同步干涉SAR每日DEM生成质量分析

工程6（2020）913研究大地测量与测量工程-文章同步干涉SAR逐日DEM生成质量分析杨泽发a，b，张庆军c，丁晓丽b，陈晓，吴晨ba中南大学地球科学与信息物理学院，湖南b香港理工大学土地测量与地理信息学系，中国香港999077c中国航天科技集团公司，北京100048阿提奇莱因福奥文章历史记录：收到2018年2019年9月28日修订2020年6月29日接受在线预订2020年保留字：日数字高程模型干涉合成孔径雷达地球同步合成孔径雷达精度分析A B S T R A C T最新的数字高程模型（DEM）产品在减灾和城市管理等许多领域都是必不可少的。机载和低轨星载干涉合成孔径雷达（InSAR）已被证明是一种有价值的工具，用于生成DEM。然而，考虑到成本和卫星重复周期的限制，很难非常频繁地生成或更新DEM每天）用于非常大的区域（例如，大陆规模或更大）。地球同步合成孔径雷达（GEOSAR）卫星在地球静止轨道上飞行，使它们能够在很短的重访时间（每天或更短）内观测同一地面区域。这为每天生成DEM提供了巨大的潜力，而这是理想的，但迄今为止用星载传感器是不可能的在这项工作中，我们系统地分析了每日GEOSAR DEM的质量。结果表明，每日GEOSAR DEM的精度通常远低于典型的低地球轨道合成孔径雷达（SAR）传感器可以实现的，因此，重要的是开发技术，以减轻GEOSAR DEM生成中的误差的影响。©2020 THE COUNTORS.由爱思唯尔有限公司代表中国工程院和高等教育出版社有限公司出版。这是一篇CCBY-NC-ND许可下的开放获取文章（http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/）。1. 介绍数字高程模型（DEM）在许多实际应用中非常有用，包括土木工程、水文、重力场建模、城市规划和管理以及应急响应。通常需要快速生成和频繁更新DEM产品，以使其保持最新状态，从而支持各种应用程序。有许多生成DEM的方法，包括传统的大地测量方法（例如，使用全站仪和全球导航卫星系统（GNSS）设备）、机载激光成像、探测和测距（LiDAR）、摄影测量和干涉合成孔径雷达（InSAR）。与传统的大地测量方法相比，摄影测量和干涉合成孔径雷达（InSAR）是以低成本提供高空间分辨率产品的遥感技术。如今，InSAR通常是生成大规模DEM的首选遥感技术，因为它具有不受天气影响和昼夜功能的优势[1*通讯作者。电子邮件地址：xl. polyu.edu.hk（X. 叮）。https://doi.org/10.1016/j.eng.2020.07.003尽管InSAR在DEM生成方面具有优势，但经常生成或更新DEM产品（例如，每天）在非常大的区域上（例如，大陆或全球）与现有的机载和/或低地球轨道（LEO）星载合成孔径雷达（SAR）传感器。首先，利用机载或航天飞机SAR传感器生成高分辨率的大规模DEM例如，航天飞机雷达地形任务（SRTM）在11天内获得了几乎全球的高分辨率（~30米）DEM（覆盖约80%的地球陆地）（即，1999年9月16日至27日），费用为2.2亿美元[2，4]。由于重复周期有限（一般为几十天）和空间覆盖范围小，使用低地球轨道星载合成孔径雷达干涉测量法实现每日DEM更新也几乎是不可能的。例如，德国航空航天中心使用TanDEM-X SAR干涉测量法[5，6]制作了全球DEM，数据来自2010年约四年至2014地球同步合成孔径雷达（GEOSAR）概念最初由Tomiyasu和Pacelli[7，8]提出，用于以更高的频率观测地球。在大约36000公里的高度，GEOSAR传感器可以在更大的覆盖区（例如，ScanSAR模式为8× 107km2），2095-8099/©2020 THE COMEORS.由爱思唯尔有限公司代表中国工程院和高等教育出版社有限公司出版。这是一篇基于CC BY-NC-ND许可证的开放获取文章（http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/）。可在ScienceDirect上获得目录列表工程杂志主页：www.elsevier.com/locate/engð Þ. -2个p4个p公司简介2qBB914Z. Yang等人/工程6（2020）913空间分辨率（例如，几米）在非常短的重复周期中（例如，24小时或甚至低至几十分钟的卫星星座）[9，10]。通常情况下，GEOSAR可以以亚厘米级的精度检索完整的三维（3D）位移分量[10]，通过由多个GEOSAR卫星组成的星座提供24小时全球灾害监测。这个问题最近被广泛讨论[11此外，还讨论了利用GEOSAR数据进行大气相位屏蔽估计的可能性[15GEOSAR的一个巨大潜力是它能够提供大面积的每日全球）。GEOSAR的每日（或更短）重复周期可以为全球DEM生成（或更新）提供每日SAR干涉测量。此外，短重复周期可以有效地限制GEOSAR干涉测量的时间去相关[18]。因此，甚至可以为茂密森林和植被覆盖的地区生成DEM。此外，GEOSAR系统通常可以允许更大的临界基线（例如，高达数百公里）比LEO SAR系统（通常为几公里）[19]。这意味着大多数GEOSAR数据可用于生成DEM。在这项工作中，我们将系统地分析GEOSAR的潜力，为每日全球DEM生成或更新，特别是对这样的DEM产品的质量为重点。首先将概述基于InSAR的DEM生成。分析了GEOSAR InSAR的主要误差来源和局限性，以及对基于GEOSAR的DEM估计的影响2. 基于InSAR的DEM生成地球表面的高度信息可以从InSAR的干涉相位估计[19]。 图 其中A1和A2表示SAR天线的两个位置，空间基线为B; a是相对于水平方向的基线倾角; H和h是SAR天线A1的高度和视角; q和q<$Dq是SAR天线A1和A2与相同地面目标之间的距离; Z y表示表面高程。 它可以从图中找到。 1、[20]ZyyyH-qcosh设u为天线A1和A2之间的展开相位差，即天线与同一地面目标之间的斜距差DqDqku3通过结合Eqs. （1）- （ku2B2Z yH4pcos42Bsina-h-ku3. GEOSAR DEM生成误差分析正如在Eq. 仰角Z（y）与卫星高度H、斜距q、视角h、波长k、空间基线B、倾角α和干涉相位u等参数有关。一些参数（例如， 波长λ）可以被精确地确定并且被认为是无误差的，而诸如倾斜距离、空间基线、倾角、卫星高度差和干涉相位的其它参数可能包含误差。在本节中，我们将根据参考文献[10]中使用的系统参数分析这些误差对GEOSARDEM生成的影响（见表1）。3.1. 斜距误差假设误差源是相互独立的，倾斜距离误差dq对基于InSAR的DEM估计dZ的影响可以根据等式表示。（1）：dZ¼cosh·dq5图2显示了由方程计算的倾斜范围误差引起的GEOSAR DEM生成的不确定性。（5）.注意，标称视角（即，4.8°），为简单起见。它可以从结果可以看出，倾斜范围误差线性传播到DEM估计。考虑到倾斜距离误差（主要是由于对流层和电离层延迟）可能高达几十甚至几百，米，它对DEM估计的影响是非常显着的，222sina-hqDq-q-B图1.一、用于DEM生成的InSAR二维观测几何ð2Þ应尽可能减轻。这个问题将在第4.3中再次详细讨论。3.2. 空间基线误差根据等式（3）空间基线误差dB对GEOSAR DEM生成的影响为dZqsinhtanh-a·dB6从Eq. （6）空间基线误差的传播主要取决于倾斜距离q、视角h、基线倾斜角α和空间基线B。斜距离和外观表1分析中采用的GEOSAR系统参数参数值海拔35 788公里倾角60°重复周期1天视角±1.6°地面入射角±10.6°波长24 cm（L波段）地面距离分辨率20米标称子条带宽度400 km标称Z. Yang等人 /工程6（2020）913-918915图二、 相对于标称视角为4.8°的倾斜范围误差的绝对DEM误差。一旦成像几何形状已知，角度是固定的。因此，基线误差的传播主要取决于空间基线和倾角。图3示出了由于相对于不同空间基线（即，0-200 km）和基线倾角（即，0°、±30°、±60°和±90°）。结果表明，空间基线和基线倾角对卫星姿态的影响 显著影响结果。对于相同的基线误差，空间基线越大，DEM误差越小，反之亦然。另一方面，对于相同的基线误差，倾角越大，DEM误差越小，反之亦然。这意味着保持较小的倾角可以提高DEM估计的精度。研究结果还表明，基线误差是GEOSAR DEM生成的主要误差源，特别是对于小基线和大倾角基线3.3. 基线倾角误差根据Eqs。（1）和（2），基线倾角误差da对GEOSAR DEM估计值dZ的影响为：dZ¼q·sinh·da7显然，基线倾角误差的传播取决于GEOSAR系统的倾斜距离和视角。图4示出了由于基线倾斜角误差而导致的DEM误差。所用GEOSAR系统的斜距和视角以表1为基础。可以看出，基线倾角误差对DEM估计的精度有很大的影响。例如，对于GEOSAR基线倾角误差，±0.01 °（标准差的3倍），最大DEM误差可达524 m左右。即使考虑基线倾角的一个标准差（约±0.0033°），DEM的最大误差也可达173 m。结果表明，倾角误差是GEOSAR生成DEM的重要误差源。图三.由于相对于不同空间基线和基线倾斜角的基线误差引起的绝对DEM误差（即，对于（a）-（d）），0°、±30°、±60°和±90°。使用4.8°d<$dZu1/4安培916Z. Yang等人/工程6（2020）913图四、由于基线角倾斜误差引起的绝对DEM误差使用4.8°的标称视角3.4. 卫星高度误差从等式（1）、由于卫星高度dH中的误差而引起的DEM误差dZ可以表示如下：dZ¼dH 8考虑到卫星测高精度一般在厘米到米级，GEOSAR高度误差的影响相对于其他误差源来说是微不足道的。3.5. 干涉相位误差根据等式（4）、干涉相位误差的影响DEM误差dZ上的du可以描述如下：KQ新h94pBcosmopolyh-a图5绘制了由于干涉相位误差引起的DEM误差。相位误差会严重影响GEOSAR DEM的精度，特别是在小空间基线的情况例如是2p的相位误差给出的结果与约36米DEM误差为一个当基线增加到45 km时，DEM误差减小到约4 m（见图2）。 5）。图五.由于相对于不同空间基线的干涉相位误差（即，5、45、85、125和165 km），h<$4：8mm（标称）和1/4 0mm。远低于从LEO SAR传感器生成的DEM，如果错误不能得到适当的缓解。已经开发了各种方法来提高InSAR导出DEM的精度，例如使用地面控制点（角反射器）来减少系统误差（例如，基线和倾斜角误差[21]）、用于减轻倾斜距离误差的多基线InSAR DEM重建[3]以及用于降噪的最大后验估计[22]。这些方法可以潜在地应用于提高GEOSAR DEM的精度，但仍需要进一步的研究来测试这些方法并开发新的方法。4.2. 密集干涉相位条纹如第3节所述，一些误差源（即，空间基线误差和相位误差）与空间基线成反比这意味着通过增加空间基线来减少这些误差源的影响是可行的然而，较长的空间基线导致更密集的干涉条纹，因为高度模糊度（Zamb）随着基线减小[1]：4. 每日GEOSAR全球DEM的质量ZKQSinH2Bcostaleh-að10Þ如前所述，由于卫星重访时间很短，空间覆盖范围很大，GEOSAR系统有可能然而，这种DEM的质量可能受到固有误差源的限制，例如①上述分析的那些，②密集的干涉相位条纹，以及③大气条件的时空4.1. 固有误差源的影响如第3节所分析的，五个主要的固有误差源（即，倾斜距离误差、卫星高度误差、空间基线误差、基线倾角误差和相位误差）会影响GEOSAR DEM生成的精度。这些误差会影响GEOSAR或LEO SAR传感器生成DEM。然而，由于GEOSAR卫星的高度高得多（约36000公里），这些误差的影响往往变得更加显着（高达约50倍以上，在SARDEM生成与LEO传感器）。因此，GEOSAR DEM的精度可以密集的干涉条纹可能会导致相位展开困难[23]。如果在相位展开中不能准确地恢复地形相位，则不能可靠地估计地表高度。为了说明这一问题，图6中基于真实DEM（如图6（a）所示）呈现了相对于不同空间基线的模拟干涉条纹。海拔从225米到2160米不等。对于10 km的空间基线，由于表面地形（见图6（c））而产生的干涉相位条纹（包裹）对于相位展开是可以接受的。然而，当空间基线增加到50或100公里时（见图1和图2），图6（c）和（d））中，形貌相位条纹太密集而不能展开。有办法克服这一困难。例如，外部DEM（例如，SRTM DEM）可以应用于模拟和去除主要地形图案，然后可以基于剩余地形相位进行相位展开[24]。这些策略在使用时可能需要进一步调查用于GEOSARDEM生成。Z. Yang等人 /工程6（2020）913-918917见图6。 (a)DEM;（b）4.3.大气时空变化的影响GEOSAR信号通过整个大气层（包括对流层和电离层）传播，而不是 像 LEO SAR 传感 器那样仅 通过电离 层的一部 分。此 外，GEOSAR的积分时间（从几百秒到几千秒）比LEO SAR（从几秒到几十秒）长得多[25]。大气条件在时间和空间上都是变化的，并且可能导致InSAR产品中的显著误差[26，27]。因此，应开发更好地减轻大气影响的方法（例如，参考文献[285. 结论由于卫星重访时间非常短，而且GEOSAR的足迹非常大，因此GEOSAR卫星具有每日生成DEM的潜力。我们已经分析了这种DEM的潜在质量，并发现，由于GEOSAR卫星的高度非常高，GEOSARDEM的精度水平可能远远低于典型的LEO SAR传感器。因此，应制定战略，以更好地减轻误差源的GEOSAR DEM。确认这项研究得到香港特别行政区研究资助局（理大152232/17 E及理大152164/18 E）及香港理工大学苏城发展研究所（1-BBWB）的部分资助。遵守道德操守准则Zefa Yang、Qingjun Zhang、Xiaoli Ding和Wu Chen声明他们没有利益冲突或财务冲突需要披露。引用[1] 汉 森 RF. 雷 达 干 涉 测 量 ： 数 据 解 释 和 误 差 分 析 。 NewYork ： Kluwer AcademicPublishers.[2] FarrTG，Rosen PA，Caro E，Crippen R，Duren R，Hensley S，et al. 航天飞机雷达地形任务。Rev Geophys2007;45（2）：RG2004。[3] Ferretti A ， Prati C ， Rocca F. 多 基 线 InSAR DEM 重 建 ： 小 波 方 法 。 IEEETransGeosci Remote Sens1999;37（2）：705-15.[4] 张文辉，张文辉，张文辉. 航天飞机雷达地形任务--星载雷达获取的一类新的数字高程模型。ISPRS JPhotogramm Remote Sens 2003;57（4）：241-62.918Z. 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