CN105137431B - 一种sar立体模型构建与量测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种合成孔径雷达(Synthetic Aperture Radar,SAR)立体模型构建与量测方法，该方法首先对原始的SAR立体像对进行斜地距变换，然后对立体像对的右片进行旋转变换消除像对上下视差，得到理想立体像对，同时根据原始SAR立体几何模型构建三维立体量测模型，从而获得用于立体测图的立体模型。本发明能够消除SAR立体像对上下视差，获得较好的立体视觉效果，同时建立高精度立体量测模型，用于地形三维信息提取，提供的方案可以SAR地形测图中起到重要的作用，具有较佳的技术效果。
Description
技术领域
本发明属于遥感影像的数字摄影测量领域，特别涉及合成孔径雷达(SyntheticAperture Radar,SAR)立体测图。
背景技术
合成孔径雷达SAR立体测图的主要目的是利用SAR立体数据提取地形和地物信息。立体SAR和干涉SAR都是提取三维地形信息的手段，理论上干涉SAR能获取更高精度的三维地形信息，但是其对系统参数和数据时间间隔要求非常严格，使用干涉SAR提取DEM成功率偏低，特别是在西部高山地区，由于地形起伏较大和植被覆盖稠密，很难在大范围内获得理想的干涉处理结果。和干涉数据相比，SAR立体数据相对容易获取，利用立体SAR测量技术，提取困难地区的DEM是切实可行的。另外，对于地形制图而言，地物目标的三维量测和地貌、地物要素的采集都必须通过SAR立体测图实现。因此，SAR立体测图是当前SAR地形测图实用化和产品化的关键，是当前SAR数据处理技术领域的研究热点和难点。
SAR立体测图的核心问题是SAR立体模型的构建，这里SAR立体模型需要满足两个条件：一是理想立体像对，即消除上下视差，重建左右视差，能够获得良好的立体视觉；二是立体量测模型，即能够从模型中量测获取精确地物三维地理坐标信息。光学影像通过核线重采样能够消除上下视差，构建理想像对实现立体观测。SAR由于其斜距投影成像方式，不存在核线而不易消除像对上下视差，同时其形成的立体视觉和人眼的观测习惯不一致，对于立体量测和解译都是不便的。这对这一问题，国内外研究人员已经提出了一系列SAR理想立体模型的构建方法，但是构建的立体模型普遍存在立体观测效果不佳或量测模型不够严密等问题。
发明内容
本发明的目的在于实现SAR立体模型构建和三维量测，提出了SAR立体模型构建和量测方法，该方法通过斜地距转换，改善影像比例尺不一致的问题，通过分辨率重采样和旋转变换消除立体像对上下视差，获取良好立体视觉，同时根据影像几何变换参数和立体定位模型，构建立体量测模型，用于SAR立体测图，提取高精度三维地形信息。
本发明的技术方案具体如下面所描述：一种SAR立体模型构建与量测方法，该方法通过几何变换消除上下视差，获取立体视觉，根据变换参数和定位模型构建立体量测模型，包括：(1)利用SAR影像几何成像参数和传感器平台状态矢量参数，建立SAR影像定位几何模型，建立地理坐标和影像坐标之间的换算关系；(2)影像分辨率重采样，对SAR立体像对的右影像进行重采样，使其方位向和距离向分辨率与左影像分辨率一致；(3)将SAR立体像对的左右影像，进行斜地距转换，将斜距影像转换为地距影像；(4)利用立体像对上同名像点，获取左右影像的扫描行方向夹角，对右影像进行旋转变换；(5)结合SAR影像几何模型和和几何变换参数，构建立体量测模型，实现由立体影像获取地面三维信息。所述方法能够用于SAR地形测绘中立体测图提取三维地形信息。
进一步地，优选的方法是，所述步骤(1)中，利用SAR影像自带的几何成像参数和传感器平台状态矢量参数，建立几何定位模型，建立地理坐标(X,Y,Z)和影像坐标(x,y)直接的换算关系。
进一步地，优选的方法是，所述步骤(2)中，根据左影像的方位向分辨率和距离向分辨率，对SAR立体像对的右影像进行分辨率重采样，使得右影像分辨率与左影像一致。
进一步地，优选的方法是，所述步骤(3)中，对SAR立体像对的左右影像进行斜地距转换，将斜距SAR影像转换为地距SAR影像，改善比例尺不一致的问题，便于立体观测。具体处理时，根据斜距SAR影像的初始斜距R0和斜距分辨率mR，平台飞行高低Hf，计算地距SAR影像的初始地距取地距分辨率mG，则地距影像上某点地距向影像坐标xG，其地距值Gx＝G0+xG·mG；与该点对应的斜距影像点的影像坐标xR，其斜距值 Rx＝R0+xR·mR；同时地距与斜距换算关系为Rx 2＝Gx 2+Hf 2。根据以上关系式，能够建立斜距SAR影像与地距SAR影像像点换算关系，从而实现斜地距转换。
进一步地，优选的方法是，所述步骤(4)中，对地距转换后的右影像进行旋转变换，获取似核线影像对。具体处理时，旋转处理的旋转角由左右影像上的若干同名像点确定的，根据旋转角建立旋转前后的影像坐标对应关系，建立方程式，然后利用已知同名点反求旋转角。
假设右片旋转角为θ，左影像点像点坐标(xl,yl)，右影像对应同名像点的像点坐标为(xr,yr)，旋转后右影像点的像点坐标为(xr′,yr′)，则影像坐标旋转公式为：
xr′＝xrcosθ+yrsinθ
yr′＝-xrsinθ+yrcosθ
假设旋转后，左右影像所有扫描行的上下视差为Vy，对于n对同名点，在左影像上像点坐标为 (xl 1,yl 1),(xl 2,yl 2),...,(xl n,yl n)，在右影像上像点坐标为(xr 1,yr 1),(xr 2,yr 2),...,(xr n,yr n)，旋转后在右影像上像点坐标为 有
将yr′＝-xrsinθ+yrcosθ带入上式，有
将θ，Vy作为未知参数，根据上式进行最小二乘平差，计算未知参数值，平差解算误差方程如下：
利用牛顿迭代法进行解算，得到旋转角θ。因此，对于由旋转得到的坐标进行改正，得到完全旋转公式：
xr′＝xrcosθ+yrsinθ
rr′＝-xrsinθ+yrcosθ
同时有逆变换重采样公式：
xr＝xr′cosθ-yr′sinθ
yr＝xr′sinθ+yr′cosθ
进一步地，优选的方法是，所述步骤(5)中，根据原始SAR影像定位模型，得到针对原始SAR立体像对的立体定位方程：
FR l(X,Y,Z,xl,yl)＝0
FD l(X,Y,Z,xl,yl)＝0
FR r(X,Y,Z,xr,yr)＝0
FD r(X,Y,Z,xr,yr)＝0
FR l、FD l为左影像距离条件和多普勒条件对应的函数，FR r、FD r为右影像距离条件和多普勒条件对应的函数，(xl,yl)、(xr,yr)为原始SAR立体像对影像坐标，根据几何变换关系，建立变换后影像坐标(xl′,yl′)、(xr′,yr′)和变换前影像坐标(xl,yl)、(xr,yr)直接的换算关系：
xl＝Tx l(xl′,yl′)
yl＝Ty l(xl′,yl′)
xr＝Tx r(xr′,yr′)
yr＝Ty r(xr′,yr′)
Tx l、Ty l为左影像几何变换函数，Tx r、Ty r为右影像几何变换函数，将变换关系式代入原始立体模型，从而获得似核线影像立体量测模型方程：
FR l′(X,Y,Z,xl′,yl′)＝0
FD l′(X,Y,Z,xl′,yl′)＝0
FR r′(X,Y,Z,xr′,yr′)＝0
FD r′(X,Y,Z,xr′,yr′)＝0
FR l′、FD l′为左影像几何变换后距离条件和多普勒条件对应的函数，FR r′、FD r′为右影像几何变换后距离条件和多普勒条件对应的函数。基于以上模型，利用该立体模型，能够实现三维信息的高精度量测。
所述方法能够通过分辨率重采样、斜距转换、旋转变换，改善SAR立体像对比例尺不一致问题，消除上下视差，获取的能够用于立体观察的立体影像对，同时根据几何变换参数和影像定位模型，构建高精度立体量测模型，实现目标的高精度三维量测，提供的方案可以SAR地形测绘应用中起到重要的作用，具有较佳的技术效果。
附图说明
下面结合附图对本发明进行进一步详细的描述，以使得本发明的上述优点更加明确。
图1是本发明所述的SAR立体模型构建与量测方法的流程图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细的描述。
首先，利用SAR影像自带的几何成像参数和传感器平台状态矢量参数，建立几何定位模型，建立地理坐标(X,Y,Z)和影像坐标(x,y)直接的换算关系。采用距离-多普勒(R-D)模型作为几何定位模型，以FR、FD分别表示距离条件和多普勒条件对应的函数，定位模型方程可表示为：
FR(X,Y,Z,x,y)＝0
FD(X,Y,Z,x,y)＝0
然后，根据左影像的方位向分辨率和距离向分辨率，对SAR立体像对的右影像进行分辨率重采样，使得右影像分辨率与左影像一致。
其次，对SAR立体像对的左右影像进行斜地距转换，将斜距SAR影像转换为地距SAR影像，改善比例尺不一致的问题，便于立体观测。具体处理时，根据斜距SAR影像的初始斜距R0和斜距分辨率mR分辨，平台飞行高低Hf，计算地距SAR影像的初始地距取地距分辨率mG，则地距影像上某点地距向影像坐标xG，其地距值Gx＝G0+xG·mG；与该点对应的斜距影像点的影像坐标xR，其斜距值Rx＝R0+xR·mR；同时地距与斜距换算关系为Rx 2＝Gx 2+Hf 2。根据以上关系式，能够建立斜距SAR影像与地距SAR影像像点换算关系，从而实现斜地距转换。
继而，对地距转换后的右影像进行旋转变换，获取似核线影像对。具体处理时，旋转处理的旋转角由左右影像上的若干同名像点确定的，根据旋转角建立旋转前后的影像坐标对应关系，建立方程式，然后利用已知同名点反求旋转角。
假设右片旋转角为θ，左影像点像点坐标(xl,yl)，右影像对应同名像点的像点坐标为(xr,yr)，旋转后右影像点的像点坐标为(xr′,yr′)，则影像坐标旋转公式为：
xr′＝xrcosθ+yrsinθ
yr′＝-xrsinθ+yrcosθ
假设旋转后，左右影像所有扫描行的上下视差为Vy，对于n对同名点，在左影像上像点坐标为 (xl 1,yl 1),(xl 2,yl 2),...,(xl n,yl n)，在右影像上像点坐标为(xr 1,yr 1),(xr 2,yr 2),...,(xr n,yr n)，旋转后在右影像上像点坐标为 有
将yr′＝-xrsinθ+yrcosθ带入上式，有
将θ，Vy作为未知参数，根据上式进行最小二乘平差，计算未知参数值，平差解算误差方程如下：
利用牛顿迭代法进行解算，得到旋转角θ。因此，对于由旋转得到的坐标进行改正，得到完全旋转公式：
xr′＝xrcosθ+yrsinθ
rr′＝-xrsinθ+yrcosθ
同时有逆变换重采样公式：
xr＝xr′cosθ-yr′sinθ
yr＝xr′sinθ+yr′cosθ
最后，构建三维立体量测模型，根据原始SAR影像定位模型，得到针对原始SAR立体像对的立体定位方程：
FR l(X,Y,Z,xl,yl)＝0
FD l(X,Y,Z,xl,yl)＝0
FR r(X,Y,Z,xr,yr)＝0
FD r(X,Y,Z,xr,yr)＝0
FR l、FD l为左影像距离条件和多普勒条件对应的函数，FR r、FD r为右影像距离条件和多普勒条件对应的函数，(xl,yl)、(xr,yr)为原始SAR立体像对影像坐标，根据几何变换关系，建立变换后影像坐标(xl′,yl′)、(xr′,yr′)和变换前影像坐标(xl,yl)、(xr,yr)直接的换算关系：
xl＝Tx l(xl′,yl′)
yl＝Ty l(xl′,yl′)
xr＝Tx r(xr′,yr′)
yr＝Ty r(xr′,yr′)
Tx l、Ty l为左影像几何变换函数，Tx r、Ty r为右影像几何变换函数，将变换关系式代入原始立体模型，从而获得似核线影像立体量测模型方程：
FR l′(X,Y,Z,xl′,yl′)＝0
FD l′(X,Y,Z,xl′,yl′)＝0
FR r′(X,Y,Z,xr′,yr′)＝0
FD r′(X,Y,Z,xr′,yr′)＝0
FR l′、FD l′为左影像几何变换后距离条件和多普勒条件对应的函数，FR r′、FD r′为右影像几何变换后距离条件和多普勒条件对应的函数。基于以上模型，利用该立体模型，能够实现三维信息的高精度量测
本发明所述的SAR立体模型构建与量测方法，通过斜地距转换，改善影像比例尺不一致的问题，通过分辨率重采样和旋转变换消除立体像对上下视差，获取良好立体视觉，同时根据影像几何变换参数和立体定位模型，构建立体量测模型，用于目标的高精度三维立体量测。该方法能够用于制作立体视觉良好和量测精度较高的SAR立体模型，用于提取高精度三维地形信息，提高了SAR地形测图生产效率，对于推进SAR立体测图实用化具有重要意义。
上述具体实施例仅仅是示例性的，在本发明的上述教导下，本领域技术人员可以在上述实施例的基础上进行各种改进和变形，而这些改进或者变形落在本发明的保护范围内。本领域技术人员应该明白，上面的具体描述只是为了解释本发明的目的，并非用于限制本发明。本发明的保护范围由权利要求及其等同物限定。
Claims (7)
1.一种合成孔径雷达SAR立体模型构建与量测方法，其特征在于包括以下步骤：(1)利用SAR影像几何成像参数和传感器平台状态矢量参数，建立SAR影像定位几何模型，建立地理坐标和影像坐标之间的换算关系；(2)影像分辨率重采样，对SAR立体像对的右影像进行重采样，使其方位向和距离向分辨率与左影像分辨率一致；(3)将SAR立体像对的左右影像，进行斜地距转换，将斜距影像转换为地距影像；(4)利用立体像对上同名像点，获取左右影像的扫描行方向夹角，对右影像进行旋转变换；(5)结合SAR影像几何模型和几何变换参数，构建立体量测模型，实现由立体影像获取地面三维信息。
2.根据权利要求1所述的SAR立体模型构建与量测方法，其特征在于，所述步骤(1)中，利用SAR影像自带的几何成像参数和传感器平台状态矢量参数建立几何定位模型，建立地理坐标(X,Y,Z)和影像坐标(x,y)直接的换算关系；采用距离-多普勒(R-D)模型作为几何定位模型，以FR、FD分别表示距离条件和多普勒条件对应的函数，定位模型方程可表示为：
FR(X,Y,Z,x,y)＝0
FD(X,Y,Z,x,y)＝0。
3.根据权利要求1所述的SAR立体模型构建与量测方法，其特征在于，所述步骤(2)中，根据左影像的方位向分辨率和距离向分辨率，对SAR立体像对的右影像进行分辨率重采样，使得右影像分辨率与左影像一致。
4.根据权利要求1所述的SAR立体模型构建与量测方法，其特征在于，所述步骤(3)中，对SAR立体像对的左右影像进行斜地距转换，将斜距SAR影像转换为地距SAR影像，具体过程为：根据斜距SAR影像的初始斜距R0，平台飞行高低Hf，计算地距SAR影像的初始地距则地距影像上某点地距向影像坐标xG，其地距值Gx＝G0+xG·mG，mG为地距分辨率；与该点对应的斜距影像点的影像坐标xR，其斜距值Rx＝R0+xR·mR，mR为斜距分辨率；同时地距与斜距换算关系为Rx 2＝Gx 2+Hf 2。
5.根据权利要求1所述的SAR立体模型构建与量测方法，其特征在于，所述步骤(4)中，对地距转换后的右影像进行旋转变换，获取似核线影像对，旋转处理的旋转角由左右影像上的若干同名像点确定，根据旋转角建立旋转前后的影像坐标对应关系，建立方程式，利用已知同名点反求旋转角。
6.根据权利要求5所述的SAR立体模型构建与量测方法，所述求旋转角的过程为：假设右片旋转角为θ，左影像点像点坐标(xl,yl)，右影像对应同名像点的像点坐标为(xr,yr)，旋转后右影像点的像点坐标为(xr′,yr′)，则影像坐标旋转公式为：
xr′＝xrcosθ+yrsinθ
yr′＝-xrsinθ+yrcosθ
假设旋转后，左右影像所有扫描行的上下视差为Vy，对于n对同名点，在左影像上像点坐标为(xl 1,yl 1),(xl 2,yl 2),...,(xl n,yl n)，在右影像上像点坐标为(xr 1,yr 1),(xr 2,yr 2),...,(xr n,yr n)，旋转后在右影像上像点坐标为有
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利用牛顿迭代法进行解算，得到旋转角θ；因此，对于由旋转得到的坐标进行改正，得到完全旋转公式：
xr′＝xrcosθ+yrsinθ
rr′＝-xrsinθ+yrcosθ
同时有逆变换重采样公式：
xr＝xr′cosθ-yr′sinθ
yr＝xr′sinθ+yr′cosθ。
7.根据权利要求1所述的SAR立体模型构建与量测方法，其特征在于，所述步骤(5)中，根据原始SAR影像定位模型，得到针对原始SAR立体像对的立体定位方程：
FR l(X,Y,Z,xl,yl)＝0
FD l(X,Y,Z,xl,yl)＝0
FR r(X,Y,Z,xr,yr)＝0
FD r(X,Y,Z,xr,yr)＝0
FR l、FD l为左影像距离条件和多普勒条件对应的函数，FR r、FD r为右影像距离条件和多普勒条件对应的函数，(xl,yl)、(xr,yr)为原始SAR立体像对影像坐标，根据几何变换关系，建立变换后影像坐标(xl′,yl′)、(xr′,yr′)和变换前影像坐标(xl,yl)、(xr,yr)直接的换算关系：
xl＝Tx l(xl′,yl′)
yl＝Ty l(xl′,yl′)
xr＝Tx r(xr′,yr′)
yr＝Ty r(xr′,yr′)
Tx l、Ty l为左影像几何变换函数，Tx r、Ty r为右影像几何变换函数，将变换关系式代入原始立体模型，从而获得似核线影像立体量测模型方程：
FR l′(X,Y,Z,xl′,yl′)＝0
FD l′(X,Y,Z,xl′,yl′)＝0
FR r′(X,Y,Z,xr′,yr′)＝0
FD r′(X,Y,Z,xr′,yr′)＝0
FR l′、FD l′为左影像几何变换后距离条件和多普勒条件对应的函数，FR r′、FD r′为右影像几何变换后距离条件和多普勒条件对应的函数，基于以上模型，利用该立体模型，能够实现三维信息的高精度量测。
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| CN201510477884.4A CN105137431B (zh) | 2015-08-06 | 2015-08-06 | 一种sar立体模型构建与量测方法 |
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