CN108562900A - 一种基于高程校正的sar图像几何配准方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种基于高程校正的SAR图像几何配准方法。技术方案是：首先通过主SAR图像轨道数据和DEM计算主SAR图像高程；再利用主SAR图像轨道数据和DEM模拟一幅与主SAR图像的高程相匹配的SAR幅度图像；将模拟的SAR幅度图像与主SAR图像进行配准，得到模拟的SAR幅度图像和主SAR图像之间的对应关系函数；然后，利用对应关系函数校正主SAR图像高程；最后，基于校正后的主SAR图像高程采用几何配准法完成SAR图像配准。本发明解决了几何配准法因为主SAR图像高程误差造成局部配准精度下降严重的问题，提高了复杂地形区域和长基线情况下SAR图像的配准精度。

Description

一种基于高程校正的SAR图像几何配准方法
技术领域
本发明涉及微波遥感技术领域，特别涉及一种基于高程校正SAR图像几何配准方法。
背景技术
InSAR(Interferometry Synthetic Aperture Radar，合成孔径雷达干涉测量)是一种新的对地观测技术，它是以雷达卫星在不同观测几何下获取的两幅或多幅SAR复图像数据为信息源，通过干涉处理反演得到地表的三维信息。SAR图像配准是InSAR处理流程中重要的一步，SAR图像的高精度配准是获得高质量干涉相位的前提，通常要求配准精度达到亚像素级。
SAR图像配准时，一般利用两幅SAR图像，其中可选任意一幅图像称为主图像，另外一幅图像称为辅图像。由于两幅图像的成像几何差异，造成了地面同一目标点在两幅图像中成像于不同位置，导致主图像和辅图像之间存在几何偏移。除了由成像几何差异带来的图像偏移，目标的高程差异也会造成两幅图像各像元偏移量之间的差异。
目前常用的SAR图像配准方法包括二维函数法和几何配准法。其中，二维函数法通过对少量控制点处的配准偏移量进行拟合得到图像每个像元的配准偏移量。该方法操作简单，在地形平坦区域和短基线情况下能够达到很好的配准效果。但是，在复杂地形区域和长基线情况下，二维函数法会造成局部失配现象。具体方法参照论文《Registration ofInSAR Complex Images and Interferogram Enhancement》(Remote Sensing Technologyand Application，Vol.3,No.2,May1999，第123页至第125页)。
几何配准法，从两幅SAR图像的成像几何出发，利用场景对应的DEM(DigitalElevation Model，数字高程模型)和两幅图像对应的卫星轨道数据，逐点计算图像各像元的配准偏移量，具体方法参照论文《Geometrical SAR Image Registration》(IEEETransactions on geoscience and remote sensing，Vol.44,No.10,October 2006，第2863页至第2864页)。这种方法首先需要从DEM数据中提取主SAR图像各像元对应的高程信息，可以通过将DEM数据地理编码至SAR图像坐标系下得到。国际上有一些公开的DEM数据可以使用。由于通常卫星轨道和DEM数据都存在误差，DEM与SAR图像之间存在较大的位置偏移，这导致在地理编码提取主SAR图像高程时存在较大误差，使得几何配准法在实际应用中，存在局部失配问题，配准精度在图像局部下降严重。
发明内容
本发明要解决的技术问题是，提供一种基于高程校正的SAR图像几何配准方法，有效解决现有几何配准法的局部失配问题，以及二维函数法在复杂地形区域和长基线情况下的局部失配现象。
本发明的技术方案是：首先通过主SAR图像轨道数据和DEM计算主SAR图像高程；再利用主SAR图像轨道数据和DEM模拟一幅与主SAR图像高程相匹配的SAR幅度图像；将模拟的SAR幅度图像与主SAR图像进行配准，得到模拟的SAR幅度图像和主SAR图像之间的对应关系函数；然后，利用对应关系函数校正主SAR图像高程；最后，基于校正后的主SAR图像高程采用几何配准法完成SAR图像配准。
本发明的有益效果是：通过利用DEM和轨道数据模拟SAR图像，并与主SAR图像配准，得到DEM和主SAR图像之间的对应关系函数，校正主SAR图像高程的位置偏移，得到校正的主SAR图像高程。解决了几何配准法因为主SAR图像高程误差造成局部配准精度下降严重的问题，提高了复杂地形区域和长基线情况下SAR图像的配准精度。
附图说明
图1是本发明的原理流程示意图；
图2为主SAR图像和模拟SAR幅度图像；
图3为未校正的主SAR图像高程、校正后主SAR图像高程以及主SAR图像高程由于位置偏移带来的高程误差；
图4为不同配准方法获得的InSAR相干系数相对改进量。
具体实施方式
图1是本发明的原理流程示意图。下面结合图1进行详细说明。
步骤一：从DEM中提取得到主SAR图像的高程。将DEM地理格网上每一点的地理坐标(B,L,H)(经度，纬度，高程)代入到主图像轨道和成像参数条件下的距离多普勒模型中，具体方法参照论文《Utilization of Spaceborne SAR Data for Mapping》(IEEETransactions on geoscience and remote sensing，Vol.22,No.2,March 1984，第107页至第108页)进行处理，可求得DEM各格网点对应在主SAR图像中的位置，从而得到主SAR图像高程。
步骤二：利用DEM和主SAR图像轨道参数，模拟一幅SAR幅度图像。
首先，利用主图像场景对应的DEM，在每个DEM数据格网点上拟合一个平面，并计算平面的法向量；然后根据每个格网点对应的成像时刻轨道位置，得到该格网点对应的波束入射角，以波束入射角的经验函数作为幅度值；最后将DEM各格网点定位到主SAR图像中，得到模拟SAR幅度图像。具体过程参照论文《基于DEM的SAR图像模拟》(测绘科学技术学报，2008年10月，第25卷第5期，第318页至第319页)进行处理。
步骤三：将模拟的SAR幅度图像与主SAR图像进行配准，得到模拟的SAR幅度图像和主SAR图像之间的对应关系函数。
首先在主SAR图像中选取若干个控制点，与模拟SAR幅度图像配准，得到控制点对应在模拟SAR幅度图像中的位置，然后对控制点在主SAR图像中的坐标和对应在模拟SAR幅度图像中的坐标进行拟合，得到模拟的SAR幅度图像和主SAR图像之间的各像元位置对应关系函数：
其中x、y是主SAR图像的某一像元的方位向、距离向坐标，i、j是模拟SAR幅度图像对应像元的方位向、距离向坐标。apq、bpq(p＝0,1,...m；q＝0,1,...n)为多项式的待定系数，由若干控制点处的配准结果进行最小二乘法拟合得到。其中m为拟合多项式方位向阶数，n为拟合多项式距离向阶数，两个阶数的取值根据实际要求和具体情况而定。通常在n＝2、m＝2时可以得到足够的精度和运算效率。控制点选择通常以一定间隔均匀分布于图像即可，控制点数量具体视图像大小而定，一般不少于100个。
步骤四：利用对应关系函数，校正主SAR图像高程，得到校正后的SAR图像高程。
根据对应关系函数，即式(1)，将主SAR图像(x，y)处高程换为(i，j)处高程，这样就得到校正后的主SAR图像高程。
步骤五：基于校正后的主SAR图像高程采用几何配准法完成SAR图像配准。
将校正后的主SAR图像高程作为新的高程输入数据，应用几何配准法得到基于高程校正的SAR图像几何配准法的配准结果。
本发明的实施例所用的实测数据如图2(a)所示，其中图2(a)是一幅高程起伏较大的地形区域的原始的SAR图像，将该图像作为主SAR图像，此SAR图像是从现有的PALSAR系统获得的。本实施例的DEM数据采用的是全球公开的SRTM-C DEM数据，DEM格网大小为30米×30米。图2(b)为通过步骤二得到的模拟的SAR幅度图像。
图3是利用本发明进行实验的结果，在步骤三中采用的拟合多项式阶数为n＝2、m＝2。图3(a)为未校正情况下，得到的主SAR图像高程；图3(b)为校正后的主SAR图像高程；图3(c)为主SAR图像高程的由于位置偏移带来的高程误差，其由图3(b)减去图3(a)得到的。从图中可以看出，图的上半部分地形起伏较大，其导致的高程误差也较大，而下半部分地形起伏相对较小，其导致的高程误差也就较小。这说明对于高程起伏较大的地形区域，是有必要对其高程进行校正处理的。
图4(a)为现有几何配准法相对于二维函数法的相干系数差；图4(b)为本发明相对于二维函数法的相干系数差；图4(c)为本发明相对于现有几何配准法的相干系数差。(注：“白色”为正数，表示方法相干系数高，配准性能“优于”；“黑色”为负数，表示相干系数低，配准性能“劣于”。)
图4(a)可以看出，几何配准法在大部分区域的配准效果优于现有的二维函数法，但是也可以看出在局部依然存在一些劣于二维函数法的区域，如标注的矩形框区域。而从图4(b)可以看出，本发明在全场景的配准效果均优于现有的二维函数法，其中“白色”区域更大，而相对于图4(a)中的“黑色”区域消失了。图4(c)可以看出本发明相对于现有的几何配准法相干系数有明显提升，且提升的“白色”部分对应着图3(c)中SAR图像高程误差量较大的区域，同时也是高程起伏较大的区域，这证明了高程校正的方法是有效的，同时也证明了本发明的基于高程校正的SAR图像几何配准方法能很好的解决现有几何配准法在局部配准精度下降严重，造成较大的图像配准去相干的问题，提高复杂地形区域和长基线情况下SAR图像的配准精度。

Claims (1)

1.一种基于高程校正的SAR图像几何配准方法，其中SAR是指合成孔径雷达，DEM是指数字高程模型，其特征在于，首先通过主SAR图像轨道数据和DEM计算主SAR图像高程；再利用主SAR图像轨道数据和DEM模拟一幅与主SAR图像的高程相匹配的SAR幅度图像；将模拟的SAR幅度图像与主SAR图像进行配准，得到模拟的SAR幅度图像和主SAR图像之间的对应关系函数；然后，利用对应关系函数校正主SAR图像高程；最后，基于校正后的主SAR图像高程采用几何配准法完成SAR图像配准。
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