CN111983608A - 一种快速dem生成方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种快速DEM生成方法，该方法包括如下步骤：步骤1、对同一区域观测到的主辅两幅复图像进行干涉处理得到斜距平面中的三维地形信息；步骤2、根据所述三维地形信息中x轴与y轴的位置信息确定数字高程图DEM在地面格网上的投影位置；步骤3、依次按照方位向、距离向将所述三维地形信息中z轴的位置信息投影到所述地面格网的投影位置上得到最终数字高程图DEM。本发明确定数字高程图DEM在地面格网的投影位置后，将三维地形信息中的高度向位置信息依次分解在方位向和距离向，实现在两个一维向数据处理，从而降低了硬件处理难度，加速了硬件处理的有效性，缩短了实时处理时间，并保证了DEM生成精度。

Description

一种快速DEM生成方法
技术领域
本发明属于图像处理技术领域，具体涉及一种快速DEM生成方法。
背景技术
干涉合成孔径雷达(Interferometry Synthetic Aperture Rada，简称InSAR)是利用两幅图像间的差异来提取相位差异，再通过解算干涉几何得到观测地区的高程。
两幅对同一地区观测但具有差异的图像，可以通过安装多个天线自发自收或是一发双收来获取，或者可以通过同一副天线两次平行航过来获取。由于两副天线放置位置与目标存在几何差，接收信号的路程距离也不同，这样接收到的回波相位也不同。对二维聚焦后的两幅图像共轭复乘后取相位信息，再通过雷达平台高度、两副天线安装基线长度、雷达波束指向等参数构建出干涉几何模型，解算出观测场景中每一点的高程值。干涉合成孔径雷达技术将二维图像扩展到空间领域，得到距离向、方位向、高度向的三维图像信息。合成孔径雷达(Synthetic Aperture Rada，简称SAR)图像是斜距成像如果需要投影到地距上，就必须进行格网内插，即需要生成数字高程模型(Digital Elevation Model，简称DEM)。SAR图像对斜距来说是均匀采样的，然而对地距却是非均匀的。目前，DEM生成的方法有很多种，例如：最邻近DEM生成法、三角平面DEM生成法等。
但是，最邻近DEM生成法生成的DEM精度低；而三角平面DEM生成法实时处理中限制较多，比如在雷达平台处于平飞正侧视的时候，三角平面DEM生成法在硬件实时处理中，可以快速找到待投影点所在的三角平面，但是当存在大斜视角或者下降速度时，多普勒中心发生偏移，在DEM生成处理中需要找到距待投影点最近的方位向上的点，并且处于同一平面才能构成平面三角进而得到待投影点的高程值，由于多普勒中心发生偏移，为取到同一平面的三角形需要大范围取数，这会造成硬件处理时间的增加，运算速率缓慢，同时也会受到硬件内存空间的限制。
发明内容
为了解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供了一种快速DEM生成方法，包括如下步骤：
步骤1、对同一区域观测到的主辅两幅复图像进行干涉处理得到斜距平面中的三维地形信息；
步骤2、根据所述三维地形信息中x轴与y轴的位置信息确定数字高程图DEM在地面格网上的投影位置；
步骤3、依次按照方位向、距离向将所述三维地形信息中z轴的位置信息投影到所述地面格网的投影位置上得到最终数字高程图DEM。
在本发明的一个实施例中，所述步骤1具体包括：
将同一区域经过二维聚焦观测到的主辅两幅复图像，经过复图像配准、干涉相位生成、相位滤波、质量图生成、相位解缠、相位转高程处理后得到斜距平面中的所述三维地形信息，所述三维地形信息包括x轴的位置信息、y轴的位置信息、z轴的位置信息，其中，x轴代表方位向，y轴代表距离向，z轴代表高度向。
在本发明的一个实施例中，所述步骤2中数字高程图DEM在地面格网上的投影位置包括数字高程图DEM的方位向点数、数字高程图DEM的距离向点数，其中，
所述数字高程图DEM的方位向点数表示为：
Ndna＝floor((xmax-xmin)/grid)；
其中，Ndna为数字高程图DEM的方位向点数，xmax、xmin分别为三维地形信息中x轴上对应斜距平面中的最大值以及最小值，grid为格网尺寸；
所述数字高程图DEM的距离向点数表示为：
Ndnr＝floor((ymax-ymin)/grid)；
其中，Ndnr为数字高程图DEM的距离向点数，ymax、ymin分别为三维地形信息中y轴上对应斜距平面中的最大值以及最小值。
在本发明的一个实施例中，所述步骤3具体包括：
步骤3.1、将所述三维地形信息中z轴的位置信息按照所述方位向点数Ndna投影到地面格网的投影位置上得到预处理图像；
步骤3.2、将所述预处理图像按照所述距离向点数Ndnr投影到地面格网的投影位置上得到最终数字高程图DEM。
在本发明的一个实施例中，所述步骤3.1具体包括：
获取所述三维地形信息中x轴的位置信息，根据所述格网尺寸grid及x轴边界点计算投影到地面格网的投影位置中x轴的位置信息，设x1为待投影点的x轴位置信息，xr为三维地形信息中x轴的位置信息投影到地面格网的投影位置中x轴的位置信息，所述投影到地面格网的投影位置中x轴的位置信息xr表示为：
xr＝1+round((x1-xmin)/grid)；
在所述待投影点x1所在列中遍历找到与其投影到地面格网的投影位置方位向上最近的两点，并记录方位向最近两点的位置信息，对所述方位向最近两点对应z轴的高程信息求均值，将此均值作为所述待投影点x1的方位向高程值，以完成所述待投影点x1的方位向高程信息投影计算；
对斜距平面的三维地形信息中所有待投影点进行方位向高程信息投影计算，得到所述预处理图像。
在本发明的一个实施例中，所述步骤3.2具体包括：
获取所述预处理图像中y轴的位置信息，根据所述格网尺寸grid及y轴边界点计算投影到地面格网的投影位置中y轴的位置信息，设y1为预处理图像中待投影点的y轴位置信息，yr为预处理图像中y轴的位置信息投影到地面格网的投影位置中y轴的位置信息，所述投影到地面格网的投影位置中y轴的位置信息yr：
yr＝1+round((y1-ymin)/grid)
在所述待投影点y1所在列中遍历找到与其投影到地面的格网的投影位置距离向上最近的两点，并记录距离向最近两点的位置信息，对所述距离向最近两点对应z轴的高程信息求均值，将此值作为所述待投影点y1的距离向高程值，完成所述待投影点y1的距离向高程信息投影计算；
对所述预处理图像中所有待投影点进行距离向高程信息投影计算，得到所述最终数字高程图DEM。
与现有技术相比，本发明的有益效果：
本发明提出的快速DEM生成方法，首先通过三维地形信息中距离向、方位向的位置信息确定数字高程图DEM在地面格网的投影位置，然后将三维地形信息中高度向的位置信息投影到地面格网的投影位置上以实现数字高程图DEM快速生成。本发明确定数字高程图DEM在地面格网的投影位置后，将三维地形信息中的高度向位置信息依次分解在方位向和距离向，实现在两个一维向数据处理，从而降低了硬件处理难度，加速了硬件处理的有效性，缩短了实时处理时间，并保证了DEM生成精度。
附图说明
图1为本发明实施例提供的一种快速DEM生成方法的流程示意图；
图2a～2b为本发明实施例中对回波数据成像处理后主图像、辅图像的示意图；
图3为本发明实施例中对主图像、辅图像进行干涉处理的干涉条纹图像示意图；
图4a～4c为本发明实施例中对主图像、辅图像进行干涉处理后生成的斜距平面中三维地形信息示意图；
图5a～5b为传统最邻近DEM生成方法生成的数字高程图DEM与其生成的数字高程图DEM的误差结果示意图；
图6a～6b为本发明实施例提供的DEM生成方法生成的数字高程图DEM与其生成的数字高程图DEM的误差结果示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明做进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
实施例一
请参见图1，图1为本发明实施例提供的一种快速DEM生成方法的流程示意图，本发明实施例提供了一种快速DEM生成方法，该快速DEM生成方法包括以下步骤：
步骤1、对同一区域观测到的主辅两幅复图像进行干涉处理得到斜距平面中的三维地形信息。
具体而言，本实施例通过采取单航过、两副天线的模式，将同一区域经过系统平台录取回来的雷达信号分别进行SAR成像处理，经过二维聚焦得到两幅SAR复图像，其中一幅为主图像，另一幅为辅图像。然后，将主图像、辅图像分别经过InSAR处理，具体依次经过复图像配准、干涉相位生成、相位滤波、质量图生成、相位解缠、相位转高程操作等干涉处理后得到斜距平面中的三维地形信息，该三维地形信息包括x轴的位置信息、y轴的位置信息、z轴的位置信息，其中，x轴代表方位向，y轴代表距离向，z轴代表高度向。其中，斜距平面中SAR图像大小均为Na*Nr，即SAR图像在斜距平面中方位向点数为Na，距离向点数为Nr。
由于雷达系统是在斜距平面中为均匀采样，SAR图像二维聚焦于斜距平面，为了方便人们对地形的观测测绘，需要将斜距平面的信息投影到地距平面上。
步骤2、根据三维地形信息中x轴与y轴的位置信息确定数字高程图DEM在地面格网上的投影位置。
具体而言，经上述相位转高程处理后，得到了距离向、方位向、高度向三轴的场景位置信息，要将其投影到地面上，首先要给出地面格网，确定好生成的数字高程图DEM在地面格网上的投影位置，步骤2中确定的数字高程图DEM在地面格网上的投影位置包括数字高程图DEM的方位向点数、数字高程图DEM的距离向点数，具体地：
确定斜距平面中方位向的边界值，即斜距平面的三维地形信息在方位向上的最小值、最大值，并设置地面上设置的格网大小为grid，从而生成数字高程图DEM在地面格网上的投影位置在x轴(方位向)的方位向点数，该数字高程图DEM的方位向点数表示为：
Ndna＝floor((xmax-xmin)/grid)；
其中，Ndna为数字高程图DEM的方位向点数，xmax、xmin分别为三维地形信息中x轴上对应斜距平面中的最大值以及最小值，grid为格网尺寸。
确定斜距平面中距离向的边界值，即斜距平面的三维地形信息在距离向上的最小值、最大值，从而生成数字高程图DEM在地面格网上的投影位置在y轴(距离向)的距离向点数，该数字高程图DEM的距离向点数表示为：
Ndnr＝floor((ymax-ymin)/grid)；
其中，Ndnr为数字高程图DEM的距离向点数，ymax、ymin分别为三维地形信息中y轴上对应斜距平面中的最大值以及最小值。
步骤3、依次按照方位向、距离向将三维地形信息中z轴的位置信息投影到地面格网的投影位置上得到最终数字高程图DEM。
具体而言，通过步骤2确定好数字高程图DEM在地面格网上的投影位置后，则需要再将三维地形信息中z轴的位置信息投影到地面格网的投影位置上，本实施例步骤3依次按照方位向、距离向进行三维地形信息中z轴的位置信息的投影，步骤3具体包括步骤3.1、步骤3.2：
步骤3.1、将三维地形信息中z轴的位置信息按照方位向点数Ndna投影到地面格网的投影位置上得到预处理图像。
具体而言，本实施例获取斜距平面的三维地形信息中x轴上待投影点的位置信息，根据格网尺寸grid及步骤2中得到的方位向上最小边界值xmin，计算待投影点投影到地面格网的投影位置中x轴的位置信息，设x1为待投影点的x轴位置信息，xr为三维地形信息中x轴的位置信息投影到地面格网的投影位置中x轴的位置信息，则投影到地面格网的投影位置中x轴的位置信息xr表示为：
xr＝1+round((x1-xmin)/grid)；
在待投影点x1方位位置数值的左右邻域(所在列)，分别搜寻，遍历找到左右分别距离其投影到地面格网的投影位置方位向上最近的两点，并记录方位向最近两点的位置信息于两个数组中，对方位向最近两点对应z轴的高程信息求均值，将此均值作为待投影点x1的方位向高程值，以完成待投影点x1的方位向高程信息投影计算；
重复上述过程，对斜距平面的三维地形信息中所有待投影点进行方位向高程信息投影计算，所有待投影点均完成方位向投影后，即意味着方位向投影操作结束，得到尺寸大小为Ndna×Nr的预处理图像。
步骤3.2、将预处理图像按照距离向点数Ndnr投影到地面格网的投影位置上得到最终数字高程图DEM。
具体而言，本实施例获取预处理图像中y轴上待投影点的位置信息，根据格网尺寸grid及步骤2中得到的距离向上最小边界值ymin，计算投影到地面格网的投影位置中y轴的位置信息，设y1为预处理图像中待投影点的y轴位置信息，yr为预处理图像中y轴的位置信息投影到地面格网的投影位置中y轴的位置信息，投影到地面格网的投影位置中y轴的位置信息yr：
yr＝1+round((y1-ymin)/grid)；
在待投影点y1距离位置数值的左右邻域(所在行)，分别搜寻，遍历找到左右分别距离其投影到地面的格网的投影位置距离向上最近的两点，并记录距离向最近两点的位置信息于数组中，对距离向最近两点对应z轴的高程信息求均值，将此值作为待投影点y1的距离向高程值，完成待投影点y1的距离向高程信息投影计算；
重复上述过程，对预处理图像中所有待投影点进行距离向高程信息投影计算，所有待投影点均完成距离向投影后，即意味着距离向投影操作结束，得到尺寸大小为的Ndna×Ndnr最终数字高程图DEM。
为了验证本申请提出的快速DEM生成方法的有效性，下面结合硬件实现实验对本发明的效果做以说明，具体地：
通过MATLAB仿真一组主辅天线接收的回波数据，雷达系统参数如表1所示，在硬件系统中对回波数据进行SAR成像处理以及InSAR处理，得到DEM生成所需的观测场景的三维地形信息，具体地，请参见图2a～2b，图2a～2b为本发明实施例中对回波数据成像处理后主图像、辅图像的示意图，图2a为本发明实施例中对回波数据成像处理后主图像的示意图，图2b为本发明实施例中对回波数据成像处理后辅图像的示意图，请参见图3，图3为本发明实施例中对主图像、辅图像进行干涉处理的干涉条纹图像示意图，请参见图4a～4c，图4a～4c为本发明实施例中对主图像、辅图像进行干涉处理后生成的斜距平面中三维地形信息示意图，图4a为斜距平面中三维地形信息在方位向位置信息示意，图4b为斜距平面中三维地形信息在距离向位置信息示意，图4c为斜距平面中三维地形信息在高度向位置信息示意，对主图像、辅图像进行如图3所示的干涉条纹干涉处理后，生成本实施例如图4a～4c所示的三个方向维的三维地形信息。其中，图2a～2b、图3、图4a～4c中距离向、方位向的单位均为像素。
表1仿真参数
Figure BDA0002573711020000091
由于本实施例实验数据多普勒中心存在偏移，三角平面法在硬件系统中实现复杂，因此，本实施例主要采用最邻近方法与本申请提出的方法进行对比说明。
本申请提出的快速DEM生成方法的在硬件DSP实时处理的具体步骤如下：
对方位向进行投影，将三维地形信息中x轴、y轴、z轴的位置信息以及主图像幅度数据按照Nr均分给8个核处理，每个核依次取一条距离向数据；定义一个待投影点位置信息，并初始化设为grid，计算待投影点应该投影到地面格网中的投影位置，并找到向右逼近、向左逼近该待投影点的两个点的位置信息，并记录；将每个待投影点找到的两个点x对应的z值求平均，并将该平均值作为高程值，即完成了高程信息以及图像信息在方位向上的投影，此时投影图像大小为Ndna×Nr；对距离向上投影的操作也同方位向一样，最终高程投影的结果就是最终数字高程图DEM，且投影图像大小为Ndna×Ndnr。
请参见图5a～5b、6a～6b，图5a～5b为传统最邻近DEM生成方法生成的数字高程图DEM与其生成的数字高程图DEM的误差结果示意图，图6a～6b为本发明实施例提供的DEM生成方法生成的数字高程图DEM与其生成的数字高程图DEM的误差结果示意图，图5a为传统最邻近DEM生成方法生成的数字高程图DEM示意图，图6a为本发明实施例提供的DEM生成方法生成的数字高程图DEM示意图，可以看到，本申请比传统最邻近DEM生成方法精度高，为了更好的说明本申请的有效性，图5b为传统最邻近DEM生成方法生成的数字高程图DEM的误差结果示意图，图6b为本发明实施例提供的DEM生成方法生成的数字高程图DEM的误差结果示意图，从图5b可以看到传统最邻近DEM生成方法得到的一些边界点投影结果误差比较明显，而从图6b可以看到本申请DEM生成方法得到的边界点投影结构误差得到了改善，从而说明本申请的有效性。
为了进一步说明，对现有最邻近DEM生成方法以及本申请提出的DEM生成方法进行性能评估，比较其各自的有效点占整体像素点样本的百分比，以及产生的DEM高程精度误差，具体性能比较结果如表2。
表2性能比较结果
Figure BDA0002573711020000101
从表2可以看出，本申请生成DEM的有效样本数目以及相对高程精度相较于传统最邻近方法均有所提高。
综上所述，本实施例提出的快速DEM生成方法，在精度上，相比于现有的最邻近DEM生成方法有所提升，现有的最邻近DEM生成方法仅找到距离向或方位向上离待投影点最近的一点，并将该点高程值赋给待投影点，这样会在精度上有所损失，而本申请确定好数字高程图DEM的在地面格网的投影位置后，将三维地形信息中的高度向位置信息依次分解在方位向和距离向，实现在两个一维向处理数据，从而降低了硬件处理难度，加速了硬件处理的有效性，缩短了实时处理时间，同时，在方位向、距离向上分别找到离待投影点最近的两点，即左右逼近该待投影点，并取离待投影点最近两点的均值作为待投影点的高程值，从而提高投影的精度；在实时处理上，相比于现有的三角平面DEM生成方法，在实时处理非正侧视雷达数据时，由于多普勒中心的偏移，难以找到与待投影点位于同一平面的三个点构成三角平面，也就无法正确使用三角平面进行实时处理，而本申请设计相当于将三角形分解到距离向和方位向上，在一个方向上找到与待投影点最近的两点，将平面转换成线，缩短了实时处理时间；在实时处理操作上，相比于现有的三角平面DEM生成方法，三角平面法要确定同一平面的三个点要在整幅图像按照偏移的程度来大范围取数据，再通过三角计算得到待投影点高程，而本申请设计确定数字高程图DEM在地面格网上的投影位置，相当于确定待投影点所在的矩形平面，然后通过找最邻近的一边确定是在上还是下(或者左还是右)三角形平面中，分别在方位向、距离向取两点的均值作为待投影点的高程值，将二维分解成两个一维进行处理，简化处理手段。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种快速DEM生成方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1、对同一区域观测到的主辅两幅复图像进行干涉处理得到斜距平面中的三维地形信息；
步骤2、根据所述三维地形信息中x轴与y轴的位置信息确定数字高程图DEM在地面格网上的投影位置；
步骤3、依次按照方位向、距离向将所述三维地形信息中z轴的位置信息投影到所述地面格网的投影位置上得到最终数字高程图DEM。
2.根据权利要求1所述的快速DEM生成方法，其特征在于，所述步骤1具体包括：
将同一区域经过二维聚焦观测到的主辅两幅复图像，经过复图像配准、干涉相位生成、相位滤波、质量图生成、相位解缠、相位转高程处理后得到斜距平面中的所述三维地形信息，所述三维地形信息包括x轴的位置信息、y轴的位置信息、z轴的位置信息，其中，x轴代表方位向，y轴代表距离向，z轴代表高度向。
3.根据权利要求2所述的快速DEM生成方法，其特征在于，所述步骤2中数字高程图DEM在地面格网上的投影位置包括数字高程图DEM的方位向点数、数字高程图DEM的距离向点数，其中，
所述数字高程图DEM的方位向点数表示为：
Ndna＝floor((xmax-xmin)/grid)；
其中，Ndna为数字高程图DEM的方位向点数，xmax、xmin分别为三维地形信息中x轴上对应斜距平面中的最大值以及最小值，grid为格网尺寸；
所述数字高程图DEM的距离向点数表示为：
Ndnr＝floor((ymax-ymin)/grid)；
其中，Ndnr为数字高程图DEM的距离向点数，ymax、ymin分别为三维地形信息中y轴上对应斜距平面中的最大值以及最小值。
4.根据权利要求3所述的快速DEM生成方法，其特征在于，所述步骤3具体包括：
步骤3.1、将所述三维地形信息中z轴的位置信息按照所述方位向点数Ndna投影到地面格网的投影位置上得到预处理图像；
步骤3.2、将所述预处理图像按照所述距离向点数Ndnr投影到地面格网的投影位置上得到最终数字高程图DEM。
5.根据权利要求4所述的快速DEM生成方法，其特征在于，所述步骤3.1具体包括：
获取所述三维地形信息中x轴的位置信息，根据所述格网尺寸grid及x轴边界点计算投影到地面格网的投影位置中x轴的位置信息，设x1为待投影点的x轴位置信息，xr为三维地形信息中x轴的位置信息投影到地面格网的投影位置中x轴的位置信息，所述投影到地面格网的投影位置中x轴的位置信息xr表示为：
xr＝1+round((x1-xmin)/grid)；
在所述待投影点x1所在列中遍历找到与其投影到地面格网的投影位置方位向上最近的两点，并记录方位向最近两点的位置信息，对所述方位向最近两点对应z轴的高程信息求均值，将此均值作为所述待投影点x1的方位向高程值，以完成所述待投影点x1的方位向高程信息投影计算；
对斜距平面的三维地形信息中所有待投影点进行方位向高程信息投影计算，得到所述预处理图像。
6.根据权利要求4所述的快速DEM生成方法，其特征在于，所述步骤3.2具体包括：
获取所述预处理图像中y轴的位置信息，根据所述格网尺寸grid及y轴边界点计算投影到地面格网的投影位置中y轴的位置信息，设y1为预处理图像中待投影点的y轴位置信息，yr为预处理图像中y轴的位置信息投影到地面格网的投影位置中y轴的位置信息，所述投影到地面格网的投影位置中y轴的位置信息yr表示为：
yr＝1+round((y1-ymin)/grid)
在所述投影点y1所在行中遍历找到与其投影到地面的格网的投影位置距离向上最近的两点，并记录距离向最近两点的位置信息，对所述距离向最近两点对应z轴的高程信息求均值，将此值作为所述投影点y1的距离向高程值，完成所述投影点y1的距离向高程信息投影计算；
对所述预处理图像中所有待投影点进行距离向高程信息计算，得到所述最终数字高程图DEM。
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