基于InSAR技术的DEM重建理论与应用研究

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数字高程模型(Digital Elevation Model,DEM)是用一组有序数值阵列表示地面高程的一种实体地面模型,其可以有效地对地形地貌等地面特性进行空间描述,在科学研究及工程建设中起着重要的作用。InSAR(Synthetic Aperture Radar Interferometry,合成孔径雷达干涉测量)作为一种先进的空间对地观测技术,能够克服常规DEM获取方法的低效率、高成本、易受天气影响等问题,在构建DEM方面展现了巨大潜力与优势。特别地,随着SAR数据的不断丰富,目前InSAR DEM重建的常用方法有基于多基线InSAR的DEM重建和基于串联TanDEM的DEM重建,已有众多学者进行了相关研究,然而这两种方法在DEM重建过程中仍存在一些关键问题未能解决,限制了其进一步的推广应用。基于此,本文从InSAR重建DEM的基本原理及其精度影响因素出发,提出改进的基于多基线InSAR和TanDEM的DEM重建理论与技术,旨在提高InSAR构建DEM的精度。主要研究内容和成果如下:(1)从常规两轨法、多基线法以及串联TanDEM三部分系统地阐述了近二十年来InSAR技术在DEM重建方面的研究进展,对已经取得的成果及仍然存在的问题进行综述。(2)介绍了InSAR重建DEM的基本原理和数据处理流程,分析了InSAR DEM数据处理过程中的主要误差来源以及各类误差对DEM精度的影响特性,给出常用的误差减弱措施,作为后续研究的理论基础。(3)介绍了传统多基线InSAR DEM重建理论及其数据处理方法,使用覆盖甘肃省黑方台地区的TerraSAR-X数据进行实验,对实验结果进行分析,指出了传统多基线InSAR DEM重建方法在获取DEM时存在的问题。(4)针对多基线InSAR进行DEM重建的低精度、失相干以及雷达侧视成像导致的空值问题,本文提出了顾及系数矩阵优化、临时相干点以及升降轨融合的综合数据处理方案,从而有效减少DEM中的空值区域,同时提高了DEM的构建精度。为了验证方案的合理性,使用模拟数据和真实数据进行了实验。模拟实验表明通过控制垂直基线和干涉对数目能够有效提高多基线InSAR构建DEM的精度。真实实验结果显示本文方法得到的DEM的精度较SRTM提高了35%,较传统算多基线法提高了20%,有效像元数量较传统多基线算法提高了73%,表明方法的有效性。(5)针对串联TanDEM-X数据在时序DEM获取中的解缠误差问题,提出了一套优化的时序DEM生成方案,该方法采用自适应相干性估计、相位掩模以及外部DEM精化来改善地形坡度较大区域的解缠误差问题,进而获得高精度时序DEM。为了验证方法合理性,以美国阿留申群岛克利夫兰火山为研究区域,以2012-2014年的14景TerraSAR-X/TanDEM-X为数据源,使用本文提出的方法获取了2012-2014年间克利夫兰火山熔岩的DEM变化情况,结果显示其DEM变化趋势与SAR强度图呈现很好的一致性,表明方法的合理性。
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