CN111856464B - 一种基于单控制点信息的车载sar的dem提取方法 - Google Patents

一种基于单控制点信息的车载sar的dem提取方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种基于单控制点信息的车载SAR的DEM提取方法，包括以下步骤：数据预处理、干涉相位计算、相位解缠、距离改正、相位改正和高程改正；本发明只需要一个控制点信息即可获得实现车载SAR的DEM提取工作，可有效简化外业工作，通过仿真试验分析了基于单控制点信息的DEM提取方法的误差和各干涉参数对结果的影响，证明了该方法的理论精度和可实现性，明确了基线参数对DEM精度的巨大影响，要求基线长度估计的精度至少达到毫米级，经验证，基于单控制点信息的DEM提取方法得到的DEM误差仅为0.30m，有效且高精度。

Description

一种基于单控制点信息的车载SAR的DEM提取方法
技术领域
本发明涉及DEM提取技术领域，尤其涉及一种基于单控制点信息的车载SAR的DEM提取方法。
背景技术
数字高程模型(DEM)描述地表高程信息，在测绘、水文、气象、地貌、地质、土壤、工程建设、通讯、军事等国民经济和国防建设以及人文和自然科学领域有着广泛的应用；
合成孔径雷达(SAR)作为一种主动遥感式传感器，不受恶劣天气影响，具有全天时，全天候的对地观测能力，其应用于地形测绘可有效弥补航空/航天摄影测量等光学手段的不足；
合成孔径雷达干涉测量(InSAR)技术诞生于20世纪60年代末，是一种将雷达影像复数据导出的相位信息作为信息源来提取地球表面三维信息和形变信息的技术；
近年来随着各种雷达波体制的出现，SAR系统的小型化逐渐开始运用普及，搭载平台将将不再局限于传统的星载平台和大型机载平台，无人机载、船载和车载等平台开始出现，对于星载SAR平台而言，具有成像范围广的优点，但其InSAR处理得到的DEM精度因为轨道、去相干性和影像分辨率较低等因素，精度一般较低，无法满足高精度应用要求，其中，车载SAR一般采用小型化合成孔径雷达主流的调频连续波(FMCW)雷达体制，调频连续波体制发射线性调频连续波，持续时间达毫秒级，占空比为1，可产生大的信号带宽，获得高距离分辨率，同时雷达的体积、成本、重量大大降低，对车载SAR干涉测量提取DEM的研究可有效解决星载、机载干涉测量提取DEM的高程精度低、时间分辨率低、工作量大等问题，具有着重要的意义，针对车载SAR数据的干涉处理获取DEM的技术与传统的星载、有人机载SAR的干涉处理有一定区别，仍存在较多问题亟待解决，主要问题包括：(1)车载SAR成像高度低，视角变化大导致的主辅影像失相干问题；(2)车载SAR系统为满足实时工程需求，结构多变导致的定标需要反复进行，结果无移植性的问题等，这些问题的解决需要车载SAR提取DEM的关键技术，因此，本发明提出一种基于单控制点信息的车载SAR的DEM提取方法以解决现有技术中存在的问题。
发明内容
针对上述问题，本发明的目的在于提出一种基于单控制点信息的车载SAR的DEM提取方法，该基于单控制点信息的车载SAR的DEM提取方法只需要一个控制点信息即可获得实现车载SAR的DEM提取工作，可有效简化外业工作，通过仿真试验分析了基于单控制点信息的DEM提取方法的误差和各干涉参数对结果的影响，证明了该方法的理论精度和可实现性。
为实现本发明的目的，本发明通过以下技术方案实现：一种基于单控制点信息的车载SAR的DEM提取方法，包括以下步骤：
步骤一：数据预处理
根据数据构建车载双天线雷达干涉的几何示意图，将雷达主辅影像的相位中心分别设为AB，将地面点设为P，将基线AB的水平和垂直分量分别设为b||和b⊥，将雷达下视角设为θ，P点真实相位为：
Figure BDA0002609371580000031
H1是AP的相对高程差，X是AP的水平距离，对干涉相位进行微分，得到：
Figure BDA0002609371580000032
Figure BDA0002609371580000033
其中RdR＝(H1dH1+XdX)，
Figure BDA0002609371580000034
Figure BDA0002609371580000035
得到：
Figure BDA0002609371580000036
其中，ΔH为点P和参考平面的相对高程，根据式(3)去除参考平面带来的平地相位，此时有dR＝R-R1＝0，式(3)为微分式，适用于微小情况，而ΔH并不是微小量，因此式(3)退化为差分形式：
Figure BDA0002609371580000037
其中，ΔH为点P和参考平面的相对高程，δ为残余分量，由式(4)进一步得到：
Figure BDA0002609371580000038
其中，H为需要求解的P点高程，H′为参考平面高程,
Figure BDA0002609371580000041
和
Figure BDA0002609371580000042
分别为P点真实相位和其在参考平面对应的平地相位；
步骤二：干涉相位计算
由于式(5)为差分形式，将当前求出的ΔH对H′进行迭代改正，每次迭代中
Figure BDA0002609371580000043
H′、B⊥、和θ更新，当满足收敛条件后将参考平面与P点重合，即H＝H′,从而得到P点高程H，
Figure BDA0002609371580000044
其中，ε为收敛阈值；
步骤三：相位解缠
将平地相位
Figure BDA0002609371580000045
通过车载平台轨道信息结合距离多普勒方程求得：首先根据式(7)求得地面点对应的的主辅影像成像距离RA，RB；再根据式(8)得到平地相位
Figure BDA0002609371580000046
Figure BDA0002609371580000047
Figure BDA0002609371580000048
其中，RS，VS，RG，fD分别表示雷达成像中心的位置矢量和速度矢量、地面点的位置矢量和多普勒频率；R表示影像精确成像距离，RA，RB分别表示不同地面点对应的的主辅影像成像距离；
步骤四：距离改正
先进行距离改正：根据控制点地理坐标、车载平台运行轨道信息结合距离多普勒方程得到控制点精确成像距离R，从而对整个测区的影像距离r进行统一改正，
Figure BDA0002609371580000051
其中，RS，VS，RG，fD分别表示雷达成像中心的位置矢量和速度矢量、地面点的位置矢量和多普勒频率，R′和r′分别为控制点影像距离和任一地面点改正后的影像距离；
步骤五：相位改正
根据控制点真实相位对整个测区的解缠相位Ψ进行改正：
Figure BDA0002609371580000052
其中，R1、R2分别为控制点在主、辅影像的成像距离；
Figure BDA0002609371580000053
分别为控制点真实相位和解缠相位；Ψ、Ψ′分别为任一地面点的解缠相位和改正后的相位；
步骤六：高程改正
在上述改正后，根据式(6)迭代求解高程，得到的高程结果任存在较大的误差，高程误差为：
Figure BDA0002609371580000054
其中，Δr1、Δb、Δφ、Δα分别为斜距、基线长度、相位和基线倾角误差，ΔH为高程误差，ε为剩余误差，ε′为距离改正和相位改正后剩余误差，ε′+ε为微小量，有：
Figure BDA0002609371580000055
Figure BDA0002609371580000061
记
Figure BDA0002609371580000062
代表基线长度和倾角对高程的整体影响系数，对整幅干涉图而言是定值，通过一个控制点即可求得:
Figure BDA0002609371580000063
其中，H、H′分别为控制点的迭代求解高程和真实高程,Θ为控制点对应的成像下视角，
通过ΔB对高程结果进行改正，消除基线误差的影响：
h′＝h+ΔB*r1sinθ (14)
h、h′分别为任一地面点迭代求解高程和改正后的高程，得到最终DEM结果。
进一步改进在于：所述步骤一中，所根据的数据包括SAR影像的距离向、方位向滤波，车载平台运行的轨道数据。
进一步改进在于：所述步骤二中，通过计算每个像元对应的垂直基线分量b⊥、入射角θ以及传感器到地物的距离，即通过式(6)迭代求解地表高程。
进一步改进在于：所述步骤三中，式(7)为距离多普勒方程。
进一步改进在于：所述步骤四中，通过基线得到高精度的基线结果和其他参数，包括真实相位
Figure BDA0002609371580000064
和成像距离R，由于存在误差，导致根据式(6)迭代求解的DEM结果任存在误差，因此，先进行距离改正。
进一步改进在于：所述步骤六中，基线长度和倾角对高程影响大于成像距离和相位影响，因此ε′+ε为微小量。
本发明的有益效果为：本发明只需要一个控制点信息即可获得实现车载SAR的DEM提取工作，可有效简化外业工作，通过仿真试验分析了基于单控制点信息的DEM提取方法的误差和各干涉参数对结果的影响，证明了该方法的理论精度和可实现性，明确了基线参数对DEM精度的巨大影响，要求基线长度估计的精度至少达到毫米级，经验证，基于单控制点信息的DEM提取方法得到的DEM误差仅为0.30m，有效且高精度。
附图说明
图1为本发明的车载双天线SAR成像几何关系示意图；
图2为本发明的基于单控制点信息的DEM提取流程图；
图3为本发明的模拟地表示意图；
图4为本发明的地表Δb＝1mm,Δα＝1°示意图；
图5为本发明的地表Δb＝10mm,Δα＝1°示意图；
图6为本发明的地表Δb＝1mm,Δα＝10°示意图；
图7为本发明的AB沿线的DEM误差曲线示意图；
图8为本发明的基线长度误差(-0.1～0.1m)影响示意图；
图9为本发明的基线倾角误差(-10°～10°)影响示意图；
图10为本发明的相位误差(-π～πrad)影响示意图；
图11为本发明的距离误差(-1～1m)影响示意图。
具体实施方式
为了加深对本发明的理解，下面将结合实施例对本发明做进一步详述，本实施例仅用于解释本发明，并不构成对本发明保护范围的限定。
根据图1、2所示，本实施例提供了一种基于单控制点信息的车载SAR的DEM提取方法，包括以下步骤：
步骤一：数据预处理
根据SAR影像的距离向、方位向滤波，车载平台运行的轨道数据构建车载双天线雷达干涉的几何示意图，如图1，将雷达主辅影像的相位中心分别设为AB，将地面点设为P，将基线AB的水平和垂直分量分别设为b||和b⊥，将雷达下视角设为θ，P点真实相位为：
Figure BDA0002609371580000081
H1是AP的相对高程差，X是AP的水平距离，对干涉相位进行微分，得到：
Figure BDA0002609371580000082
Figure BDA0002609371580000083
其中RdR＝(H1dH1+XdX)，
Figure BDA0002609371580000084
Figure BDA0002609371580000085
得到：
Figure BDA0002609371580000086
其中，ΔH为点P和参考平面的相对高程，根据式(3)去除参考平面带来的平地相位，此时有dR＝R-R1＝0，式(3)为微分式，适用于微小情况，而ΔH并不是微小量，因此式(3)退化为差分形式：
Figure BDA0002609371580000092
其中，ΔH为点P和参考平面的相对高程，δ为残余分量，由式(4)进一步得到：
Figure BDA0002609371580000093
其中，H为需要求解的P点高程，H′为参考平面高程,
Figure BDA0002609371580000094
和
Figure BDA0002609371580000095
分别为P点真实相位和其在参考平面对应的平地相位；
步骤二：干涉相位计算
由于式(5)为差分形式，将当前求出的ΔH对H′进行迭代改正，每次迭代中
Figure BDA0002609371580000096
H′、B⊥、和θ更新，当满足收敛条件后将参考平面与P点重合，即H＝H′,从而得到P点高程H，
Figure BDA0002609371580000097
其中，ε为收敛阈值，
通过计算每个像元对应的垂直基线分量b⊥、入射角θ以及传感器到地物的距离，即通过式(6)迭代求解地表高程；
步骤三：相位解缠
将平地相位
Figure BDA0002609371580000098
通过车载平台轨道信息结合距离多普勒方程求得：首先根据距离多普勒方程式(7)求得地面点对应的的主辅影像成像距离RA，RB；再根据式(8)得到平地相位
Figure BDA0002609371580000101
Figure BDA0002609371580000102
Figure BDA0002609371580000103
其中，RS，VS，RG，fD分别表示雷达成像中心的位置矢量和速度矢量、地面点的位置矢量和多普勒频率；R表示影像精确成像距离，RA，RB分别表示不同地面点对应的的主辅影像成像距离；
步骤四：距离改正
通过基线得到高精度的基线结果和其他参数，包括真实相位
Figure BDA0002609371580000104
和成像距离R，由于存在误差，导致根据式(6)迭代求解的DEM结果任存在误差，因此，先进行距离改正：根据控制点地理坐标、车载平台运行轨道信息结合距离多普勒方程得到控制点精确成像距离R，从而对整个测区的影像距离r进行统一改正，
Figure BDA0002609371580000105
其中，RS，VS，RG，fD分别表示雷达成像中心的位置矢量和速度矢量、地面点的位置矢量和多普勒频率，R′和r′分别为控制点影像距离和任一地面点改正后的影像距离；
步骤五：相位改正
根据控制点真实相位对整个测区的解缠相位Ψ进行改正：
Figure BDA0002609371580000106
其中，R1、R2分别为控制点在主、辅影像的成像距离；
Figure BDA0002609371580000107
分别为控制点真实相位和解缠相位；Ψ、Ψ′分别为任一地面点的解缠相位和改正后的相位；
步骤六：高程改正
在上述改正后，根据式(6)迭代求解高程，得到的高程结果任存在较大的误差，高程误差为：
Figure BDA0002609371580000111
其中，Δr1、Δb、Δφ、Δα分别为斜距、基线长度、相位和基线倾角误差，ΔH为高程误差，ε为剩余误差，ε′为距离改正和相位改正后剩余误差，基线长度和倾角对高程影响大于成像距离和相位影响，因此ε′+ε为微小量，有：
Figure BDA0002609371580000112
记
Figure BDA0002609371580000113
代表基线长度和倾角对高程的整体影响系数，对整幅干涉图而言是定值，通过一个控制点即可求得:
Figure BDA0002609371580000114
其中，H、H′分别为控制点的迭代求解高程和真实高程,Θ为控制点对应的成像下视角，
通过ΔB对高程结果进行改正，消除基线误差的影响：
h′＝h+ΔB*r1sinθ (14)
h、h′分别为任一地面点迭代求解高程和改正后的高程，得到最终DEM结果。如图2.
误差分析与仿真试验：
在上述基于单控制点信息的DEM提取方法的推导过程中，存在较多的近似，因此将进行该方法的仿真试验，验证方法的有效性，并评定精度。
对地表进行模拟仿真，地理区域为30.00000°～30.511°N，120.00000°～120.511°E,仿真结果为图3，模拟地表的高程变化方位为0～8m,根据模拟地表设计车载SAR的轨道，模拟成像参数如下：
表1车载SAR模拟成像参数
Figure BDA0002609371580000121
将模拟地表的中心点设为控制点，在取不同的基线误差情况下，使用基于单控制点的方法提取DEM，并与地表结果进行对比，得到DEM误差为：图4、5、6、7，分析图4、5、6、7，我们发现：(1)结合图4和图5，基线长度估计精度为mm时，基于单控制点的DEM提取方法的残余高程误差为cm级；(2)结合图4和图6，基线倾角误差为1°时，导致的高程误差为cm级。结合(1)(2)结论为：根据式(14)对DEM结果进行改正后，任存在残余高程误差，当基线长度估计精度在毫米级，基线倾角估计精度高于1°时，可保证残余高程误差为cm级。
为进一步分析，我们在模拟地表设置一条AB线(图4)，沿AB方位向坐标不变且为方位向的中心，距离向坐标不断增大，从A到B对DEM误差进行分析，得到结果图7，可以发现三种基线长度和倾角误差的情形下，DEM误差沿距离向呈现大致的线性变化趋势，在控制点处的误差为0，A点和控制点之间的误差为正数，B点和控制点之间的误差为负数，这说明将控制点设在雷达视场的中心区域附近，可有效减少图像边缘的残余误差，
综上所述：车载SAR的DEM提取结果与基线参数息息相关，要得到高精度的DEM结果(cm级)，基线长度估计必须达到毫米级甚至亚毫米，基线倾角估计也要达到高的精度，将控制点布设在雷达视场的中心区域附近，可减少图像边缘残余误差，提高DEM精度。
下面对各个干涉参数进行单独的分析，同样使用以上模拟地表进行仿真，在仿真过程中，要对某个干涉参数进行分析，则认为剩余参数无误差，该干涉参数误差变化，引起DEM结果的变化，计算DEM结果与真实DEM的全局高程中误差以评定精度，得到结果：图8、9、10、11；
分析图8、9、10、11，我们发现：(1)基线长度和倾角误差相对于相位误差和距离误差对高程结果的影响更大；(2)基线长度和倾角的误差具有较明显的规律，即基线误差越大(绝对值)，高程中误差越大，相位和距离误差导致的高程中误差没有明显规律，这是因为本文的基于控制点信息的DEM提取方法中对基线长度和倾角误差影响推导过程中存在近似，而相位和距离误差的对高程的影响为微小量，即
Figure BDA0002609371580000141
的改正后将ε′+ε的改正淹没了，故而无法显现出规律。
综上所述，基于单控制点信息的DEM提取方法中，基线估计的精度同样非常重要，当基线长度估计的精度为毫米甚至亚毫米级，基线倾角估计精度高时，DEM提取的理论精度能达到cm级；
且选择1个反射器点作为控制点，其它点作为检查点，高程迭代求解的阈值ε设为0.0001，基于单控制点的DEM提取结果在检查点的高程中误差为0.30m。
该基于单控制点信息的车载SAR的DEM提取方法只需要一个控制点信息即可获得实现车载SAR的DEM提取工作，可有效简化外业工作，通过仿真试验分析了基于单控制点信息的DEM提取方法的误差和各干涉参数对结果的影响，证明了该方法的理论精度和可实现性，明确了基线参数对DEM精度的巨大影响，要求基线长度估计的精度至少达到毫米级，经验证，基于单控制点信息的DEM提取方法得到的DEM误差仅为0.30m，有效且高精度。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (6)

1.一种基于单控制点信息的车载SAR的DEM提取方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一：数据预处理
根据数据构建车载双天线雷达干涉的几何示意图，将雷达主辅影像的相位中心分别设为A、B，将地面点设为P，将基线AB的水平和垂直分量分别设为b||和b⊥，将雷达下视角设为θ，P点真实相位为：
Figure FDA0002609371570000011
H1是AP的相对高程差，X是AP的水平距离，对干涉相位进行微分，得到：
Figure FDA0002609371570000012
Figure FDA0002609371570000013
其中RdR＝(H1dH1+XdX)，
Figure FDA0002609371570000014
Figure FDA0002609371570000015
得到：
Figure FDA0002609371570000016
其中，ΔH为点P和参考平面的相对高程，根据式(3)去除参考平面带来的平地相位，此时有dR＝R-R1＝0，式(3)为微分式，适用于微小情况，而ΔH并不是微小量，因此式(3)退化为差分形式：
Figure FDA0002609371570000021
其中，ΔH为点P和参考平面的相对高程，δ为残余分量，由式(4)进一步得到：
Figure FDA0002609371570000022
其中，H为需要求解的P点高程，H′为参考平面高程，
Figure FDA0002609371570000023
和
Figure FDA0002609371570000024
分别为P点真实相位和其在参考平面对应的平地相位；
步骤二：干涉相位计算
由于式(5)为差分形式，将当前求出的ΔH对H′进行迭代改正，每次迭代中
Figure FDA0002609371570000025
H′、B⊥、和θ更新，当满足收敛条件后将参考平面与P点重合，即H＝H′，从而得到P点高程H，
Figure FDA0002609371570000026
其中，ε为收敛阈值；
步骤三：相位解缠
将平地相位
Figure FDA0002609371570000027
通过车载平台轨道信息结合距离多普勒方程求得：首先根据式(7)求得地面点对应的的主辅影像成像距离RA，RB；再根据式(8)得到平地相位
Figure FDA0002609371570000028
Figure FDA0002609371570000029
Figure FDA00026093715700000210
其中，RS，VS，RG，fD分别表示雷达成像中心的位置矢量和速度矢量、地面点的位置矢量和多普勒频率；R表示影像精确成像距离，RA，RB分别表示不同地面点对应的的主辅影像成像距离；
步骤四：距离改正
先进行距离改正：根据控制点地理坐标、车载平台运行轨道信息结合距离多普勒方程得到控制点精确成像距离R，从而对整个测区的影像距离r进行统一改正，
Figure FDA0002609371570000031
其中，RS，VS，RG，fD分别表示雷达成像中心的位置矢量和速度矢量、地面点的位置矢量和多普勒频率，R′和r′分别为控制点影像距离和任一地面点改正后的影像距离；
步骤五：相位改正
根据控制点真实相位对整个测区的解缠相位Ψ进行改正：
Figure FDA0002609371570000032
其中，R1、R2分别为控制点在主、辅影像的成像距离；
Figure FDA0002609371570000033
分别为控制点真实相位和解缠相位；Ψ、Ψ′分别为任一地面点的解缠相位和改正后的相位；
步骤六：高程改正
在上述改正后，根据式(6)迭代求解高程，得到的高程结果任存在较大的误差，高程误差为：
Figure FDA0002609371570000034
其中，Δr1、Δb、Δφ、Δα分别为斜距、基线长度、相位和基线倾角误差，ΔH为高程误差，ε为剩余误差，ε′为距离改正和相位改正后剩余误差，ε′+ε为微小量，有：
Figure FDA0002609371570000041
记
Figure FDA0002609371570000042
代表基线长度和倾角对高程的整体影响系数，对整幅干涉图而言是定值，通过一个控制点即可求得：
Figure FDA0002609371570000043
其中，H、H′分别为控制点的迭代求解高程和真实高程，Θ为控制点对应的成像下视角，
通过ΔB对高程结果进行改正，消除基线误差的影响：
h′＝h+ΔB*r1 sinθ (14)
h、h′分别为任一地面点迭代求解高程和改正后的高程，得到最终DEM结果。
2.根据权利要求1所述的一种基于单控制点信息的车载SAR的DEM提取方法，其特征在于：所述步骤一中，所根据的数据包括SAR影像的距离向、方位向滤波，车载平台运行的轨道数据。
3.根据权利要求1所述的一种基于单控制点信息的车载SAR的DEM提取方法，其特征在于：所述步骤二中，通过计算每个像元对应的垂直基线分量b⊥、入射角θ以及传感器到地物的距离，即通过式(6)迭代求解地表高程。
4.根据权利要求1所述的一种基于单控制点信息的车载SAR的DEM提取方法，其特征在于：所述步骤三中，式(7)为距离多普勒方程。
5.根据权利要求1所述的一种基于单控制点信息的车载SAR的DEM提取方法，其特征在于：所述步骤四中，通过基线得到高精度的基线结果和其他参数，包括真实相位
Figure FDA0002609371570000051
和成像距离R，由于存在误差，导致根据式(6)迭代求解的DEM结果任存在误差，因此，先进行距离改正。
6.根据权利要求1所述的一种基于单控制点信息的车载SAR的DEM提取方法，其特征在于：所述步骤六中，基线长度和倾角对高程影响大于成像距离和相位影响，因此ε′+ε为微小量。
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