pos機感應器在哪里,機載SAR 遙感測圖技術及應用

新聞資訊 | 2023-03-30 08:11 | 投稿人：pos機之家

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pos機感應器在哪里

摘要

SAR遙感不同于光學遙感的特點使得其在特定場合的應用有著獨特的優勢和應用潛力。該文系統介紹了中國測繪科學研究院近10年來在雷達測圖數據獲取、處理系統建設和雷達測圖關鍵技術研究等方面的代表性成果，包括機載多波段多極化SAR測圖系統、X波段雙天線極化干涉SAR系統、微小型全極化MiniSAR系統等。針對機載SAR硬件系統的集成和測圖軟件系統開發中的難點問題和關鍵技術問題以及創新成果進行了重點闡述，對成果的主要應用進行了簡要介紹。該文是SAR測圖課題組多年來研究成果一個系統總結，同時對SAR遙感測圖技術今后的研發重點進行了展望。

引用格式

黃國滿，程春泉，趙爭，等．機載ＳＡＲ遙感測圖技術及應用［Ｊ］．測繪科學，２０１９，４４（６）：１０５-１１３．

正文

0引言

微波遙感因其具有全天候、全天時的工作能力，能夠實現實時動態監測，對一些物體及地表具有一定的穿透能力，這些優點使它在軍事和民用上都發揮了重要作用，微波遙感已成為當今世界上遙感界研究開發應用的重點。我國幅員遼闊，存在大范圍的多云霧測圖困難地區，同時，我國又是災害頻發的國家，迫切需要適應云霧天氣、能全天時工作的測圖與快速應急響應裝備。相比光學航空遙感系統受天氣、光照影響較大，機載合成孔徑雷達（synthetic aperture radar，SAR）測圖系統以其反應迅速、能全天時全天候工作的特點，成為多云霧測繪困難地區測圖和應急響應不可或缺的手段。如雅安地震災害發生時，震后獲取的光學影像雖為決策部門提供了重要的信息支持，但部分數據受到云的影響，不能實現地面災情遙感數據的全覆蓋，也勢必影響到地面的受災信息反映，而SAR系統不受云霧覆蓋的影響，可以彌補光學影像欠缺的重要災情信息。

SAR具有幾個明顯的特征：全天候工作性能；分辨率高，所攝照片清晰；覆蓋面積大，提供信息快；不易受干擾；具有分辨地面固定和活動目標的能力。針對SAR測圖能夠穿云透霧不受天氣影響的優勢以及我國光學影像測圖困難地區大比例尺測圖需求，課題組在SAR測圖領域進行了長期的探索和研究，取得了一些有特點的成果，開發集成到軟件和硬件中，形成了機載多波段多極化干涉SAR測圖系統、X波段雙天線極化干涉SAR系統、無人機載miniSAR測圖系統，在我國云霧光學測圖困難地區發揮了積極的作用。

1 機載多波段多極化干涉SAR測圖系統（CASMSAR）

1996—2011年，正值我國西部1∶50 000空白區測圖工程執行期間，光學立體衛星影像成為該項工程的主要數據源，但一些區域因常年云霧、積雪原因，光學影像難以勝任。研發機載SAR測圖系統是當時面臨的一項重要任務，經過4年的努力，課題組研發了國內首套機載多波段多極化干涉SAR測圖系統（CASMSAR）。該系統由3大部分組成（圖1）：機載多波段多極化干涉SAR數據獲取系統、SAR測圖工作站和機載SAR數據預處理與分發系統。

圖1 機載多波段多極化干涉SAR測圖系統

1.1 CASMSAR數據獲取系統

具有我國自主知識產權的機載多波段多極化干涉SAR測圖數據獲取系統的成功研制，填補了國內空白，整體性能達到國際同類先進水平，打破了發達國家對我國的技術壁壘。該系統具有從萬米高空穿透云霧、全天時全天候獲取0.5~5 m分辨率的多波段（X和P波段）、多極化（HH、HV、VH和VV）干涉與立體SAR數據的能力，解決了我國云霧、冰雪覆蓋區域的測圖數據獲取難題，實現1∶5 000～1∶50 000比例尺測繪^[1]。主要技術優勢表現在：

1）高精度運動補償和大偏流角成像與干涉技術：解決了X波段無穩定平臺長干涉基線處理、保相的雙通道運動補償及P波段高精度大孔徑運動補償等關鍵技術，確保了高質量成像；突破了大偏流角條件下成像和干涉的難題，使偏流角容許值由常規的3°提高至10°^[2]，航線偏離從200 m降低至80 m，實現了飛控導航系統與兩部SAR傳感器、定位定向系統（position and orientation system，POS）系統的高效集成。與國內類似系統相比，干涉天線從需穩定平臺發展至無需穩定平臺，基線長度從0.5 m提高至2.2 m，高程精度提高4倍。

2）多傳感器時空同步高效集成技術：基于秒脈沖和事件觸發技術解決雙波段雷達與POS的時空同步問題，實現了飛控導航系統與X波段干涉SAR傳感器、P波段極化SAR傳感器、POS系統的高效集成，保障了在單次飛行中同步、可靠地獲取高精度的干涉和極化SAR數據^[3]。

3）智能導航飛行控制技術：研制了一體化的智能導航和控制系統，實現了靈活機動的航線管理、平穩的航線控制和精確的雷達操作，在載機沒有鉸鏈慣導系統的條件下，使航線偏離誤差由以往200 m降低至80 m，保證了SAR傳感器高精度的成像質量^[3]。

機載多波段多極化干涉SAR數據獲取系統以其多波段、多極化、干涉+立體、高精度、寬測繪帶和業務化的技術特點成為SAR遙感數據快速獲取的高端裝備，是國內首個滿足1∶5 000～1∶50 000比例尺測圖精度的機載SAR業務化運行系統，達到了同期機載SAR測圖系統的國際先進水平。

1.2 CASMSAR測圖工作站

攻克了復雜地形區域高精度測圖等系列核心技術，研發了針對地理信息產品生產的SAR測圖工作站，實現了SAR干涉和立體測圖、極化分類、信息提取和解譯及SAR定量參數反演等功能，實現了立體環境下基于網絡化分布式協同的全要素矢量采編一體化的工作模式，可生產1∶5 000～1∶50 000比例尺的數字線劃圖（digital line graph, DLG）、數字高程模型（digital elevation model, DEM）、數字正射影像（digital orthophoto map, DOM）、地表覆蓋圖（land cover map, LC）等測繪產品^[1]，是國內外唯一能夠綜合利用極化、干涉、立體SAR技術實現測圖與解譯的SAR數據處理與分析系統，性能達到了國際領先水平。技術優勢表現在：

1）復雜地形區域高精度DEM提取技術。提出了外部DEM輔助的精化干涉處理、視差編輯輔助的立體SAR提取DEM、多源數據融合的DEM制作等技術，有效解決了復雜地形引起的失相干和誤匹配問題^[3-5]。

2）無遮擋、無疊掩的SAR正射影像圖制作技術。提出了基于差分全球定位系統（global positioning system，GPS）和姿態測量數據及稀少控制點的正射糾正方法、以及應用多方向、多種極化方式的SAR影像融合制作彩色DOM的技術，有效地解決了疊掩陰影導致的信息缺失問題^[6-7]。

3）多側視模型互補的SAR立體測圖與解譯技術。提出了基于幾何變換、影像模擬和影像坐標映射三種SAR立體模型制作方法，實現多側視模型互補的SAR立體測圖，解決SAR多立體模型的快速加載與切換等系列快速測圖問題^[8]。

4）稀少控制點SAR影像目標定位技術。以嚴密構像模型為基礎，構建了SAR影像觀測值的誤差方程，并與機載POS、衛星軌道、姿態等多源數據聯合平差，實現稀少控制點SAR影像的區域網平差與目標對地定位^[9-10]。

SAR測圖工作站綜合利用極化、干涉、立體SAR技術實現測圖的軟件系統，與GAMMA、Earthview和 InSAR等國外知名軟件相比，整體達到國際領先水平。首次提出了外部DEM輔助下精化干涉處理、視差編輯輔助的立體SAR提取DEM、多側視模型互補的SAR立體測圖、無遮擋無疊掩的SAR正射影像圖制作、多源數據融合的DEM制作、網絡協同SAR立體智能解譯、多波段/多極化SAR圖像分類等多項創新性的核心技術。與國內外知名SAR遙感軟件相比，SAR測圖工作站功能全面，并增加了雷達干涉/立體提取DEM、DEM精化、多方向的DOM/DEM融合和SAR立體環境下矢量采集與編輯等高效、實用的特色功能。實現了網絡化分布式協同工作模式，作業效率提高了30%以上；支持機載和星載SAR數據聯合處理^[3]。

1.3 CASMSAR系統的應用

提出了復雜地形區域SAR測圖的技術方案、工藝流程，首次制定了我國的SAR測圖工藝流程和行業標準，形成了SAR測圖技術體系，為利用SAR技術制作DEM、DOM、DLG、LC等系列測圖產品提供了整體解決方案，促進了SAR規?；瘻y圖的發展，指導完成了西部測圖工程橫斷山脈區域測圖任務，為西部測圖工程的順利完成提供了有力的技術支撐保障。通過大量生產實踐，首次詳細地設計了各工序的技術和方法，設置了各環節質量控制標準，保障了產業化運行。

1）技術方案與工藝流程。綜合考慮測區地形條件、植被分布、云霧和冰雪覆蓋情況，設計了SAR影像控制測量方案、SAR影像調繪方案、SAR內業測圖方案，SAR地表覆蓋數據制作方案等。形成了SAR影像調繪、SAR區域網加密、DEM/DOM/DLG/LC制作等工藝流程，解決了因我國西部地區自然地理環境艱難、氣候條件復雜帶來的系列測圖難題。

2）行業標準。制定了1∶50 000地形圖合成孔徑雷達航空攝影技術規定、1∶50 000地形圖合成孔徑雷達航空攝影測量技術規定、1∶50 000地形圖合成孔徑雷達航天攝影測量技術規定，提出了SAR測圖生產各個環節的質量控制措施，促進了產業化應用。

3）在國內建立了SAR測圖產業化運行體系。本項目聯合建立了企業化運行的機載SAR數據獲取隊伍與機制，構建了高性能集群化的快速預處理與靈活的數據分發系統，形成了產學研用相結合的SAR遙感測圖與應急響應產業鏈。在陜西、黑龍江、四川和重慶分別建立了SAR數據生產作業基地，裝備SAR測圖工作站100余套，形成了SAR測圖的規?；a業化生產能力，納入到國家基礎測繪體系。

CASMSAR在陜西、黑龍江、四川、重慶、云南和解放軍某部等測繪部門使用，完成了橫斷山脈22萬km²SAR測圖生產任務和土地調查工作。在海島礁測繪工程中，作為唯一中標的SAR測圖平臺裝備使用。具體包括2010年SAR航攝數據獲取橫斷山脈區域約11萬km²；西安秦嶺區域SAR數據約1 200 km²；獲取玉樹地震區域SAR數據約2 000 km²；2011年西部測圖工程橫斷山脈區域約20萬km²，合計502幅圖，包括1∶50 000 DOM、DEM、DLG制作。西安秦嶺區域SAR測圖約1 200 km²。2012年若爾蓋濕地SAR航攝數據獲?。杭s1.26萬km²；若爾蓋濕地SAR測圖，合計504幅圖，包括1∶10 000 DOM、DEM、DLG制作；927海島礁測繪SAR測圖軟件系統。CASMSAR先后為汶川地震災情信息評估、玉樹地震災情信息獲取及評估、海南災情信息評估等提供了應急保障服務^[11-12]。同時，CASMSAR已經在馬來西亞理工大學、國防科技大學、中南大學、首都師范大學等國內外多家科研與教育機構得到了廣泛應用。CASMSAR自投入應用以來，已直接應用于西部測圖工程、927工程、重大自然災害快速應急響應、教學與科研。

2 X波段雙天線極化干涉SAR系統

該項目的執行期為2011—2016年。當時國內已研發成功多套極化/干涉/極化干涉SAR傳感器，并成功實現了SAR傳感器載荷與飛行平臺的集成，已基本掌握航空航天SAR遙感數據獲取關鍵技術。但是，由于缺乏對SAR成像機理的深刻認識，缺乏高效的SAR影像精確處理模型、定量化的處理手段和通用化快速處理軟件系統，SAR處理與解譯存在精度低、可判別類別少、處理效率低等難題，導致SAR影像數據的應用受到極大限制^[13]，迫切需要定量化、精準化、高性能SAR處理與解譯技術和系統來支撐SAR技術的快速發展和應用需求。在國家863計劃項目支持下，經過4年的聯合攻關，突破了SAR影像精準處理、高精度三維信息提取、基于知識庫的高可信解譯、SAR影像核心處理功能加速等系列核心技術，首次研發了能處理國內外航空航天SAR數據、功能齊全、具有PB級影像數據管理和并行處理解譯能力的國家級SAR影像處理解譯系統，并在地形測繪、土地利用分類與植被覆蓋監測等多個領域開展了應用推廣。X波段雙天線極化干涉SAR系統是其中的一項代表性成果。

2.1 X波段雙天線極化干涉SAR硬件系統

X-波段極化干涉合成孔徑雷達(polarimetric interferometric SAR，PolInSAR)系統能夠在高程精度、極化測量精度、輻射定標精度以及幾何測量精度等方面取得突破，對X-波段雷達系統的發射功率容量、接收通道幅相一致性、系統增益穩定度、內定標精度、激勵信號帶內外雜散抑制有了明顯提升。構建的X波段雙天線極化干涉SAR獲取技術及系統，具備高低空快速數據獲取能力，可同時獲取0.3~2.5 m X波段全極化干涉數據，具有高分辨率、寬測繪帶干涉合成孔徑雷達系統，高程精度達到0.28 m，是國際上干涉精度最高的幾個雷達系統之一。

1）工作模式設計。在單發雙收模式下，兩幅X-波段雙線極化天線安裝在天線吊艙內，以達到2.2 m最長基線，提高干涉精度。在此模式下，微波組合開時鐘指向H極化天線，微波組合配置為僅選通兩路接收回波到低功率射頻的接收機，信號經過低噪聲放大、混頻、濾波后輸出中頻信號給數據形成單元，數據形成單元中只有兩塊AD卡工作，同時采集兩路接收機輸出的信號，AD量化后的數字信號通過高速總線傳輸到數據記錄系統進行記錄，并可根據指令能夠同時傳輸到實時數據處理器進行處理。乒乓模式下，兩幅X-波段雙線極化天線安裝在天線吊艙內，以達到2.2 m 最長基線，提高干涉精度。在此模式下，微波組合通過乒乓開關切換發射通路，提高有效干涉基線的長度，選通四路回波到低功率射頻的接收機。低功率射頻分別經放大、混頻、濾波后輸出信號經AD量化后通過高速總線傳輸到數據記錄系統進行記錄。極化干涉模式下，兩幅X-波段雙線極化天線安裝在天線吊艙內，以達到2.2 m最長基線，提高干涉精度。在此模式下，H通道與V通道交替乒乓發射，H通道與V通道乒乓接收。低功率射頻內分別經放大、混頻、濾波后輸出信號經AD量化后通過高速總線傳輸到數據記錄系統進行記錄。高分辨率模式：此模式為應急測繪使用，在飛行高度較高情況下，使用寬脈寬，低PRF降低系統數據率，增加采樣點數，選擇使用單通道接收增加應急模式下的測繪幅寬。

2）高分辨率極化干涉SAR硬件系統。系統測繪帶寬與距離向波束范圍等因素有關，設計了不同工作模式下的測繪帶與波束范圍，保證在不同分辨率模式下均可滿足測繪帶寬要求。根據不同分辨率下斜距分辨率與信號帶寬之間的關系并考慮設計余量，將分辨率分別為0.3、1和2.5 m的極化干涉SAR信號帶寬分別設計為670 MHz、250 MHz和125 MHz。在條帶工作模式下，方位向波束寬度在3.5°以上。系統記錄數據率為320（MB·s^—1），記錄器峰值記錄速度可以為320（MB·s^—1），存儲容量為2.2 TB。基于雙程回波方向圖計算得到的最大距離模糊比應小于—35 dB；而方位向模糊比應小于—21 dB。輸入動態范圍在0.3 m分辨率，2 000 m作業高度時，其等效后向散射系數在—37~—44 dB。在1 m分辨率4 000 m作業高度時，其等效后向散射系數在—32~—37 dB。在2.5 m分辨率，8 000 m作業高度時，其等效后向散射系數在—28~—34 dB。作業高度分別在2 000、4 000、10 000 m時，可以滿足0.5、1.0、2.5 m的高程精度要求。

3）高精度極化定標技術。X-波段極化天線擬采用波導縫隙陣列天線，極化隔離度可以達到30 dB以上的隔離度。經過極化定標后，極化隔離度可以進一步提高至35 dB以上。

SAR系統極化通道間幅度不平衡和相位不平衡變化誤差依靠內定標技術監測校正，內定標采用脈間連續定標方案，并只進行通道間的相對變化測量，可以獲得較高的測量精度，幅度不平衡優于0.2 dB。使用3個無源反射器（1個三面角反射器、1個0°二面角反射器、1個45°二面角反射器）進行極化外定標。對于X-波段，當信雜比優于25 dB時，幅度不平衡誤差為0.06 dB，相位不平衡誤差為3°。當定標器極化隔離度優于35 dB，幅度不平衡優于0.2 dB，相位不平衡優于2°時，外定標極化隔離度優于35 dB，幅度不平衡優于0.3 dB，相位不平衡優于5°。

2.2關鍵技術及軟件系統

1）SAR通用精確處理技術。通過系列SAR精確處理關鍵技術的突破，構建了SAR通用精確處技術方法。針對極化SAR影像斑點噪聲問題，聯合方位向濾波和距離向濾波前置濾波、多尺度多方向的自適應中值濾波、改進自適應Goldstein濾波、極化SAR自適應濾波算法，自適應地抑制InSAR干涉圖相位噪聲，有效降低了斑點噪聲對極化SAR相干性影響，提高了InSAR 干涉對的相干性^[14-15]。針對SAR立體影像間存在嚴重的輻射變化和幾何畸變等問題，提出了適用于機載SAR影像的“多視角自適應歸一化互相關系數和”影像匹配方法，解決了大基高比機載立體SAR影像匹配難點，聯合隨機抽樣一致性算法（RANSAC）和分塊處理測量，影像匹配錯誤率由30%下降到5%以內，速度提升2～3倍^[16-17]。構建了多源影像幾何定位通用模型，能夠適用于不同影像的幾何處理，實現了稀少或無地面控制點條件下高分辨率多源機載和星載SAR影像的聯合定位，以及光學與SAR影像的聯合定位^[18-19]。

2）多模式SAR三維信息提取方法。提出了將干涉相位整周期數作為未知數和目標坐標一起解算的多基線高程反演模型，從而避免了地形復雜區域因相位解纏錯誤引入的高程誤差，顯著提升了解算的穩定性的高程精度，并在有效降低偶然誤差影響的情況下并不損失地物細節信息，同時適用于機載和星載數據^[20]。建立了SAR影像與糾正影像間的嚴格轉換關系，實現了基于模擬糾正SAR立體影像匹配提取DEM方法；通過幾何變換，消除立體像對上下視差，構建SAR立體模型，實現了高精度立體量測^[21-22]；提出立體攝影測量協同解纏相位改正方法，解決了失相干和疊掩、陰影等對三維信息提取影響的問題，InSAR DEM提取精度提升30%^[23-24]。

3）SAR影像處理算法加速。構建了SAR影像加速處理平臺，加速平臺由宿主計算機和圖形處理器（graphics processing unit，GPU）加速卡組成，兩部分緊密結合完成SAR影像處理流程，主機系統主要負責影像存儲讀寫與GPU之間的通信，GPU主要負責大規模數據處理；進行加速單元開發平臺的構建、主要包括驅動加速卡、安裝SDK包和開發庫，在Windows平臺下與Visual Studio 2010開發環境進行捆綁。開發了基于RPC(rational polynomial coefficient）參數的星載SAR影像幾何校正、基于模板的平滑濾波、影像鑲嵌、SAR影像配準、SAR影像干涉處理五個加速單元；并使用大幅面影像進行測試，測試處理結果的正確性，五個加速單元均達到了20倍以上的加速比的性能指標^[25]。提出了應對大幅面的核外計算方法（out-of-core），由于單幅影像越來越大，不可能一次將整景影像全部導入GPU進行處理。因此，必須采用核外計算方法（out-of-core），也即影像分塊讀取并導入GPU，GPU內多線程并行處理，為每個像素分配一個線程，處理結果導出至主機內存，最后寫入結果文件。分析得到了三個影響加速性能的主要因素為：單次導入影像計算規模、主機與GPU之間交換的數據量、GPU卡各性能指標。軟件將五個常用SAR處理加速單元的集成到系統中。

4）高性能處理環境。SAR影像高性能處理環境構建從運行環境配置、硬件設計、軟件支撐和平臺構建四個方面構建一個SAR影像高性能處理環境。構建了高速的存儲系統網絡（光纖網）與相關服務，采用了存儲區域網（storage area network，SAN）和海量數據管理技術。構建了由4臺計算服務器設備、1臺千兆以太網交換機、1臺光纖網交換機和5臺機柜式磁盤陣列存儲設備組成的并行集群計算硬件系統，配置了StorNext和Condor集群軟件，利用StorNext實現了存儲系統的管理，利用Condor實現了計算節點任務調度等功能。構建了集群的用戶操作環境，向并行集群計算系統提交數據處理任務。開展了集群處理試驗，證明該集群系統達到了PB級SAR影像處理與管理能力，百個CPU核并行處理能力，單幅SAR影像并行讀寫能力不低于常規讀寫的10倍的性能指標。

2.3 X波段機載極化干涉SAR應用

1）通過對不同控制點布設方案、平差方案、以及不同影像組合定位精度對比實驗分析的基礎上，制定了航空航天SAR影像聯合定位的技術規范和技術流程、1∶5 000 1∶10 000地形圖合成孔徑雷達航空攝影測量技術規定。

2）形成了地形測繪和植被覆蓋監測專業應用示范系統，在地形測繪與土地利用分類應用示范區制作了產品1∶5 000、1∶10 000、1∶50 000等3種比例尺DEM、DOM、DLG、土地利用專題產品；在植被覆蓋監測應用示范區制作了1∶25 000比例尺的森林植被類型分布圖、森林地上生物量分布圖。

3）首次在國內構建了星-機-地一體化遙感綜合實驗區數據庫——包括1萬km²的機載SAR數據和星載SAR數據，四川若爾蓋實驗區、內蒙古大興安嶺實驗區的激光雷達（light detection and ranging， LiDAR、光學CCD（charge coupled device）、氣象水文觀測數據、解譯樣本和林地的樣例數據等，實現各種數據庫的數據共享，簽署了14份數據共享協議。在四川若爾蓋爾蓋、河南登封等地區開展了稀少或無地面控制點條件下的機載和星載SAR影像定位和區域網平差生產，驗證定位模型的可行性與精度。

SAR影像高性能處理解譯系統已出售或捐贈給四川測繪局、中水北方勘測設計研究有限責任公司、武漢大學王之卓教育發展基金、中南大學、內蒙古農業大學以及國防領域共計近300套，總計金額近億元人民幣；在四川測繪局、在航天科技集團、中國測繪科學研究院等單位完成了SAR制圖監測中得到廣泛應用，累積經濟效益超過數千萬元人民幣。

中國測繪科學研究院、武漢大學、中國科學院、林業科學院等單位在SAR不同領域有深厚的研究基礎，建立了SAR科研和教育協作機制，在資源整合、關鍵技術聯合攻關、學術交流和學生聯合培養方面，形成了良好的交流協作機制，為國內SAR技術的發展提供了聯合創新的平臺。

3 無人機載MiniSAR測圖系統

雖然我國已經具備中、高空機載SAR系統并成功應用于國民經濟領域和軍事領域，如由中國測繪科學研究院牽頭研制的機載多波段多極化干涉SAR測圖系統，在測圖和應急監測中發揮了重要作用，但受到設備采購成本、使用成本和操作成本相對較高的限制，難以在全國范圍內形成多點配置的局面，因此急需低空、超低空，低成本、輕小型無人機SAR測圖系統。微小型SAR以其體積小、重量輕、成本低、應急能力與靈活性強，實用性、可靠性高等特點，可用于公共安全、環境監測和各種軍事用途，成為當前世界各國對地觀測科技工作者共同的愿望和努力目標。2014—2016年，在原國家測繪地理信息局公益行業科研專項經費支持下，啟動了無人機載MiniSAR測圖系統研制，包括無人機微小型SAR數據獲取系統研制和無人機微小型SAR數據處理系統研發，并與測繪地理信息的廣泛應用相結合，形成服務于國家重大應用和應急監測保障的微小型SAR測圖技術體系和裝備能力，并進行規?；瘧?。

無人機載MiniSAR測圖系統的研制中重點突破了微小型全極化SAR系統一體化設計、微型SAR實時處理、微型SAR運動補償、無人機微小型全極化SAR數據獲取系統集成、區域網平差、快速糾正拼接處理、SAR立體測圖、極化SAR快速信息提取等核心關鍵技術，開展了應急監測應用示范。研制成功的無人機載MiniSAR測圖系統具備了微小型全極化SAR測圖系統規模化測圖生產與快速應急響應以及批量裝備的能力，提升了SAR遙感數據獲取、處理及應用的技術水平。

3.1 MiniSAR硬件系統

根據無人機微小型全極化SAR數據獲取系統構建的總體技術要求,研制精確飛行控制與任務規劃系統；完成無人機平臺適用性升級改進完善；集成設備與平臺，最終形成高分辨率、高精度、寬測繪帶全極化的無人機微小型全極化SAR數據獲取系統。

1）無人機平臺適用性改進與完善。根據無人機微小型全極化SAR數據獲取系統構建的技術要求，在現有無人機系統中進行選型，首先在任務載荷能力、飛行速度、實用升限等技術參數滿足需要；然后對選定的無人機系統進行適用性升級改進和完善，對無人機機體內部結構布局、飛行導航與控制系統、動力系統、電氣系統、數據鏈系統、發射回收方式等分系統進行改進和提高，形成指標先進、性能可靠的無人機平臺系統。

2）無人機微小型全極化SAR數據獲取系統優化集成。按照無人機微小型全極化SAR數據獲取系統技術要求，將微小型全極化SAR傳感器系統、飛行控制與任務規劃系統、輔助系統、GPS定位系統等設備、數據傳輸鏈路與無人機平臺進行優化集成，完成設備的互聯互通，形成無人機微小型SAR數據獲取系統。

3）精確飛行控制與任務規劃系統。精確飛行控制系統主要實現飛行任務航線管理，并在保證SAR傳感器成像質量的前提下，輔助操控實現精確的航線控制。任務規劃系統主要依據數據獲取范圍和攝影面積、測圖方法、測圖比例尺、SAR影像分辨率、特殊技術要求以及載機性能參數等，規劃SAR數據獲取任務分區、飛行架次、數據獲取航線圖，用于飛控計算機控制雷達獲取數據。

3.2 MiniSAR測圖軟件系統

針對應急采集數據處理要求，研究了無人機SAR影像區域網平差、快速糾正拼接、SAR立體測圖、極化SAR快速信息提取等技術，構建了適合微小型SAR數據的測圖處理系統。

1）無人機SAR影像區域網平差技術。針對無人機SAR航線規則性差、近遠距端入射角差異大、無姿態數據、大斜視角、影像幅寬小、同航線影像前方交會以及內部變形差異大的特點，研究僅基于傳感器位置信息的幾何模型，研究無控制點條件下的自由網平差相對定向、以及稀少或低精度控制點條件下的SAR影像區域網平差技術，實現微小型SAR影像的定向定位。

2）無人機SAR影像快速糾正拼接技術。研究無人機SAR影像高精度幾何糾正方法、基于已有地理數據的控制點快速獲取、非理想成像條件下SAR影像的匹配、基于網格采樣的SAR影像快速糾正和基于影像幾何信息的自動拼接方法，實現正射影像圖和應急圖件的快速制作^[26]。

3）SAR立體測圖技術。研究SAR立體定位方法和理想像對制作方法，獲取立體效果良好、量測精度較高的立體模型，用于三維信息提取與解譯。研究立體數據自動配對方法，解決無人機SAR立體測圖中模型數量較多的問題，滿足大規模測圖生產和應急數據處理需求。研究全極化SAR彩色立體模型制作方法，充分利用極化信息進行信息提取與解譯。

4）典型目標快速提取和變化檢測。充分發揮微小型全極化SAR在地震、洪澇、林火、滑坡泥石流等災害應急中的優勢，針對倒塌房屋、阻隔道路、洪水淹沒等災害現象，重點分析受災地物的極化特征，提出能顯著區分受災地物與正常地物的極化特征因子，準確地提取受災地物。發展建筑物損毀、道路阻隔和洪澇災害等極化SAR變化檢測的方法。

3.3 系統的應用

1）大比例尺測圖技術應用示范。選擇典型區域，依托微小型全極化SAR測圖系統，采用SAR影像處理及數字化立體測圖技術，輔以影像解譯、野外調繪及核查等方法，開展典型區域1∶2 000比例尺DLG、DOM、DEM等測繪產品制作，通過生產試驗，驗證測圖系統在大比例尺測圖中應用的可行性，建立數據處理和信息提取技術流程與規范，同時對系統性能進行改進與完善。

2）應急監測應用示范。選擇典型區域，依托微小型全極化SAR測圖系統，基于無人機SAR數據獲取、平臺位置數據自動定位等技術，快速制作試驗區高分辨率影像圖，采用多尺度評估結合人工干預等方法對災區河流、道路、橋梁、房屋等方面的損毀情況進行分析，制作災害損毀專題圖，為應急部門提供決策支持。

因此，建立的無人機微小型SAR遙感數據快速獲取軟硬件平臺，形成的高分辨率地理信息獲取和處理系統，對緩解我國氣候復雜區域以及應急監測遙感數據快速獲取、處理能力不足的問題具有重要意義。同時，微小型全極化SAR測圖的成功研制實現了微小型全極化SAR測圖核心技術的突破，提高了自主創新能力；有利于提升對國家重大戰略、重大工程和災害應急反應的服務保障水平，服務于國民經濟建設。

4 結束語

中國測繪科學研究院雷達測圖課題組在過去近15年間著眼于SAR測圖，在其關鍵技術攻關、硬件集成突破、軟件開發創新等領域進行了長期的研究，取得了較好的成果，促進了我國雷達測圖技術的發展和產業化應用。隨著SAR技術的日益成熟，SAR在專業測圖、資源調查、變化監測信息提取等領域中的應用越來越廣泛，SAR測圖技術本身仍然存在不完美的地方，同時不同應用也對SAR技術提出新的要求。當前SAR測圖面臨的主要問題表現在大交會角影像的稀疏匹配和密集匹配準確率和精度仍不高，影響了其定向自動化和立體模式三維重建的自動化；而InSAR三維重建時因局部失相干情況導致三維重建失敗或出現粗差，導致在大比例尺專業測繪應用中受到限制。提升立體SAR測圖的自動化水平和失相干區域InSAR三維重建質量和精度，是我們當前和今后一段時間在SAR遙感測圖領域努力的一個方向。同時，盡管相比于光學影像SAR在某些地方方面的識別有一定的優勢，但對于大多數地物而言，SAR的分辨能力整體上還是比光學影像弱，加上SAR成像斑點噪聲的影響，地物的高可信解譯仍然是SAR制圖自動化面臨的另一個難點。盡管SAR自動化制圖還存在不足的地方，但SAR技術的仍處于快速發展期，其中4維層析技術能夠解決疊掩區域散射體分離問題，為散射機制分離提供新的技術支撐，為復雜地形精確提取提供技術手段。當地形條件復雜時，分析TomoSAR與差分層析的聯合，也成為三維信息提取一個重要手段。課題組將繼續緊跟SAR技術的發展，理論聯系實際，攻克SAR測圖應用中存在的難點，促進我國SAR遙感測圖技術的發展，推進SAR服務于我國的自然資源保護與開發。

參考文獻（略）

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