InSAR技术制作DEM数据的精度检验

黄 波，赵 淮，郭 莉

（1.自然资源部第一地理信息制图院，陕西 西安 710054；2.自然资源部国土卫星遥感应用中心，北京 100048）

数字高程模型（DEM）是一定范围内规则格网点平面坐标和高程值的数据集，主要描述区域地貌形态的空间分布，是对地貌形态的虚拟表示[1]。现有的DEM数据源采集方法主要包括野外实测、地形图数字化和摄影测量，但上述方法均只能提供地面离散点的高程信息，且大面积获取DEM的时间相对较长[2]。InSAR技术利用两个不同天线位置对同一区域进行观测，得到雷达数据[3]，根据数据中记录的相位和强度，结合雷达传感器自身的参数、平台姿态和轨道等信息，利用几何关系解算得到地物点的位置变化量或三维位置信息。因此，利用InSAR技术采集DEM数据比传统测量方式更具优势[4]。

本文基于德国TanDEM-X卫星获取的原始SAR数据，通过数据聚焦、基线估算、生成干涉图、干涉图去平、自适应滤波与相干性计算、相位解缠、轨道精炼与重去平、相位转高程和地理编码等处理[2]，生成初始DSM产品；再经过人工编辑，得到DEM成果数据；然后收集该区域高精度控制点数据、1∶10 000 DEM成果数据和2020年制作的实景三维中国建设项目DEM成果数据进行精度检测、地貌细节表达程度的比较分析等，客观评价InSAR技术制作DEM数据的高程精度。

1 研究区概况

本文选取的研究区为西安市及其周边地区，面积约为0.8万km2，测区内平地、丘陵、山地、高山地地貌特征明显，地物要素丰富，涉及城市人工建筑物密集、自然植被多样、水域丰富、交通复杂，城市与农村并存。

2 数据来源

1）原始SAR数据。本文采用德国TanDEM-X卫星获取的原始SAR数据，利用中国测绘科学研究院研发的ISTM软件进行相位解缠、差分运算、滤波等处理，生成初始DSM产品；再参考在线光学DOM数据，经人工编辑去噪、水域置平等处理，生成DSM产品；最后对建筑物、植被、桥梁等进行滤波，生成DEM成果数据，格网间距为10 m。

2）控制点数据。本文收集该区域1∶2 000像控点、1∶10 000控制点、等级控制点等，共240个，具体分布如图1所示。

图1 高精度控制点分布示意图

3）1∶10 000 DEM成果数据。1∶10 000 DEM成果数据采用传统生产方式，格网间距为5 m，主要是在“十二五”期间生产完成的。在1∶10 000 DLG数据的基础上，选取其中的等高线、高程点、水系等要素以及已有的地形特征数据；同时利用各种地形特征信息提取算法，基于等高线数据采集地形特征点、特征线，进一步丰富地形特征信息，并按照统一设计的格网大小，采用合适的数学内插法生成1∶10 000 DEM成果数据。

4）实景三维DEM成果数据。2020年实景三维中国建设项目DEM数据主要由两种方式生产：①一类区，基于已有1∶10 000或更高精度DEM数据，重采样生成10 m格网间距1∶50 000 DEM，利用资源三号卫星等立体影像和区域网平差优化后的RPC参数恢复立体模型，对地貌变化区域（变化超过1倍等高距且面积超过1 km2的区域）进行更新，与周边DEM数据进行协调处理，得到DEM成果数据，对DEM数据现势性优于2019年的区域，直接进行10 m重采样生产制作，得到实景三维DEM成果数据；②二类区，基于资源三号卫星等立体影像和区域网平差优化后的RPC参数构建立体模型，通过多模型、多基线算法自动匹配获取匹配点云数据，得到以景为单位的单景匹配点云数据，经接边、镶嵌、裁切等处理后，得到1∶50 000标准分幅的点云数据，基于点云数据、区域网平差成果以及其他相关资料，对建筑、桥梁、林地等非地面区域进行DEM滤波，并将地表高程降至地面高程，形成大地高DEM数据，再经正常高转换、接边处理、元数据制作和检查验收等步骤，最后生成1∶50 000 DEM成果数据。研究区内收集的数据主要是通过一类区生产方式获得的，格网间距为10 m。

3 精度验证

本文利用收集的240个控制点分别计算1∶10 000 DEM、实景三维DEM、InSAR技术制作的DEM数据的中误差，结果如表1所示，可以看出，实景三维DEM是基于1∶10 000 DEM数据重采样后更新生产所得，因此二者精度相差较小；InSAR技术制作的DEM数据精度可达3.43 m，根据CH/T 9009.2-2010《基础地理信息数字成果1∶5 000、1∶10 000、1∶25 000、1∶50 000、1∶100 000数字高程模型》中的DEM精度指标（表2），初步认为满足1∶25 000比例尺的精度要求，甚至接近1∶10 000比例尺的精度要求。

表1 控制点高程中误差统计表/m

表2 DEM精度指标/m

4 地貌精细度对比

本文选取典型的平地、丘陵、山地（高山地）地貌案例，结合光学DOM，对比分析了1∶10 000 DEM、实景三维DEM、InSAR技术制作DEM数据的地貌表达精细度，结果如表3所示，可以看出，1∶10 000 DEM数据的地貌细节最突出，晕渲效果是最美观的；InSAR技术制作的DEM数据地貌细节丰富，虽然噪声相对较多，但反而更符合实际地形地貌特征；由于实景三维DEM数据是基于1∶10 000 DEM数据重采样后进行的局部更新，因此其地貌细节和晕渲效果均较接近1∶10 000 DEM数据。

表3 3种DEM成果地貌精细度对比

5 结语

本文利用高等级控制点分别对1∶10 000 DEM、实景三维DEM、InSAR技术制作的DEM数据进行高程精度检测，计算统计后发现，InSAR技术制作的DEM数据高程精度中误差达到了3.43 m。由于SAR数据无法恢复立体模型，无法精确查看房屋建筑、桥梁、植被等非地面物体的高度，降高依赖于在线数据和作业人员的主观经验值，因此DEM数据的编辑误差较大。鉴于此，本次检验初步认为InSAR技术制作的DEM数据能完全满足1∶25 000 DEM精度要求。本文还对3种DEM数据的地貌表达精细度和晕渲效果进行了对比分析，结果表明InSAR技术制作的DEM数据能较好地反映地貌细节，晕渲效果也符合实际地形特征。

SAR数据不受复杂气候条件的影响，可快速、高精度、大区域地进行对地观测，现已被广泛应用于地表变形监测、灾害监测、区域DEM提取和湿地水位监测等领域[5]。资源三号卫星影像受天气影响，需要人工消除或减轻云、云影、沙漠、冰雪、森林、阴影等影像弱纹理区域对地表高程的影响[6]。两种数据源相互补充，当获取大区域甚至境外DEM数据时，数据完整性和数据质量均能得到保障。本文对通过InSAR技术制作的DEM数据进行了客观的分析与评价，初步明确其高程精度能达到1∶25 000 DEM的精度要求，结论比较合理、科学；今后仍需通过对不同地形实验区和大量控制点进行实验[7]，为开展大规模SAR数据利用InSAR技术制作DEM数据，做好扎实的理论验证。