biāo)系C和N方向的基線初值、基線速率、初始斜距、干涉相位、多普勒系數(shù)f0、f1和f29個(gè)參數(shù)。
　　2.無(wú)論是機(jī)載干涉定標(biāo)模型還是星載干涉定標(biāo)模型都存在敏感度矩陣條件數(shù)過(guò)大的問(wèn)題，矩陣病態(tài)會(huì)降低定標(biāo)模型解算結(jié)果的可靠性。為此本論文將引入基于嶺估計(jì)的正則化方法改善干涉定標(biāo)模型

6、，以獲取正確地干涉參數(shù)改正值。
　　3.論文使用陜西地區(qū)Ka波段機(jī)載InSAR數(shù)據(jù)驗(yàn)證了機(jī)載干涉定標(biāo)模型的正確性，并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)分析。文中選取了4種分布形式的定標(biāo)點(diǎn)方案進(jìn)行干涉定標(biāo)實(shí)驗(yàn)，采用改正后的干涉參數(shù)生成DEM并進(jìn)行精度評(píng)價(jià)，分析發(fā)現(xiàn)控制點(diǎn)布設(shè)形式會(huì)影響定標(biāo)精度，控制點(diǎn)應(yīng)遵循一定的布放規(guī)則，即盡量在同一方位向上，沿距離向間隔分布。實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了本論文提出的機(jī)載InSAR定標(biāo)模型的正確性及有效性，得到的DEM高程中誤差為0.37

7、 m，平面定位中誤差為0.54 m。
　　4.論文使用北京地區(qū)TanDEM-X影像驗(yàn)證了星載干涉定標(biāo)模型的正確性，并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)分析。首先采用北京城區(qū)的TanDEM-X影像和實(shí)測(cè)控制點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了干涉定標(biāo)實(shí)驗(yàn)，將定標(biāo)DEM與未定標(biāo)DEM進(jìn)行精度比較。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明干涉定標(biāo)能提高DEM精度，定標(biāo)后DEM高程中誤差為2.08 m，平面中誤差為8.69 m;然后采用北京門(mén)頭溝地區(qū)的TanDEM-X影像、實(shí)測(cè)控制點(diǎn)數(shù)據(jù)和冰、云和陸地高程衛(wèi)星/地

8、學(xué)激光測(cè)高系統(tǒng)(Ice, Cloud and land Elevation Satellite/Geoscience Laser Altimeter System, ICESat/GLAS)數(shù)據(jù)聯(lián)合進(jìn)行干涉定標(biāo)處理。實(shí)驗(yàn)選取了基于控制點(diǎn)定標(biāo)、基于ICESat/GLAS點(diǎn)定標(biāo)、控制點(diǎn)和ICESat/GLAS點(diǎn)聯(lián)合定標(biāo)3種方案，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明聯(lián)合控制點(diǎn)和ICESAT/GLAS點(diǎn)數(shù)據(jù)共同定標(biāo)的方案，既能保證控制點(diǎn)在測(cè)區(qū)內(nèi)的均勻分布，又能提高定標(biāo)