CN109597074B - 一种sar影像几何定位参数校正方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种合成孔径雷达影像几何定位参数校正方法，该方法针对大区域多景SAR影像高精度几何定位的问题，利用其中一景SAR影像几何成像信息和DEM数据生成SAR地形纹理图，通过特征点提取与匹配提取几何定位参数校正参考点，根据SAR影像几何定位模型建立几何定位参数校正模型，利用校正参考点解算该影像几何定位参数校正值，最后利用该校正值对其他SAR影像几何定位参数进行校正，从而提高整个区域SAR影像几何定位精度，实现无控制点条件下的大范围高精度SAR影像几何处理。

Description

一种SAR影像几何定位参数校正方法及系统

技术领域

本发明涉及遥感影像的数字摄影测量领域，特别涉及合成孔径雷达影像高精度几何定位与纠正处理。

背景技术

作为一种主动式的成像传感器，合成孔径雷达具有全天时、全天候的成像能力并能穿透一些地物等工作特点，在地形测绘、自然资源调查与检测、灾害应急等众多领域有着广泛的应用。随着高分辨率、多极化、多波段SAR系统的出现，合成孔径雷达遥感技术将会在更多的领域扮演更重要的角色，这对SAR数据处理也提出了更高的要求。

SAR影像几何定位与纠正处理是SAR影像应用的基础，要实现高精度的SAR影像几何定位与纠正，需要分析SAR影像几何定位误差来源，并利用一定方法对误差进行校正。目前获取的SAR影像，自带的几何定位参数普遍还存在一定的误差，通常的处理方法是利用定标点或者控制点对定位误差进行校正，从而满足应用需求。

目前主要的定位误差校正方法主要有两种，一种是对传感器平台姿态参数、方位向时间、斜距等参数进行校正，提高定位精度；另一种直接将定位误差规划为影像坐标误差，直接对影像坐标进行线性改正，消除定位误差。但是在大范围多景影像处理时，尤其是在地形复杂的测绘困难地区，控制点获取非常困难，特别是在快速的应急应用中无法实现。

除了利用控制点进行误差校正以外，在一些地形纹理丰富的地区也可以利用DEM的地形信息结合SAR影像成像信息进行影像模拟，然后与SAR影像配准，消除定位误差，实现高精度的纠正。这一方法在处理大区域多景影像时，相对于常规纠正处理速度较慢，而且在地形纹理稀疏的区域不容易实现。

发明内容

基于上述目的，本申请提出了一种SAR影像几何定位参数校正方法，包括：

步骤1：选取区域内一景的SAR影像作为原始SAR影像，并建立SAR影像几何定位模型，生成SAR地形纹理图；

步骤2：在所述SAR地形纹理图上以一定的网格密度提取特征点，并将提取出来的特征点在所述原始SAR影像上进行同名点的匹配；

步骤3：获取匹配成功的每个特征点在所述原始SAR影像上的影像坐标和地理坐标，作为几何定位参数校正参考点；

步骤4：根据所述SAR影像几何定位模型建立几何定位参数校正模型，利用所述几何定位参数校正参考点，解算几何定位参数校正值；

步骤5：利用所述几何定位参数校正值来校正所述区域内其他SAR影像的几何定位参数，以提高所述区域内SAR影像的整体几何定位精度。

在一些实施例中，所述步骤1还包括：

根据所述原始SAR影像的成像参数建立几何定位模型，利用传感器照射信息和数字高程模型数据生成SAR地形纹理图。

在一些实施例中，所述步骤3还包括：

利用匹配成功的特征点和所述SAR影像几何定位模型，并结合数字高程模型数据得出所述几何定位参数校正参考点。

在一些实施例中，所述步骤2具体包括：

将所述SAR地形纹理图均匀划分成网格，在每个网格内提取一个特征点；

基于提取出的特征点，将所述SAR地形纹理图和所述原始SAR影像图进行灰度相关匹配，找到每个特征点在所述SAR影像上同名点。

在一些实施例中，所述步骤4具体包括：

根据所述几何定位模型，设置相应的几何定位参数作为待校正参数，建立几何定位参数校正模型，利用校正参考点计算得出几何定位参数校正值。

在一些实施例中，所述步骤3具体包括：

结合数字高程模型数据，对匹配成功的特征点进行SAR影像几何定位，获取特征点的地面三维坐标；

根据匹配结果获取特征点在原始SAR影像上影像坐标，将这些已知影像坐标和地面坐标的点作为几何定位参数校正参考点。

在一些实施例中，所述步骤1具体包括：

选取区域内一景SAR影像作为原始SAR影像，依据成像参数建立几何定位模型，获取影像地理坐标范围，根据一定的地理空间分辨率和范围截取数字高程模型数据并进行过采样；

从过采样的数字高程模型数据中获取平面地理坐标和高程，得到三维地理坐标，根据所述几何定位模型计算对应的影像坐标和传感器平台位置坐标，获取雷达斜距向照射矢量，并结合过采样DEM分辨单元的地面坡度和面积，计算地形纹理后向散射系数；

对所述过采样的数字高程模型数据进行逐像素处理，并将地形纹理后向散射系数累加到SAR成像坐标系下，得到SAR成像坐标系下地形纹理图。

在一些实施例中，所述待校正几何定位参数包括SAR影像方位向起始成像时间、脉冲重复频率、斜距向起始时间延迟和斜距向采样分辨率。

本申请还提供了一种SAR影像几何定位参数校正系统，包括：

SAR地形纹理图生成模块，用于根据选取的区域内一景的SAR影像，建立SAR影像几何定位模型，生成SAR地形纹理图；

匹配模块，用于在所述SAR地形纹理图上以一定的网格密度提取特征点，并将提取出来的特征点在所述原始SAR影像上进行同名点的匹配；

校正参考点生成模块，用于获取匹配成功的每个特征点在所述原始SAR影像上的影像坐标和地理坐标，作为几何定位参数校正参考点；

校正值生成模块，用于根据所述SAR影像几何定位模型建立几何定位参数校正模型，利用所述几何定位参数校正参考点，解算几何定位参数校正值；

参数校正模块，用于利用所述几何定位参数校正值来校正所述区域内其他SAR影像的几何定位参数，以提高所述区域内SAR影像的整体几何定位精度。

本申请提供的SAR影像几何定位参数校正方法，包括选取区域内一景的SAR影像作为原始SAR影像，并建立SAR影像几何定位模型，生成SAR地形纹理图；在所述SAR地形纹理图上以一定的网格密度提取特征点，并将提取出来的特征点在所述原始SAR影像上进行同名点的匹配。

获取匹配成功的每个特征点在所述原始SAR影像上的影像坐标和地理坐标，作为几何定位参数校正参考点；根据所述SAR影像几何定位模型建立几何定位参数校正模型，利用所述几何定位参数校正参考点，解算几何定位参数校正值；利用所述几何定位参数校正值来校正所述区域内其他SAR影像的几何定位参数，以提高所述区域内SAR影像的整体几何定位精度。

本申请提供的校正方法利用区域内一景SAR影像几何成像信息和DEM数据生成地形纹理图，通过特征点提取与匹配获取几何定位参数校正参考点，通过建立几何定位参数校正模型解算距离向初始时间延迟、距离向采样频率、方位向起始时间、重复采样频率等几何定位参数校正值，利用该校正值校正区域内所有SAR影像几何定位参数，从而提高整个区域SAR影像几何定位精度。

本申请提供的SAR影像几何定位参数校正系统，包括SAR地形纹理图生成模块，用于根据选取的区域内一景的SAR影像，建立SAR影像几何定位模型，生成SAR地形纹理图；匹配模块，用于在所述SAR地形纹理图上以一定的网格密度提取特征点，并将提取出来的特征点在所述原始SAR影像上进行同名点的匹配；校正参考点生成模块，用于获取匹配成功的每个特征点在所述原始SAR影像上的影像坐标和地理坐标，作为几何定位参数校正参考点。

校正值生成模块，用于根据所述SAR影像几何定位模型建立几何定位参数校正模型，利用所述几何定位参数校正参考点，解算几何定位参数校正值；参数校正模块，用于利用所述几何定位参数校正值来校正所述区域内其他SAR影像的几何定位参数，提高所述区域内SAR影像的整体几何定位精度。

本实施例公开的一种SAR影像几何定位参数校正系统，通过SAR地形纹理图生成模块，利用区域内一景SAR影像几何成像信息和DEM数据生成地形纹理图；通过匹配模块，完成特征点提取与匹配获取几何定位参数校正参考点；通过校正参考点生成模块建立几何定位参数校正模型，通过校正值生成模块来解算距离向初始时间延迟、距离向采样频率、方位向起始时间、重复采样频率等几何定位参数校正值；通过参数校正模块利用该校正值校正区域内所有SAR影像几何定位参数，从而提高整个区域SAR影像几何定位精度。

附图说明

通过阅读参照以下附图所作的对非限制性实施例所作的详细描述，本申请的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1是本申请实施例一的SAR影像几何定位参数校正方法的结构框图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本申请作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅用于解释相关发明，而非对该发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与有关发明相关的部分。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请。

实施例1

如图1所示，是本实施例中SAR影像几何定位参数校正方法的结构框图。本实施例公开的SAR影像几何定位参数校正方法，包括：

选取区域内一景的SAR影像作为原始SAR影像，并建立SAR影像几何定位模型，生成SAR地形纹理图；

在所述SAR地形纹理图上以一定的网格密度提取特征点，并将提取出来的特征点在所述原始SAR影像上进行同名点的匹配；

获取匹配成功的每个特征点在所述原始SAR影像上的影像坐标和地理坐标，得出几何定位参数校正参考点；

根据所述SAR影像几何定位模型建立几何定位参数校正模型，利用所述几何定位参数校正参考点，解算几何定位参数校正值；

利用所述几何定位参数校正值来校正所述区域内其他SAR影像的几何定位参数，以提高所述区域内SAR影像的整体几何定位精度。

本实施例公开的SAR影像几何定位参数校正方法，针对大区域多景SAR影像，利用其中一景的SAR影像几何成像信息和DEM数据生成SAR地形纹理图，通过特征点的提取与匹配，确定几何定位参数校正参考点，通过建立几何定位参数校正模型来解算该影像几何定位参数校正值，最后利用该校正值对区域内所有SAR影像几何定位参数进行校正，从而提高整个区域SAR影像几何定位精度，本校正方法可用于高精度SAR影像几何处理。

实施例2

本实施例公开的SAR影像几何定位参数校正方法，包括：

步骤1，选取区域内一景的SAR影像作为原始SAR影像，并建立SAR影像几何定位模型，生成SAR地形纹理图。

具体地，在一应用例中。首先，针对大区域内多景SAR影像，选取区域内一景SAR影像，依据成像参数建立几何定位模型，采用距离-多普勒(R-D)模型作为几何定位模型，定位模型方程可表示为：

F_R(X，Y，Z，x，y)＝0

F_D(X，Y，Z，x，y)＝0

F_R为距离成像条件观测方程，F_D为多普勒成像条件观测方程，(X，Y，Z)为地理坐标，(x，y)为影像坐标。通过影像四个角点定位获取影像地理坐标范围，根据一定的地理空间分辨率和范围截取DEM数据并进行过采样，所得过采样DEM分辨率为(resX，resY)，左上角坐标(X₀，Y₀)，右下角坐标(X₁，Y₁)。创建空白的SAR地形纹理图，其大小和原始SAR影像一致。针对过采样DEM中每一个像素点，假设其像素坐标为(i，j)，则其平面坐标X_D＝X₀+i·resX，Y_D＝Y₀+j·resY，同时获取其高程值h_D，从而得到地面三维坐标(X_D，Y_D，h_D)。

通过SAR影像几何定位模型，由地面坐标解算相应的SAR影像坐标(x_D ^s，y_D ^s)，同时反算该像素点对应的SAR传感器位置矢量P_s。利用像素点临近的四个像素点高程值计算本地法向量V_norm和DEM像元面积S_P。根据传感器位置矢量P_s和地面坐标(X_D，Y_D，h_D)相减得到视向量V_look，利用视向量V_look和本地法向量V_norm计算雷达本地入射角θ，得到该点有效后向散射截面积σ＝S_P·cosθ。将σ累积到地形纹理图相应像素(x_D ^s，y_D ^s)中。对过采样DEM进行逐像素处理，得到SAR成像坐标系下地形纹理图。

步骤2，在所述SAR地形纹理图上以一定的网格密度提取特征点，并将提取出来的特征点在所述原始SAR影像上进行同名点的匹配。

具体地，在一应用例中，将生成的SAR地形纹理图划分成均匀网格，在每个网格内提取一个特征点；针对每个特征点，将地形纹理图和原始SAR影像图进行灰度相关匹配，找到每个特征点在原始SAR影像上的同名点。

步骤3，获取匹配成功的每个特征点在所述原始SAR影像上的影像坐标和地理坐标，作为几何定位参数校正参考点。

具体地，针对匹配成功的特征点，结合DEM数据进行SAR影像几何定位，获取特征点的地面三维坐标，根据匹配结果获取特征点在原始SAR影像上影像坐标。假设某个特征点在地形纹理图上坐标为(x_F ^v，y_F ^v)，通过灰度相关匹配得到其在原始影像上的像点坐标为(x_F ^s，y_F ^s)。由SAR地形纹理图影像坐标(x_F ^v，y_F ^v)，给定初始高程h_F ⁰，根据定位模型计算地面三维坐标(X_F，Y_F，h_F ¹)，然后利用其中平面坐标(X_F，Y_F)从DEM中内插高程h_F ²，然后将h_F ²作为起算高程进行定位技术地面三维坐标，如此迭代计算，直到高程变化小于阈值ε，得到该点的最终地面三维坐标(X_F，Y_F，h_F)。将这些已知SAR影像坐标(x_F ^s，y_F ^s)和地面坐标(X_F，Y_F，h_F)的点作为几何定位参数校正参考点。

步骤4，根据所述SAR影像几何定位模型建立几何定位参数校正模型，利用所述几何定位参数校正参考点，解算几何定位参数校正值。

具体地，根据SAR影像几何定位模型方程，以SAR影像方位向起始成像时间t₀、脉冲重复频率f_prf、斜距向起始时间延迟

和斜距向采样频率f_sample作为待校正几何定位参数，建立几何定位参数校正模型，模型误差方程为：

V_R为距离成像条件观测值改正数，V_D为多普勒成像条件观测值改正数，利用上面提取的几何定位参数校正参考点，将影像坐标(x_F ^s，y_F ^s)和地面坐标(X_F，Y_F，h_F)带入方程，利用最小二乘原理解算几何定位参数校正值

步骤5，利用所述几何定位参数校正值来校正所述区域内其他SAR影像的几何定位参数，以提高所述区域内SAR影像的整体几何定位精度。

具体地，利用上面解算得到的几何定位参数校正值

校正区域内其他SAR影像相应的几何定位参数

本实施例所述的SAR影像几何定位参数校正方法，针对大区域多景SAR影像高精度几何定位的问题，利用其中一景SAR影像几何成像信息和DEM数据生成SAR地形纹理图，通过特征点提取与匹配提取几何定位参数校正参考点，根据SAR影像几何定位模型建立几何定位参数校正模型，利用校正参考点解算该影像几何定位参数校正值，最后利用该校正值对其他SAR影像几何定位参数进行校正，从而提高整个区域SAR影像几何定位精度，实现无控制点条件下的大范围SAR影像高精度几何处理。

实施例3

本实施例公开的一种SAR影像几何定位参数校正系统，包括：

SAR地形纹理图生成模块，用于根据选取的区域内一景的SAR影像，建立SAR影像几何定位模型，生成SAR地形纹理图；

匹配模块，用于在所述SAR地形纹理图上以一定的网格密度提取特征点，并将提取出来的特征点在所述原始SAR影像上进行同名点的匹配；

校正参考点生成模块，用于获取匹配成功的每个特征点在所述原始SAR影像上的影像坐标和地理坐标，作为几何定位参数校正参考点；

校正值生成模块，用于根据所述SAR影像几何定位模型建立几何定位参数校正模型，利用所述几何定位参数校正参考点，解算几何定位参数校正值；

参数校正模块，用于利用所述几何定位参数校正值来校正所述区域内其他SAR影像的几何定位参数，以提高所述区域内SAR影像的整体几何定位精度。

本实施例公开的一种SAR影像几何定位参数校正系统，通过SAR地形纹理图生成模块，利用区域内一景SAR影像几何成像信息和DEM数据生成地形纹理图；通过匹配模块，完成特征点提取与匹配获取几何定位参数校正参考点；通过校正参考点生成模块建立几何定位参数校正模型，通过校正值生成模块来解算距离向初始时间延迟、距离向采样频率、方位向起始时间、重复采样频率等几何定位参数校正值；通过参数校正模块利用该校正值校正区域内所有SAR影像几何定位参数，从而提高整个区域SAR影像几何定位精度。

以上描述仅为本申请的较佳实施例及对所运用技术原理的说明。本领域技术人员应当理解，本申请中所涉及的发明范围，并不限于上述技术特征的特定组合而成的技术方案，同时也应涵盖在不脱离上述发明构思的情况下，由上述技术特征或其等同特征进行任意组合而形成的其它技术方案。例如上述特征与本申请中公开的(但不限于)具有类似功能的技术特征进行互相替换而形成的技术方案。

Claims (9)

1.一种SAR影像几何定位参数校正方法，其特征在于，包括：

步骤1：选取区域内一景的SAR影像作为原始SAR影像，并建立SAR影像几何定位模型，生成SAR地形纹理图；

步骤2：在所述SAR地形纹理图上以一定的网格密度提取特征点，并将提取出来的特征点在所述原始SAR影像上进行同名点的匹配；

步骤3：获取匹配成功的每个特征点在所述原始SAR影像上的影像坐标和地理坐标，作为几何定位参数校正参考点；

步骤4：根据所述SAR影像几何定位模型建立几何定位参数校正模型，利用所述几何定位参数校正参考点，解算几何定位参数校正值；

步骤5：利用所述几何定位参数校正值来校正所述区域内其他SAR影像的几何定位参数，以提高所述区域内SAR影像的整体几何定位精度；

其中，所述几何定位参数校正模型的模型误差方程为：

式中，SAR影像方位向起始成像时间t₀、脉冲重复频率f_prf、斜距向起始时间延迟

和斜距向采样频率f_sample作为待校正几何定位参数，V_R为距离成像条件观测值改正数，V_D为多普勒成像条件观测值改正数，F_R为距离成像条件观测方程，F_D为多普勒成像条件观测方程，

为几何定位参数校正值。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤1还包括：

根据所述原始SAR影像的成像参数建立几何定位模型，利用传感器照射信息和数字高程模型数据生成SAR地形纹理图。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述步骤3还包括：

利用匹配成功的特征点和所述SAR影像几何定位模型，并结合数字高程模型数据得出所述几何定位参数校正参考点。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述步骤2具体包括：

将所述SAR地形纹理图均匀划分成网格，在每个网格内提取一个特征点；

基于提取出的特征点，将所述SAR地形纹理图和所述原始SAR影像图进行灰度相关匹配，找到每个特征点在所述SAR影像上同名点。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述步骤4具体包括：

根据所述几何定位模型，设置相应的几何定位参数作为待校正参数，建立几何定位参数校正模型，利用校正参考点计算得出几何定位参数校正值。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述步骤3具体包括：

结合数字高程模型数据，对匹配成功的特征点进行SAR影像几何定位，获取特征点的地面三维坐标；

根据匹配结果获取特征点在原始SAR影像上影像坐标，将这些已知影像坐标和地面坐标的点作为几何定位参数校正参考点。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述步骤1具体包括：

选取区域内一景SAR影像作为原始SAR影像，依据成像参数建立几何定位模型，获取影像地理坐标范围，根据一定的地理空间分辨率和范围截取数字高程模型数据并进行过采样；

从过采样的数字高程模型数据中获取平面地理坐标和高程，得到三维地理坐标，根据所述几何定位模型计算对应的影像坐标和传感器平台位置坐标，获取雷达斜距向照射矢量，并结合过采样DEM分辨单元的地面坡度和面积，计算地形纹理后向散射系数；

对所述过采样的数字高程模型数据进行逐像素处理，并将地形纹理后向散射系数累加到SAR成像坐标系下，得到SAR成像坐标系下地形纹理图。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述待校正几何定位参数包括SAR影像方位向起始成像时间、脉冲重复频率、斜距向起始时间延迟和斜距向采样分辨率。

9.一种SAR影像几何定位参数校正系统，其特征在于，包括：

SAR地形纹理图生成模块，用于选取区域内一景的SAR影像作为原始SAR影像，建立SAR影像几何定位模型，生成SAR地形纹理图；

匹配模块，用于在所述SAR地形纹理图上以一定的网格密度提取特征点，并将提取出来的特征点在所述原始SAR影像上进行同名点的匹配；

校正参考点生成模块，用于获取匹配成功的每个特征点在所述原始SAR影像上的影像坐标和地理坐标，作为几何定位参数校正参考点；

校正值生成模块，用于根据所述SAR影像几何定位模型建立几何定位参数校正模型，利用所述几何定位参数校正参考点，解算几何定位参数校正值；

参数校正模块，用于利用所述几何定位参数校正值来校正所述区域内其他SAR影像的几何定位参数，以提高所述区域内SAR影像的整体几何定位精度；

其中，所述几何定位参数校正模型的模型误差方程为：

式中，SAR影像方位向起始成像时间t₀、脉冲重复频率f_prf、斜距向起始时间延迟

和斜距向采样频率f_sample作为待校正几何定位参数，V_R为距离成像条件观测值改正数，V_D为多普勒成像条件观测值改正数，F_R为距离成像条件观测方程，F_D为多普勒成像条件观测方程，

为几何定位参数校正值。

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