TerraSAR-X影像在1：10 000地形圖測繪中的應用

劉 暉

(四川省遙感信息測繪院，四川成都 610100)

合成孔徑雷達(synthetic aperture radar)是一種側視成像雷達，集合成孔徑技術，脈沖壓縮技術和數(shù)字信息處理技術于一體，作為遙感設備，其圖像分辨率基本上與光學圖像相當，從它獲取的圖像里可以獲取豐富的信息。星載SAR使用微波傳感器，自身具有全天候、全天時高分辨率的成像探測能力，為獲取地球空間信息提供了重要手段。而星載SAR對于測繪應用最大的優(yōu)勢在于它能夠不受天氣、氣候的影響，可以透過云層遮蓋獲取地面信息，這對于解決中國西部主要是四川盆地的遙感數(shù)據(jù)獲取具有十分重要的現(xiàn)實意義。本文主要探討基于TerraSAR影像應用于1∶10 000地形圖測繪的技術路線和可行的技術流程。

1 TerraSAR-X基本情況介紹

新型星載SAR衛(wèi)星發(fā)展至今，已經(jīng)在多個領域發(fā)揮著重要的不可替代的作用，在地形圖測繪方面也取得了一定的突破。SAR自身具備的高分辨率、多種成像模式、多極化和高質量干涉數(shù)據(jù)的特點，SAR數(shù)據(jù)正越來越廣泛的應用于基礎地理數(shù)據(jù)的測繪中。TerraSAR-X衛(wèi)星是目前比較主流的商業(yè)SAR衛(wèi)星，其基本技術參數(shù)見表1。

TerraSAR-X可提供1 m聚束模式的SAR影像和3 m條帶模式的SAR影像，同時可提供3 m重軌模式SAR干涉影像對和側視角相差在8°至20°之間的立體影像對。

表1 TerraSAR-X衛(wèi)星有關參數(shù)描述

2 基于TerraSAR-X影像的地形圖測繪

2.1 技術路線

全數(shù)字攝影測量系統(tǒng)VirtuoZoSat(RPC模塊)充分利用了TerraSAR影像的相關軌道參數(shù)，建立立體模型開展立體測圖生產(chǎn)。TerraSAR本身提供了包含衛(wèi)星瞬時姿態(tài)RPC參數(shù)文件，為了便于理解，在實際生產(chǎn)過程中通俗的稱之為“外方位元素”。 TerraSAR影像提供的原始RPC文件記錄了衛(wèi)星在獲取影像時的位置和姿態(tài)參數(shù)，使用原始原始RPC定向還遠遠不能滿足測繪地形圖的精度要求，必須做加密處理。TerraSAR影像的加密過程類似于普通的光學影像或是其他類型衛(wèi)星影像的加密過程，以外業(yè)控制點作為基礎，在立體影像中選擇明顯地物點作為加密點，通過平差計算后得到新的RPC文件，用于地形圖測繪。TerraSAR影像的加密過程本文不作詳細闡述，重點對于使用TerraSAR影像立體模型進行地形圖測繪的技術路線和技術難點做一些探討。選取了四川中部山區(qū)和平地結合地區(qū)的1 m分辨率TerraSAR影像，進行1∶10 000地形圖實驗性生產(chǎn)，具體技術路線如下。

(1)影像處理：調整原始立體模型影像的直方圖，并進行影像增強等處理，使影像反差適中，對地面要素的判讀達到最佳。

(2)TerraSAR影像加密：在原始RPC參數(shù)的基礎上通過加密和平差解算得到新的RPC參數(shù)，新的RPC參數(shù)符合地形圖測繪的精度要求。

(3)立體模型定向：使用加密后獲得的RPC參數(shù)，在VirtuoZoSat(RPC模塊)中建立立體模型，并裁切核線影像。

(4)利用VirtuoZoSat中立體測圖模塊進行要素采集：主要對于道路、水系、居民地、附屬設施、植被等要素進行判讀。

(5)對采集好的道路、水系、居民地、附屬設施、植被等要素進行粗編輯：處理好各要素之間的關系并進行符號化，粗編輯完成后制作外業(yè)工作底圖，供外業(yè)人員進行野外核查。

2.2 TerraSAR影像立體模型建立方法

現(xiàn)在簡要介紹一下利用TerraSAR影像在VirtuoZoSat中建立立體模型的具體方法，基本思路和通常航空攝影測量的作業(yè)思路一致，大體可概括為：數(shù)據(jù)準備、建立測區(qū)、建立模型、模型定向、核線生成。

(1)數(shù)據(jù)準備：需要準備原始影像和加密好的RPC文件，原始影像包括構建立體模型需要的左、右影像(如圖1所示)。

圖1 TerraSAR立體模型左、右片

(2)在VirtuoZoSat中新建工程文件，設置基本參數(shù)(如圖2所示)。

圖2 新建工程

(3)將原始影像進行格式轉換，使之成為VirtuoZoSat可以識別的格式(如圖3所示)。

圖3 TerraSAR影像引入

(4)模型建立好以后，開始在左、右影像中選擇連接點，也就是通常說的相對定向。連接點選擇完成后，進行絕對定向計算，要求絕對定向單位權中誤差控制在一個像素以內(nèi)(如圖4所示)。

圖4 模型連接點選取

(5)由于TerraSAR影像像幅較大，為了用于地形圖生產(chǎn)，必須按照一定的范圍將立體模型劃分為多個子模型，可以根據(jù)標準10 000分幅，也可以按照生產(chǎn)的要求進行自定義劃分。運行VirtuoZoSat工具菜單中的“創(chuàng)建子模型”，即可按照設定好的劃分范圍，將原始立體模型劃分為多個子模型，同時生成核線影像。

3 試生產(chǎn)情況

3.1 地表要素判讀情況

(1)居民地的判讀比較容易，特別是城區(qū)大面積居民地，由于街區(qū)的劃分較清晰，根據(jù)街區(qū)可明確劃分出成片的居民地。而城郊、鄉(xiāng)鎮(zhèn)、農(nóng)村散列居民地的判讀難度較大。主要原因在于TerraSAR影像在色彩反映上沒有特別明顯的區(qū)分，散列居民地由于四周植被、土質的干擾，無法清晰準確地加以區(qū)分(如圖5所示)。

圖5 城區(qū)大面積居民地

(2)街區(qū)的整體輪廓可以判斷，但是無法提取準確的邊緣線，這是TerraSAR影像自身特點決定的。從圖5可以看出，城區(qū)街道線的邊緣無法準確判讀，房屋、樹木等遮蓋影像街道邊線的提取。

(3)水系的提取相對容易，這也是由于水體對于雷達波的反射情況比較單一、在TerraSAR影像中反映出較深的顏色，如圖6中的河流和湖泊，比較容易判讀。同時，河流中的橋梁因為反映出較水系為淺的顏色，也容易判讀。但是農(nóng)田地區(qū)用于灌溉的水渠在判讀上難度較大，經(jīng)過分析，如果溝渠寬度在3 m以上時，可以直接從影像中提取出輪廓(如圖6所示)。

圖6 水系

(4)交通要素在地形圖中是很重要的，在TerraSAR影像中是否能夠準確判讀，也是我們最關心的。在經(jīng)過對影像的仔細分析后發(fā)現(xiàn)，公路和鐵路的大致輪廓可以根據(jù)經(jīng)驗作初步判斷。規(guī)劃較好、鋪面平整、較寬的公路是比較容易判讀的，鐵路可參考相關資料進行判讀。但是，從影像中僅僅可以判斷公路、鐵路的位置，對于公路的路面邊線卻無法準確提取(如圖7所示)，主要原因在于公路邊的植被、陰影的遮擋。鐵路在1∶10 000地形圖中只需要采集中心線，參考相關資料可以準確提取?？偟膩碚f，公路和水系一樣，只有當寬度達到一定程度以后，才能直從TerraSAR影像直接提取，而農(nóng)村地區(qū)中的鄉(xiāng)村路、小路幾乎無法判讀。

圖7 鐵路和高速公路

(5)從整個TerraSAR影像反映的地表要素形態(tài)來看，植被在其中屬于幾乎無法判讀的一類要素，因此，測繪地形圖時，植被采集需要耗費較多的外業(yè)工作量來完成。

(6)其他附屬要素、獨立地物均屬于無法判讀的要素，需要野外實地核查。

3.2 高程信息提取情況

(1)平坦地區(qū)反映地貌狀況時較多的采用高程點和地貌符號，可少量采集等高線，平坦地區(qū)按照每km2采集20個高程點的密度采集，山地按照每km215個高程點的密度采集。試生產(chǎn)過程中發(fā)現(xiàn)，TerraSAR影像構建的立體模型，其立體效果遠不如光學影像好，提取高程信息的難度較大。

(2)山地需要按照5 m等高距采集等高線，由于TerraSAR采用的是側視投影，在高差起伏較大的地區(qū)采集影像時，需要在山體兩側分別采集，其過程通常稱為升軌和降軌，如圖8所示。

圖8 升、降軌影像獲取

因為TerraSAR獲取影像的這種特點，在采集山地等高線的時候必須利用升軌影像和降軌影像對山體的兩側分別采集，這在實際生產(chǎn)中不利于生產(chǎn)效率的提高。

3.3 精度情況

試生產(chǎn)中采集了完整的一幅標準1∶10 000分幅地形圖，實地面積約23 km2，采集的要素包括了居民地、水系、交通、等高線、高程點這幾類可以在影像中直接判讀的要素，利用四川省空間框架建設項目加密成果中提取的20個備查點，分別對地形圖數(shù)據(jù)的平面和高程情況進行精度評估，如表2、表3所示。

表4 TerraSAR影像與光學成像影像的技術對照

表2 平面中誤差統(tǒng)計 m

通過對平面、高程中誤差情況的分析，利用TerraSAR影像采集的1∶10 000地形圖平面精度能夠滿足1∶10 000地形圖生產(chǎn)規(guī)范的要求，而高程精度情況不夠理想，基本只能滿足高山地精度要求，需要進一步研究和改進。

表3 高程中誤差統(tǒng)計 m

4 與光學成像影像的比較

TerraSAR影像由于自身特點、以及成像方式和光學成像影像有所不同，在地形圖生產(chǎn)中在成本、質量、效率等方面均有較大的差別，具體見表4。

從表4的比較可以看出，地形圖生產(chǎn)中，TerraSAR影像相對于光學成像影像僅僅在影像獲取難度、獲取成本、加密等方面具備一定優(yōu)勢，在對于地形圖最關鍵的精度問題上劣勢明顯，而生產(chǎn)效率也不夠理想，需要進一步的探索技術解決方案。從以上結果也能夠看出，在西部受云霧影響的高山地區(qū)可以使用TerraSAR影像開展1∶10 000地形圖的生產(chǎn)。

[1] 陳艷玲，黃珹，馮天厚.TerraSAR-X衛(wèi)星極其在地球科學中的應用[J].中國科學院上海天文臺年刊，2007(28)：50-55

[2] 廖明生，田馨，趙卿.TerraSAR-X/ TanDEM-X雷達遙感計劃及其應用[J].測繪信息與工程.2007，32(2)：44～46．

[3] 錢方明，劉薇，周瑜.雷達遙感衛(wèi)星TerraSAR-X的系統(tǒng)特性和產(chǎn)品[J/OL].2010[2013]. http://www.doc88.com/p-498186910551.html

[4] 倪維平，邊輝，嚴衛(wèi)東,等.TerraSAR-X雷達衛(wèi)星的系統(tǒng)特性與應用分析[J].雷達科學與技術，2009，7(1):29-33

[5] 張瑞，劉國祥，李濤,等.基于高分辨率TerraSAR-X影像的城市土地利用變化監(jiān)測[J].鐵道勘察，2011(4)：17

[6] 羅昌瓊，桂木政，楊本勇.機載SAR影像在1∶50 000地形圖生產(chǎn)中的應用[J].鐵道勘察，2012(1)

[7] 王超，張紅，劉智.星載合成孔徑雷達干涉測量原理[M].北京：科學出版社，2002

[8] 薛繼群，鄧喀中，范洪冬，等.基于InSAR技術對西部高山地地區(qū)DEM的重建[J].測繪工程，2011(3)：25