基于InSAR的无人机DEM底图构建方法及应用研究.pdf

76http:/电 力 勘 测 设 计增刊1显著提高。中小型旋翼无人机以其灵活机动、位置姿态控制精度较高、操作软件商业化等优势逐渐成为无人机航测的首选机型。无人机航DOI：10.13500/j.dlkcsj.issn1671-9913.2023.S1.016基于InSAR的无人机DEM底图构建方法及应用研究何涛涛，王 磊(中国能源建设集团湖南省电力设计院有限公司，湖南长沙410007)摘要：在高差较大的高山地区采用定高飞行获取航摄数据通常无法满足航摄数字产品的生产，为解决此类问题，通常采用无人机仿地飞行技术，进行地形数据采集，但目前无人机仿地飞行 DEM 底图通常采用预飞或开放的DEM 数据，预飞的方式成本较大，开放的 DEM 现势性较差且精度和分辨率不足，易造成仿地航线设计不准确。利用 InSAR 技术构建 DEM 底图，研究和分析 InSAR 技术提取 DEM 的关键技术环节，对 InSAR DEM 和LiDAR DEM 进行对比分析，结果显示该技术可得到分辨率优于 15 m，绝对精度优于 30 m 的 DEM 底图，并用此 DEM 进行仿地航线设计，结果表明能满足实际无人机仿地飞行的底图要求。关键词：InSAR；仿地飞行；Sentinel-1A；DEM 反演；航线设计中图分类号：P2 文献标志码：A 文章编号：1671-9913(2023)增刊1-76-06Construction Method and Application of UAV DEM Based on InSAR HE Taotao,WANG Lei(China Energy Engineering Group Hunan Electric Power Design Institute Co.,Ltd.,Changsha 410007,China)Abstract:In mountain areas of elevation adopts fixed high flying obtain aerial data often cannot meet the production of aerial digital products,in order to solve such problem,usually adopts the technology of unmanned aerial vehicle(UAV)copy to flight,for terrain data acquisition,but the UAVs to fly imitation DEM(digital elevation model)usually adopts the preflight reproduction or open DEM data,preflight way cost is larger,Open DEM has poor current situation and insufficient precision and resolution,which is easy to cause the inaccuracy of the land-imitation route design.This paper uses InSAR technology to construct DEM base map,studies and analyzes the key technical links of InSAR technology to extract DEM,and makes a comparative analysis of InSAR DEM and LiDAR DEM.The results show that the DEM base map with resolution better than 15 m and absolute accuracy better than 30 m can be obtained by this technology.The DEM is used to design the ground imitation flight path,and the results show that it can meet the base map requirements of the ground imitation flight of the actual UAV.Keywords:InSAR;ground-like flight;sentinel-1A;DEM inversion;passage planning*收稿日期：2023-02-28 第一作者简介：何涛涛(1995)，男，瑶族，硕士，主要从事电力工程InSAR技术应用与遥感摄影测量等工作。0引言近年来无人机航测技术得到了快速发展，使得无人机航测技术在测绘生产活动中的地位77基于InSAR的无人机DEM底图构建方法及应用研究http:/ 工程勘测 增刊1 测技术获取高精度的影像数据等往往采用定高飞行，但在高山、峡谷等高差起伏较大的区域，地面分辨率差异较大，容易造成航摄像片重叠度不够，导致空三匹配出现漏洞、成图精度降低的问题。为解决这个问题，常采用仿地飞行来获取高差较大区域的影像数据等1。仿地飞行能根据地形起伏调整无人机航飞高度，能够适应不同的地形环境，使得航摄像片重叠度保持一致。因此仿地飞行需要精度较高的底图来设计仿地飞行航线，目前常规的仿地飞行通常有 2 种作业方式：1)使用定高飞行，预飞一次任务区域，生成精度较高的数字地表模型(digital surface model，DSM)作为仿地飞行的底图。这种方式能够生产精度较高的底图，但需要预飞一次，因此外业成本和内业成本都会增加，不适合紧急作业。2)采用已有的开放数字高程模型(digital elevation model，DEM)作 为 底 图，如 ASTER GDEM，SRTM、GLS 2005 DEM、TanDEM 等机构生产的 DEM，但这类底图精度较低，且现势性较差，容易造成仿地航线不准确、从而造成不稳定危险因素2。本文采用一种基于 InSAR 技术的无人机DEM 底图构建方法，生成精度较高的 DEM 底图，用于仿地飞行航线设计，能同时满足精度较高且具有现势性等特点。1InSAR制作DEM原理1.1 InSAR技术InSAR 技术原理源于杨氏双缝干涉实验，对于星载雷达卫星来说，它的干涉是在卫星对同一观测目标发生重访的时候4。因此，采用星载 SAR 数据进行差分干涉时是基于雷达重访同一区域时发生的。InSAR 技术的这个特点使得其在干涉时会出现时空失相关的现象和轨道不完全重合误差等，但也是这个特点，InSAR才可以进行形变监测。InSAR 是雷达卫星在两次经过同一视线区域时所获取的两幅 SAR 由于地表目标物发生变化从而导致 SAR 影像所记录的相位信息改变，这种相位的改变就是差分干涉需要求解的信息。差分干涉相位与卫星到目标物的视线距离有关，且差分干涉相位包含参考椭球面相位、地形高程相位、大气延迟误差相位和地表形变相位等信息3。InSAR 技术的基本原理就是将我们所需要的信息从干涉相位中分离出来。如图 1 所示是 InSAR 测量基本原理，其成像由卫星两次观测同一个目标物 p，轨道由于误差影响，出现了轻微的偏差，卫星先后在 S1和 S2成像。图中，h 为 p 的大地高，H 为 P 距参考椭球面的高度，O 为参考椭球的质心；R1和R2分别为卫星两次成像轨道位置和P的斜距。B 为干涉基线，其中 Bh、Bv为以卫星雷达方向为参照的垂向和平形向的分量，B、B为以雷达视线方向为参照的垂向和平行向的分量；a为雷达卫星的航向，为雷达卫星传感器视线夹角，它们之间的几何关系如式(1)式(2)所示。cossinhvBBBB?(1)?cossinBBBB?(2)?S1S2R1MNHhpa0R212?图1 InSAR干涉几何模型SAR 影像的雷达信号遇到地表单位目标物后会发生后向散射现象，经过卫星搭载的传感器接收到这种信号，并以振幅的形式表现，同时也有斜距有关的非整数周相位信息4。因此，不考虑其他误差影响的情况下，R1和 R2所对应的绝对相位如式(3)所示。?111122224242RNRN?(3)78http:/电 力 勘 测 设 计增刊1其中，N 为雷达信号 2 次沿斜距方向往返的相位整数周，?-?则为非整数周相位，即是已知的观测值，为雷达波长。每一个SAR 影像所包含的相位信息均包含了整数周模糊度的问题，需要经过相位解缠得到相位整数周的准确值。在图 1 中，因为斜距 R 要远远大于基线 B，因此，R1和 R2可以认为是平行的，则可以得到式(4)。?12121212424BRRNN?(4)令 N=(N1-N2)/2，则可以得到式(5)。?124BN?(5)由上述分析可以看出来，B是由参考椭球面相位、地形高程相位、地表形变相位和干涉几何相位等组成4。此外，当卫星两次不同时间重访同一目标物得到的干涉相位的话，还会受到不同的大气环境(主要是对流层和电离层)的影响，因此斜距差中，还会包含大气延迟的贡献。InSAR干涉相位的绝对相位?如式(6)所示。12345?=(6)式中：1 5 分别为参考椭球面相位 1、地形高程相位 2、地表形变相位 3、大气对流层延迟误差相位 4和噪声干扰误差相位 5。一般的干涉相位中，1、2、3占据了主要地位。其相位几何模型如图 2 所示。可以推导出式(7)。?1021344sin4sin4BBhBRr?=-(7)式中：0为主影像的雷达侧视角，r 为地表形变量4。式(7)则为 InSAR 的基本测量方程，经过去除不需要的相位值，得到所需的相位信息，经过式(7)的转换，便可以得到所需要的最终测量结果。?S1S2MNHhp0pa00R2R1r2?图2 InSAR相位干涉几何模型1.2 InSAR DEM制作InSAR 技术获取 DEM 是通过获取多景SAR 数据的干涉相位，并分离出地形高程相位，得到 DEM 数据，基本流程包括数据获取、基线估算、生成干涉图、去平地效应、自适应滤波和相干性计算、相位解缠、轨道精炼和重去平及相位转高程和地理编码等。具体流程如图 3所示。?SLC?DEN?DEM图3 InSAR DEM制作流程79基于InSAR的无人机DEM底图构建方法及应用研究http:/ 工程勘测 增刊1 1.2.1 影像配准由于主辅影像大小存在差异，就导致以影像左上角开始的像元不是一一对应于同一目标点，需要首先对 2 幅影像进行配准。主辅影像的配准是进行干涉的前提，对于获得可靠的干涉相位，提高干涉图质量至关重要5。1.2.2 干涉生成对主影像和从影像进行配准后，对从影像再次重采样，然后对 SAR 主影像和从影像所一一对应的像素通过共轭相乘之后生成干涉图。实验中先进行 SAR 单视复图像对的配准，之后进行方向位和距离位的预滤波处理，再进行滤波后的主影像和辅影像之间进行复共轭相乘，就得到实验所需要的干涉图6，如图 4 所示。图4 干涉影像渲染图1.2.3 去平地效应平地效应会对相位解缠产生误差，使得相位分离不准确。平地效应消除是基于轨道参数的数值计算方法，该方法能够真正意义去除平地效应，这种方法需要高精度的轨道参数以及目标中心位置参数。去除平地效应后应进行自适应滤波，将由 SAR 卫星和地形引起的叠掩、阴影等误差进行一定程度上的削弱7。图 5(a)为去除平地效应的干涉影像渲染图，图5(b)为进行自适应滤波后的干涉影像渲染图，可以看出经过去平操作后，干涉条纹明显减少。1.2.4 相位解缠利用 InSAR 技术提取 DEM 的重要步骤就是相位解缠。相位解缠将直接影响到实验提取DEM 的精度。相位解缠就是把相位由主值(区间为(-，)恢复到真实相位值的过程。本文相位解缠方案使用的是改进的最小费用流法。1.2.5 相位转高程及地理编码相位转高程和地理编码。将经过绝对校准和解缠的实际相位与合成相位相结合，并转化为高程数据，地理编码到指定坐标系统，如 图 6 所示为地理编码后 DEM 渲染图。图6 地理编码后的DEM2仿地飞行原理及精度分析2.1 无人机仿地飞行原理常规无人机航摄生产中，通常使用定高飞(a)去平干涉影像图 (b)自适应滤波干涉影像图图5 干涉影像滤波对比图80http:/电 力 勘 测 设 计增刊1行的方式进行数据采集，当作业环境处于大高差情况下，易造成采集的数据地面分辨率差异大，航摄像片重叠不足导致后期空三处理失败的现象，因此利用精度较高的 DEM 底图进行仿地飞行可实现无人机航高始终与地形保持一定距离，如图 7 所示，提高空三处理的成功率，以得到准确的地形数据，同时降低无人机发生事故的概率8。图7仿地飞行示意图2.2 精度分析处 理 数 据 选 择 采 用 ENVI+SARscape 对SAR 影像进行 InSAR 处理，利用 MATLAB 的数据统计分析工具箱对 InSAR 制作的 DEM 底图进行数据分析。选取某山地光伏场址为研究区，获取了两景 sentinel-1A SAR 影像数据，其具体的影响参数见表 1 所列。表1实验数据主要参数卫星产品级别成像日期极化方式接收模式轨道方向分辨率SentinelSLC2021.10.06 VV+VHIW升轨5 m20 mSentinelSLC2021.11.23 VV+VHIW升轨5 m20 m进行 InSAR 制作 DEM 底图需要导入外部DEM，并将其高程系统转换为参考椭球系，用于去除平地效应，外部 DEM 采用的为免费数据SRTM 30 m 级数据。采用高精度机载雷达获取的 DEM 进行绝对精度对比分析。1)在 LiDAR DEM 中挑选部分点云的绝对高程，将其导入 InSAR DEM 中进行对比分析，图 8 为二者的对比图，其中蓝色线为 liDAR 高程值，橙色线为 InSAR DEM 的绝对高程值，可以看出二者的吻合程度较高，InSAR DEM 与LiDAR DEM 对地形的描述具有一致性。InSAR DEW?LiDAR DEM?/m1900LiDAR DEMInSAR DEM180017001600150014001300120011001000图8 InSAR DEM和LiDAR DEM分布图通过二者的差值可以分析出其绝对精度的情况，图 9 为二者差值的分布直方图。二者差值的平均值为-1.9 m，标准差为 16.25，利 用 MATLAB 数 据 统 计 工 具 箱 可 以 计 算出，InSAR DEM 的绝对精度 95%置信区间为-20.6621,16.7242，绝对精度优于 30 m。InSAR DEW?/m1000 x=0,3y=6808006004002000-60-40-200204060图9InSAR DEM绝对精度分布图2)通过 ENVI 分析 InSAR DEM 得到，其DEM 的分辨率为 13 m，优于 15 m，图 10 为SRTM DEM 和 InSAR DEM 的对比图，通过对比可以直观地看出，InSAR 制作的 DEM 底图描述地形环境更加细致，能反应出更为细小的地形起伏，这对于无人机仿地飞行的准确度有了很大的提高。(a)InSAR DEM三维渲染图 81基于InSAR的无人机DEM底图构建方法及应用研究http:/ 工程勘测 增刊1 (b)SRTM 30 m三维渲染图图10 InSAR DEM与SRTM 30m DEM三维渲染对比图 3)图 11 为基于 InSAR 制作的 DEM 底图规划的无人机仿地飞行的航点分布。可以看出其仿地效果细节程度较高，能够保证不与山体发生撞击，且每个航点的相对高度保持一致，能够满足无人机仿地飞行对重叠度的要求。图11基于InSAR DEM制作的仿地飞行航点分布图3结论本文以 Sentinel-1A 数据为例，利用 InSAR技术进行无人机仿地飞行 DEM 底图制作，通过对比分析高精度 LiDAR DEM，分析了 InSAR DEM 的 绝 对 精 度，其 绝 对 精 度 优 于 30 m，Sentinel-1A 的 SAR 影像制作的 DEM 的地面分辨率优于 15 m，较开放的 SRTM 30 m 级 DEM有了较大的提高，能够更加细致地描述地形起伏，避免无人机在进行仿地飞行时出现重叠度不够、影像出现漏洞导致空三失败，且通过InSAR 构建的 DEM 底图进行的航线设计，其航线与地形贴合度高，撞山的事故风险大大降低。研究表明该方法可有效解决无人机仿地飞行 DEM 底图相对精度和绝对精度都优于开放的DEM 底图，且具有现势性，对于无人机航摄在高山地区作业具有一定的参考价值。然而利用 InSAR 制作的 DEM 仍然存在一定的问题亟待解决，比如 SAR 影像在山脊部分高低起伏区域存在叠掩、阴影等情况存在，影响干涉处理和精度高程反演。相信随着 InSAR技术的发展和 SAR 卫星的发展，使用 InSAR 技术制作 DEM 底图将会越来越普遍，也将给无人机仿地飞行的效率等带来很大的提高。参考文献1 辛赟.无人机仿地飞行在铜川地区某石灰岩矿区测图中的应用J.中国非金属矿工业导刊，2020(3)：53-56.2 张强.仿地飞行在无人机倾斜摄影测量中的应用J.科技创新与应用，2020(7)：179-180.3 刘国祥，陈强.InSAR原理与应用M.北京：科学出版社，2019.4 王超，张红，刘智著.星载合成孔径雷达干涉测 量M.北京：科学出版社，2002.5 靳国旺，徐青，何钰.机载双天线干涉SAR图像的自动匹配J.仪器仪表学报，2006(增刊1)：794-795.6 朱俊聪.INSAR高精度DEM提取方法及其精度分 析J.软件，2018，39(10)：170-174.7 于书媛，杨源源，丁娟，等.基于InSAR技术的大别山DEM提取及地貌特征分析J.地理空间信息，2020，18(8)：41-43.8 黄利章.无人机仿地飞行在复杂地形水库倾斜摄影测量中的应用J.经纬天地，2022(4)：44-46.(编辑 卢靖冉)