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《武汉大学》 2004年
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单幅雷达影像测图原理研究

钱俊  
【摘要】:利用合成孔径雷达(SAR)影像提取地理信息,特别是高程,是地形测绘,自然资源调查等对地观测技术的基础工作,有着重大的社会和经济效益。如何从SAR数据提取地理信息已成为当前研究热点,即雷达测图技术越来越得到广泛关注。其中——单幅雷达影像测图(Radarclinometer),由于对数据源的要求简单,成为较具潜力的测图手段。 Radarclinometer是根据计算机视觉从阴影恢复形状的方法演变而来,其基本思想是根据光学影像的反射图方法推导出来的线性积分算法来恢复高程信息,这种算法根据雷达成像模型——雷达方程或由它推导出来的余弦散射模型构筑基本的地形和雷达影像灰度之间的关系式,在此基础之上利用各种约束条件来求解地面坡度信息,进而获取高程信息。这种简单的线性积分算法需要约束内容多,在实际计算中难以同时满足,特别是忽略方位向坡度角的影响,降低了单幅雷达影像获取高程的精度,限制了其应用范围。基于这种情况提出了基于区域增长的余弦散射模型单幅雷达影像测图技术。 基于区域增长的余弦模型单幅雷达影像测图技术出发点是针对线性积分算法中的约束条件过多,只能在特定的地形下才能获取比较令人满意的地面高程的特点,通过区域的划分,在区域内满足线性积分的约束条件,从而提高获取高程的精度。在区域内,采用种子区域增长的方法,这样能很好地选择适当的积分路径,避开不连续区域,使得求解结果的精度和可靠性都得到很大的保证。在基本区域内,灰度相近,坡度相近,在余弦散射模型的基础之上,利用相邻像素灰度的比值来确定增长的准则,并通过八个方向同时对待求点坡度进行求解,不同方向根据灰度近似性原则和已经求解情况给予不同的权重,并对求解出来的坡度在灰度最接近已求解邻域点的坡度之间建立迭代关系,最后获取较为精确的坡度值。增长条件的设置主要是为了避开不连续的区域,通过对坡度变化的平缓程度来设立不同的坡度阈值来让增长过程停止。不同区域间种子点确定是把一个区域压缩为一个点,忽略方位向坡度的影响,并且以平均灰度带入,以距离和灰度最相近的像素点作为连接点,以已知区域的像素点推导未知区域的邻近点的坡度,以新求解出来的像素作为种子点来进行区域内增长。不断扩大马尔算子的零交叉点两边的闽值,以把边缘点合并到区域中扩大求解范围。对于山脊的求解则利用山脊特性来进行递推。 雷达测图技术的关键之一是种子点的位置精度和坡度精度,我国还没有建立起有效的雷达卫星对地观测体系,为了获取精确的控制点坡度和位置,提出了基于EM算法的控制点地面位置确定算法和精度提高算法。首先确定地理特征显著的像素点在雷达影像和地形图上的位置,通过目视和马尔算子的零交叉线能够较为容易地进行判断,再根据地形图上控制点距山脊的位置调节控制点的位置。在此基础以目视得到的控制点为对象,利用基于 区域增长的余弦散射模型和EM算法对控制点的位置和坡度进行了迭代校正。 最后,在深入研究雷达成像机理的基础之上,提出了另外一种单幅雷达影像测图技术 算法,基于雷达方程的封闭环路单幅雷达影像测图算法。该算法充分利用了雷达影像上具 体像素点对应的地理信息是不变量的特点,即像素点对应的高程,距离向坡度和方位向坡 度应该是不变量,通过任何路径和手段递推地理信息(坡度和坡向以及高程)应该是一致 的。但由于推导过程中的误差存在,正确的推导应该是在该像素点的残差最小。基于该思 想,选择了闭合环路作为推导和验证的方法。因为在闭合环路上任何一像素点都可以得到 两个不同方向积分所得的地理信息,从而可以较为方便进行对比和迭代处理。而且可以利 用最简单的2,2的封闭路径来演算,简单快捷,充分利用相邻像素点递推算法,使递推算 法切实可行,而且利用不变量的特点简化了约束条件,在很大的程度上提高了高程的精度。 在该算法中,还采用了雷达影像是斜距等间隔采样成像过程的信息进行校正,取得了较高 精度的地理信息。 单幅雷达影象测图技术是一门新兴的测图技术,它随着遥感技术、计算机视觉,图像 处理等学科的发展而发展,在精度进一步提高情况下,应用范围将进一步扩大。
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