一种雷达影像双视向信息补偿方法
技术领域
本发明涉及雷达成像技术领域,尤其涉及一种雷达影像双视向信息补偿方法。
背景技术
合成孔径雷达(SAR,Synthetic Aperture Radar)具有全天时、全天候和对某些地物具有一定的穿透性等特点,在海洋、大气、陆地、冰雪、空间探测及军事等方面得到了广泛的应用。特别是对于我国西南地形复杂区域的地形测绘以及我国南方多云多雨地区的地形图快速更新和土地利用动态监测等问题,SAR甚至是唯一可行的解决办法。然而,由于SAR的斜距成像特点,SAR影像上会出现和光学遥感影像显著不同的几何畸变特征,包括透视收缩、叠掩和阴影。这些几何畸变阻碍了人们对SAR影像特征的理解和专题信息的提取,因此必须通过正射校正处理去除SAR影像固有的几何畸变。
正射校正是SAR影像处理中的重要处理步骤,而且只有将SAR影像进行几何精校正,生成一幅处于地面坐标系下的正射SAR影像,才能将SAR影像与其他已经具有地理参考坐标信息的多源遥感数据进行综合应用。但是与光学图像不同,SAR传感器接收的只是地面目标的后向散射信号,在经历一个包括脉冲压缩、徙动校正等复杂的成像处理之后,接收信号才能变为可视的图像。因此,在SAR影像中没有光学影像中那样明确的像点物点对应关系。SAR复杂的成像机制造成了人们对SAR影像中空间关系理解的困难,也使得多年来SAR影像的几何校正问题成为制约SAR广泛应用的一个瓶颈。特别TerraSAR-X和COSMO-SkyMed的成功发射,空间分辨率达到米级,对SAR影像几何精校正技术提出了更高的要求。因此,研究和发展通用性好的星载高分辨率SAR影像正射校正方法对于SAR影像的应用有着很重要的意义。
地形引起的几何畸变同时也会给SAR影像的辐射特性带来很大影响。透视收缩会引起朝向雷达波束的坡面能量被压缩,背向雷达波束坡面的能量被拉伸,造成后向散射能量失真,SAR影像上叠掩和阴影区域的信息会丢失。地形引起的辐射方面的问题是多年来制约SAR数据应用的一个重要障碍。针对地形复杂地区SAR图像的几何和辐射畸变问题。
SAR影像几何校正和其他遥感影像几何校正一样,最重要的问题是确定描述SAR影像像点坐标与对应的地面点坐标之间数学关系的定位模型。目前比较有效的方法是基于SAR影像模拟的正射校正方法。该方法是基于RD定位模型(Range Doppler Geo-Location Model)利用数字高程模型(DEM,Digital Elevation Model)生成一景纹理和真实SAR非常类似的模拟SAR影像,然后将模拟SAR影像与真实SAR影像进行配准,最后建立起真实SAR影像像点跟地面点的对应关系,完成SAR影像正射校正过程。该技术方法如图1所示。
该技术主要包括如下几个步骤:
第一步,从雷达数据文件中获得定位模型相关成像参数,这些参数包括轨道参数(卫星位置矢量Rsc、速度矢量Vsc)、分辨率δr、斜距R以及多普勒频率fd等;
第二步,结合成像参数和DEM数据,利用严格的SAR成像几何模型生成模拟SAR影像;在模拟之前,需要将DEM旋转和镜像处理到SAR图像方位向和距离向坐标空间,然后重采样到满足图像分辨率要求。最后通过公式(1)的RD定位模型和公式(2)的后向散射模型生成模拟SAR图像。
公式
(1)
公式(2)
其中,地物点空间直角坐标Rtc=(Xt,Yt,Zt)T,Re为地球椭球赤道半径,Ht为地物点高程,Rp=(1-f)(Re+Ht),f为扁率;R为斜距,(i,j)分别为像元坐标行号和列号,fd是雷达波束通过地面目标时产生的多普勒频移,λ为雷达波长。
第三步,将真实SAR图像与模拟SAR图像直接进行全自动匹配,自动选取数量足够多的控制点,建立真实SAR图像与模拟SAR图像之间的映射关系,该映射关系可以由公式(3)得到。
ir=a0+a1.is+a2.js+a3.is.js
jr=d0+d1.is+b2.js+d3.is.js 公式
(3)
由于DEM上每一点的投影直角坐标所对应的模拟SAR影像坐标是已知的,具体计算如公式(4)。
公式(4)
综合公式(3)和公式(4),就可以将模拟SAR影像作为媒介,把物方坐标系和真实SAR影像坐标系之间联系起来,得到DEM投影直角坐标与真实SAR影像坐标之间的关系,如公式(5所示)。最后基于关系模型将真实SAR图像隐射到DEM坐标空间从而完成正射校正。
其中,ir和jr是真实SAR影像行列号,is和js是模拟SAR影像行列号,(反N,h)DEM为DEM数据中三维坐标值。
在实现本发明的过程中,发明人发现现有技术中的基于SAR影像模拟的正射校正方法存在如下的问题:无法解决透视收缩现象引起的后向散射系数失真问题;并且,山区地形起伏较大,SAR影像上的叠掩和阴影区域无法提取出有用的信息,此种方法不能祛除叠掩、阴影的影响,这是限制SAR在山区应用的最重要的因素之一。
发明内容
本发明的目的在于提出一种雷达影像双视向信息补偿方法,用以解决现有技术中无法解决透视收缩现象引起的后向散射系数失真问题以及无法祛除叠掩、阴影影响的问题。
为达此目的,本发明采用以下技术方案:
一种雷达影像双视向信息补偿方法,该方法包括:
利用雷达卫星升轨与降轨准同步获取山体两坡的数据,实现对山体两坡的双视向成像;
利用基于SAR影像模拟的正射校正方法对双视向的SAR影像分别进行正射校正,生成双视像两幅影像的叠掩和阴影掩模影像;
利用基于RD定位模型和投影角因子的方法对双视向的正射校正SAR影像进行地形辐射校正,修正透视收缩引起的后向散射系数失真;
基于地理坐标将双视向的SAR影像进行配准叠加,用双视像两幅影像其中一幅影像上对应正常区域的像元值来补偿另外一幅影像上发生叠掩和阴影的区域。
所述利用雷达卫星升轨与降轨准同步获取山体两坡的数据,实现对山体两坡的双视向成像,包括:
分析山区域DEM数据来确定获取图像时最佳的入射角参数;
根据最佳入射角参数,基于信息损失最少的原则,选择利用雷达卫星升轨与降轨准同步获取山体东西两坡的数据。
所述生成双视像两幅影像的叠掩区域,包括:
在距离向上,将离星下点最近的地面点作为起始点,记下其对应的雷达视角θ或雷达入射角
标志起始点的雷达视角为当前雷达视角;
沿距离向逐点比较雷达视角θ或雷达入射角
的大小,如果下一点的雷达视角θ或雷达入射角
大于当前雷达视角θ或雷达入射角
则将下一点雷达视角θ或雷达入射角
作为新的当前雷达视角θ或雷达入射角
当下一点的雷达视角θ或雷达入射角
小于当前雷达视角θ或雷达入射角
则标志下一点为阴影区域的开始;
直到下一个点的雷达视角θ或雷达入射角
大于当前雷达视角θ或雷达入射角
标志该阴影区域的结束。
所述生成双视像两幅影像的阴影区域,包括:
在距离向上,将离星下点最近的地面点作为起始点,记下其对应的斜距R,标志起始点的斜距为当前斜距;
沿距离向逐点比较斜距的大小,如果下一点的斜距大于当前斜距,则将下一点斜距作为新的当前斜距,当下一点的斜距小于当前斜距,则标志下一点为叠掩区域的开始;
直到下一个点的斜距大于当前斜距,标志该叠掩区域的结束;
在距离向上,将离星下点最远的地面点作为起始点,记下相应的斜距R,标志起始点的斜距为当前斜距;
沿距离向逐点比较斜距的大小,如果下一点的斜距小于当前斜距,则将下一点斜距作为新的当前斜距,当下一点的斜距大于当前斜距,则标志下一点为叠掩区域的开始;
直到下一个点的斜距小于当前斜距,标志该叠掩区域的结束;
将得到的叠掩区域结果取并集,就得到所有叠掩区域的范围;将得到的叠掩区域结果取交集,得到主动叠掩区域的范围。
所述利用基于RD定位模型和投影角因子的方法对双视向的正射校正SAR影像进行地形辐射校正,包括:
利用公式
进行地形辐射校正;其中,β
0是雷达亮度,φ是雷达入射角,σ
0是通过定标系数得到的后向散射系数,σ
0′是地形辐射校正后的后向散射系数,ψ是投影角。
所述投影角ψ通过公式
计算;其中,
是地面目标T处的表面法线矢量;R
tc为地面目标T处位置矢量;R
ts为根据SAR传感器位置矢量R
sc以及R
tc确认的位置矢量。
所述基于地理坐标将双视向的SAR影像进行配准叠加,包括:
选取叠掩阴影像元总数较少的SAR影像作为主影像,将另一幅SAR影像作为副影像对主影像进行配准叠加。
该方法进一步包括:
所述配准叠加通过选取控制点利用低阶多项式进行匹配的方法完成的,配准精度控制在1个像元以内。
该方法进一步包括:
设定M(i,j)为主影像上重叠区域内的任意一个像元,AS为根据主影像的叠掩阴影掩模影像判断出的主影像阴影区域范围,AL为根据主影像的叠掩阴影掩模影像判断出的主影像叠掩区域范围,AN为主影像上正常区域的范围;S(i′,j′)为副影像对应地理位置上的像元,BS为根据副影像的叠掩阴影掩模影像判断出的副影像阴影区域范围,BL为根据副影像的叠掩阴影掩模影像判断出的副影像叠掩区域范围,BN为副影像上正常区域的范围,R(i,j)为补偿后主影像上该像元的像元值,则双视向信息补偿过程通过公式
进行;其中,∈表示像元属于图像范围,∨、∧和→分别表示或、且和蕴含运算。
采用了本发明的技术方案,可以有效地补偿一幅图像由于地形引起叠掩阴影等信息损失问题,能够提高SAR数据在陆地特别是山区的利用水平。本发明的技术方案引入了基于严格的RD定位模型和投影角的方法对SAR影像进行地形辐射校正,很大程度上解决了透视收缩现象引起的后向散射系数失真问题。
附图说明
图1是现有技术中基于SAR影像模拟的正射校正方法示意图;
图2是本发明具体实施方式中雷达影像双视向信息补偿方法原理流程图;
图3是本发明具体实施方式中ECR坐标系中投影角与SAR卫星和地面目标之间的几何关系示意图。
具体实施方式
下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。
本发明技术方案的主要思想在于针对地形起伏较大的山区在SAR图像上叠掩、透视收缩和阴影等效应导致图像上信息的畸变和损失,发展了一种新的SAR影像双视向信息补偿方法,解决了透视收缩会造成的后向散射能量失真问题,叠掩和阴影区域的信息会丢失问题,提高SAR数据在地形复杂地区的利用率。
本发明方案主要分为以下四个步骤:第一步是利用雷达卫星升轨与降轨准同步获取山体东西两坡的数据,实现对山体两坡的双视向成像;第二步是利用基于SAR影像模拟的正射校正方法对两个视向的SAR影像分别进行正射校正,祛除地形引起的各种几何变形,并且生成两幅图像的叠掩和阴影掩模影像;第三步是利用基于RD定位模型和投影角因子的方法对两个视向的正射校正SAR影像进行地形辐射校正,修正透视收缩引起的后向散射系数失真;第四步是基于地理坐标将两个视向的SAR影像进行配准叠加,利用其中一幅SAR影像上的叠掩和阴影区域在另一幅影像上往往不是叠掩或阴影区域的特点,用其中一幅影像上对应正常区域的像元值来补偿另外一幅影像上发生叠掩和阴影的区域。
如图2所示,为本发明实施例提供的雷达影像双视向信息补偿方法原理流程图,其中,
步骤10,利用雷达卫星升轨与降轨准同步获取山体两坡的数据,实现对山体两坡的双视向成像。
一般的,合成孔径雷达SAR可以通过卫星升轨与降轨准同步获取山体两坡的数据,例如,可以获取山体东西两坡的数据,或者南北两坡的数据。获取山体两坡数据的目的在于通过两坡数据来互相补偿。这就需要将山体两坡的数据生成双视像的成像,得到山体两坡双视像成像。
其主要的方法,可以是分析山区域DEM数据来确定获取图像时最佳的入射角参数;根据最佳入射角参数,基于信息损失最少的原则,选择利用雷达卫星升轨与降轨准同步获取山体东西两坡的数据。
步骤20,利用基于SAR影像模拟的正射校正方法对双视向的SAR影像分别进行正射校正,生成双视像两幅影像的叠掩和阴影掩模影像。
基于SAR影像模拟的正射校正方法,可以是背景技术中所述的方法,本发明实施例中可以直接采用该方法来进行正射校正。
由于叠掩和阴影的产生与地形和入射角有关,所以利用DEM和成像参数(入射角)生成叠掩和阴影掩模影像,具体步骤如下:
阴影区域的识别方法:在距离向上,将离星下点最近的地面点作为起始点,记下其对应的雷达视角θ(或雷达入射角
),标志起始点的雷达视角为当前雷达视角。沿距离向逐点比较雷达视角的大小,如果下一点的雷达视角大于当前雷达视角,则将下一点雷达视角作为新的当前雷达视角,当下一点的雷达视角小于当前雷达视角,则标志下一点为阴影区的开始。直到下一个点的雷达视角大于当前雷达视角,标志该阴影区的结束,然后继续判断,最后就可以得到主动阴影区和被动阴影区的范围。
叠掩区域的识别方法与阴影类似,但是由于近距被动叠掩区域发生在主动叠掩区之前,因此需要两次判断才能识别出所有叠掩区域,其具体过程如下:
在距离向上,将离星下点最近的地面点作为起始点,记下其对应的斜距R,标志起始点的斜距为当前斜距。沿距离向逐点比较斜距的大小,如果下一点的斜距大于当前斜距,则将下一点斜距作为新的当前斜距,当下一点的斜距小于当前斜距,则标志下一点为叠掩区的开始。直到下一个点的斜距大于当前斜距,标志该叠掩区的结束,然后继续判断,直到该距离向上的所有地面点被遍历。完成这一步骤,可以得到主动叠掩区和发生在主动叠掩区后的远距被动叠掩区的范围。
在距离向上,将离星下点最远的地面点作为起始点,记下相应的斜距R,标志起始点的斜距为当前斜距。沿距离向逐点比较斜距的大小,如果下一点的斜距小于当前斜距,则将下一点斜距作为新的当前斜距,当下一点的斜距大于当前斜距,则标志下一点为叠掩区的开始。直到下一个点的斜距小于当前斜距,标志该叠掩区的结束,然后继续判断,直到该距离向上的所有地面点被遍历。这一步可以得到主动叠掩区和近距被动叠掩区的范围。将其与上个步骤得到的结果取并集,就可以得到所有叠掩区的范围;将其取交集,就可以得到主动叠掩区的范围。
步骤30,利用基于RD定位模型和投影角因子的方法对双视向的正射校正SAR影像进行地形辐射校正,修正透视收缩引起的后向散射系数失真。
针对透视收缩引起的后向散射系数失真,采用建立在严格RD定位模型下的投影角因子进行地形辐射校正,其校正方法如公式(6)所示.
公式(6)
其中,β0是雷达亮度,φ是雷达入射角,σ0是通过定标系数得到的后向散射系数,σ0′是地形辐射校正后的后向散射系数,ψ是投影角,投影角与SAR卫星和地面目标之间的几何关系如图3所示。
在ECR坐标系中,S表示SAR传感器,其位置和速度矢量分别为R
sc、V
sc。T为地球表面上的一点,其位置矢量用R
tc表示。
是地面目标T处的表面法线矢量。则投影角ψ定义为表面法线矢量
与成像面法线矢量的夹角,成像面法线矢量垂直于矢量R
ts和R
az所确定的平面,R
az与矢量R
ts和R
sc所确定的平面相垂直。则投影角ψ的余弦可以由公式(7)求出。
公式(7)
步骤40,基于地理坐标将双视向的SAR影像进行配准叠加,用双视像两幅影像其中一幅影像上对应正常区域的像元值来补偿另外一幅影像上发生叠掩和阴影的区域。
由于两个视向的SAR影像是单独进行正射校正的,在地理位置上会存在一定的偏差,因此还需要进行配准以保证地理位置的一致性。在配准时,首先根据叠掩阴影像元总数较少的SAR影像作为主影像,将另一幅SAR影像也就是副影像对主影像进行配准。配准工作可以人工(或自动)选取控制点利用低阶多项式进行匹配的方法完成的,配准精度控制在1个像元以内。然后,假设M(i,j)为主影像上重叠区域内的任意一个像元,AS为根据主影像的叠掩阴影掩模影像判断出的主影像阴影区域范围,AL为根据主影像的叠掩阴影掩模影像判断出的主影像叠掩区域范围,AN为主影像上正常区域的范围;S(i′,j′)为副影像对应地理位置上的像元,BS为根据副影像的叠掩阴影掩模影像判断出的副影像阴影区域范围,BL为根据副影像的叠掩阴影掩模影像判断出的副影像叠掩区域范围,BN为副影像上正常区域的范围。R(i,j)为补偿后主影像上该像元的像元值,则双视向信息补偿过程可以用公式(8)表示。
(8)
其中∈表示像元属于图像范围,∨、∧和→分别表示或、且和蕴含运算。按照公式(8)进行处理,遍历主图像上每一个像元,从而完成SAR影像双视向信息补偿过程。
本发明实施例的技术方案,针对SAR影像存在的叠掩、阴影问题,发展了一种新的雷达影像双视向信息补偿方法,可以有效解决透视收缩、叠掩和阴影引起的信息失真和缺失的问题。在本发明实施例的一个应用场景中,利用贵州某地TerraSAR-X升轨和降轨两个视向的数据进行了双视向补偿实验,补偿前主影像在重叠区域内发生叠掩的像元9959828个,阴影像元217383个。在双视向补偿时,被成功补偿的叠掩像元数为7624131个,叠掩补偿比例为76.55%;被成功补偿的阴影像元数为50393个,阴影补偿比例为23.19%。总的叠掩阴影补偿比例为75.41%,主影像上绝大多数的发生叠掩、阴影现象的区域的丢失信息得到了成功补偿。说明本发明提出的雷达影像双视向信息补偿方法确实可以有效消除叠掩、阴影的影响,而这个问题是传统的基于单幅SAR影像的方法所无法解决的,该方法为提高SAR数据在陆地特别是在山区的利用率提供一种重要手段。
针对现有技术中的信息补偿方法,本发明的主要优点在于:
现有技术方法无法祛除叠掩、阴影的导致的信息损失问题,在很大程度上限制了SAR在山区中应用。本发明提出的新的雷达影像双视向信息补偿方法,可以有效地补偿一幅图像由于地形引起叠掩阴影等信息损失问题,为提高SAR数据在陆地特别是山区的利用水平。现有技术方法仅仅纠正了SAR图像的几何畸变特征,对透视收缩引起的后巷散射系数失真问题进行解决。本发明在几何校正的基础上,引入了基于严格的RD定位模型和投影角的方法对SAR影像进行地形辐射校正,很大程度上解决了透视收缩现象引起的后向散射系数失真问题。
以上所述,仅为本发明较佳的具体实施方式,但本发明的保护范围并不局限于此,任何熟悉该技术的人在本发明所揭露的技术范围内,可轻易想到的变化或替换,都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此,本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。