CN112835041A - 结合UKF和AMPM的多基线InSAR高程重建方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种结合UKF和AMPM的多基线InSAR高程重建方法,本方法首先构造稳健的UKF高程重建系统模型,并利用具有较强噪声抑制能力的AMPM算法提取UKF高程重建系统模型所需的干涉相位梯度估计值;其次,在边缘检测技术的基础上利用ML算法估计的地形高程图与多幅干涉图来确定不连续边界图,然后在路径跟踪策略下引导UKF算法重建高程,在连续区域采用UKF估计的高程值,在不连续区域则采用ML估计的高程值,从而突破相位不连续条件的限制,获得地形高程估计值。本方法提高了高程重建的可靠性;提高了高程重建精度;具有较强的抗噪性能。
Description
技术领域
本发明涉及多基线InSAR高程重建技术领域,具体是一种结合无味卡尔曼滤波(Unscented Kalman filter,简称UKF)和基于修正矩阵束模型的局部相位梯度估计算法(AMPM)的多基线InSAR高程重建方法。
背景技术
干涉合成孔径雷达(Synthetic Aperture Radar Interferometry,简称InSAR)是一项广泛应用于地理信息系统构建、环境监测、军事侦查等领域的技术,其利用目标地形的反射微波信号生成该区域包含缠绕相位信息的干涉图来估计地表的高程信息和变化信息,最后建立观察地形的数字高程模型(Digital Elevation Model,简称DEM)。传统单基线InSAR技术包括枝切法、质量引导算法、最小二乘法、最小费用流等算法,受限于相位连续性假设,难以应用在如山谷、陡峭山脉和城市等复杂地形高程重建中。而多基线InSAR技术可利用多个基线对同一区域进行高程重建,具有在不连续或突变地形高程重建中获得高精度DEM的潜力。
目前,多基线InSAR高程重建技术中具有代表性的算法有利用真实相位与缠绕相位符合圆高斯分布的性质构建似然函数,从而估计出高程值的最大似然估计(MaximumLikelihood,简称ML)法和利用不同基线长度互质这一特性来求解同余方程,以获取相位模糊数,从而得出解缠相位及高程的中国余数定理(Chinese Remainder Theorem,简称CRT)法等方法。ML估计算法避免了复杂的相位解缠过程,防止了误差传递的现象的发生,但该方法易受干涉相位噪声的影响,其高程估计地图中由干涉相位噪声导致生成的“毛刺点”较多,误差较大。
为了解决ML估计方法的缺点,Ferraiuolo等人提出了最大后验概率(Maximum aposteriori,简称MAP)估计方法,该方法在ML估计方法的基础上结合了马尔可夫随机场的先验模型,迭代估计其反映相邻像素点分布关系的超参数,使得重建出来的高程图“毛刺点”大大减少,但计算耗时较长。为此,Giampaolo提出将基于全变分(Total Variation,简称TV)模型的能量函数应用于MAP估计算法中,省略了迭代估计超参数的过程,大大减少了运行时间。同时,Roberto提出了将扩展卡尔曼滤波算法(EKF)应用到了ML算法上,具有一定平滑噪声的作用。基于CRT的多基线InSAR技术可以在理想的无噪声状态下获取解缠相位,但该算法对干涉相位噪声非常敏感。袁志辉等提出了一种改进的具有封闭式解的多基线鲁棒性CRT算法,提高了CRT算法噪声鲁棒性,但仍受噪声严重影响。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足,而提供一种结合UKF和AMPM的多基线InSAR高程重建方法,该方法不但具有较强的抗噪声性能,且能在地形不连续区域中保留完整的地形边缘特征。
实现本发明目的的技术方案是:
一种结合UKF与AMPM的多基线InSAR高程重建方法,包括如下步骤:
2)构造稳健的UKF系统模型,把L通道归一化的复干涉信号的同相分量和正交分量分别作为状态变量的观测值,UKF系统模型表示如下:
公式(3)与公式(4)中,x(m,n)为像素点(m,n)的地形高度,作为状态变量;为像素(m,n)与其相邻像素(a,s)之间的高度梯度估计,ε(m,n)|(a,s)为像素(m,n)与其相邻像素(a,s)之间的高度梯度误差;是第l通道的干涉图像素(m,n)与其相邻像素(a,s)之间的相位梯度估计,由AMPM算法估计得到;z(m,n)为观测向量,h[x(m,n)]为不含噪声的观测向量,v(m,n)为附加在归一化复干涉信号同相分量和正交分量上的测量噪声,zl(m,n)为第l通道的观测向量;hl[x(m,n)]为第l通道的不含噪声的观测向量,vl(m,n)为附加在第l通道的归一化复干涉信号同相分量和正交分量上的测量噪声,其中,由AMPM算法可得如下公式:
3)计算每幅干涉相位图的残差点,即若2×2相邻像素的缠绕相位梯度的环积分值绝对值为2π,则定义该像素点为残差点,并进行“或”运算得到一幅残差点二值化图;
4)对步骤1)得到的高程图进行3×3窗口的均值滤波,然后使用Sobel算子对其进行边缘检测,得到一幅边缘检测的二值化图,然后与步骤3)得到的二值化图像继续进行“或”运算,得到一幅新的二值化图像,其中“1”代表低可靠像素点,“0”代表高可靠像素点;
5)根据步骤4)得到的二值化图像,生成一个新的表示相位不连续的二值化图像,记为“EDGE”,即在步骤4)生成的二值化图像中,如果以一个像素为中心的5×5窗口中的低可靠像素个数大于2,则认为该像素是一个边缘值为1的不连续边界像素点,反之,该像素的边缘值为0;
6)创建路径跟踪策略所需的链接列表,用于存储和排序等待展开并在展开阶段进一步定义等待像素;
7)计算最长基线的干涉相位质量图,在本文的实验中,指导UKF系统模型高程重建路径的质量图是干涉图的相位导数方差图,其中质量值ρm,n的计算公式为:
8)根据路径跟踪策略,选取干涉图中最长基线对应的质量值最高的一个非边界像素作为起始像素,即种子像素,由步骤1)获得其高度估计值,将与种子像素直接相连的四个相邻像素即上像素、下像素、左像素和右像素之间的非边界像素标记为等待展开的像素,分别插入步骤6)构建的邻接列表中,以此来引导UKF高程重建过程,其中UKF的预测公式表示如下:
公式(7)中,为像素点(a,s)的状态估计值,为状态值估计误差,表示像素点(m,n)的预测状态估计值,表示像素点(m,n)的预测估计误差,Ψ表示相邻八个像素点中已解缠的像素点集合,x[(m,n)|(a,s)]表示通过像素点(a,s)得到的像素点(m,n)的预测值,κ表示相邻八个像素点中已解缠的像素点个数,为新的状态预测值,为新的状态预测误差值,χj(m,n),j=0,1,2表示像素点(m,n)状态估计的Sigma点,Q(m,n)|(a,s)表示像素点(m,n)与像素点(a,s)的相位梯度估计误差协方差,和为相应的自适应因子,更新公式如下:
ρ(m,n)=Pxz(m,n)/Pzz(m,n)
公式(8)中,表示相应的Sigma点预测值,z-(m,n)表示干涉图中像素点(m,n)的观测矢量预测值,ρ(m,n)表示干涉图中像素点(m,n)的增益矩阵,表示干涉图中像素点(m,n)的观测误差方差,Pzz(m,n)和Pxz(m,n)表示加入自适应因子后的相应的估计误差,为干涉图中像素点(m,n)的最终高程估计值,为干涉图中像素点(m,n)的最终估计误差方差;
9)获取步骤8)中所构建的邻接列表中质量值最高的像素x,如果像素x的边缘值为0,则利用UKF相位解缠程序获得像素x的高度估计及其估计误差方差,若边缘值为1,则将步骤1中滤波后的ML高程作为像素x的高度估计数,再应用公式(7)得到像素x的估计误差方差,然后,再从构建的邻接列表中删除像素x,将像素x的4个领域间的非边界未解缠像素点分别标记为等待像素点,再按路径跟踪策略插入到链接列表中;
10)判断邻接列表是否为空,若非空,则继续执行步骤9);若为空,则算法结束,得到重建的高程图。
本方法首先构造稳健的UKF高程重建系统模型,并利用具有较强噪声抑制能力的AMPM算法提取UKF高程重建系统模型所需的干涉相位梯度估计值;其次,在边缘检测技术的基础上利用ML算法估计的地形高程图与多幅干涉图来确定不连续边界图,然后在路径跟踪策略下引导UKF算法重建高程,在连续区域采用UKF估计的高程值,在不连续区域则采用ML估计的高程值,从而突破相位不连续条件的限制,获得地形高程估计值。
与现有技术相比,如经典的ML算法,本方法利用公式(1)和公式(2)对地形进行高程估计,但由于在噪声较大的情况下,由似然函数所估计的高程也会产生较大误差,ML+EKF算法相对ML算法具有一定的平滑噪声的能力,但受噪声影响也极其严重;TV+MAP算法采用了全变分能量函数模型,避免了复杂超参数的估计,但由于缺少局部信息估计,算法的抗噪性能并不突出,为了提高多基线InSAR高程重建的精度并且保持良好的运算效率,本方法将传统单基线相位解缠技术框架UKF相位解缠算法及AMPM算法引入到多基线高程重建技术中。传统多基线相位解缠技术大多只能解决相位连续区域,虽具有较强的抗噪性能,但在不连续区域中由于误差传递现象的发生,会导致高程重建失败。
本发明的优点为:
1、构建了一个结合AMPM和UKF的稳健多基线高程重建模型,同时利用路径跟踪策略指导其重建高程,提高了高程重建的可靠性;
2、利用边缘检测技术检测出不连续边界点,在连续区域引入UKF与AMPM算法估计的高程值,提高了高程重建精度,而在不连续区域中则采用了ML估计高程值,防止引起误差传递现象,具有较强的抗噪性能。
附图说明
图1为本发明实施例中一种结合UKF和AMPM的多基线InSAR高程重建方法实施流程图;
图2a-图2f分别为实施例1模拟的城市地形图、含噪长基线干涉相位图、ML估计高程图、ML+EKF估计高程图、TV+MAP估计高程图和本发明估计高程图,其中图2a为二维高程图,图2b为长基线干涉图,图2c为ML估计高程图,图2d为ML+EKF估计高程图,图2e为TV+MAP估计干涉图,图2f为本发明估计高程图;
图3a-图3f分别为实施例2中美国Isolation公园真实地形高程图、含噪长基线干涉相位图、ML估计高程图、ML+EKF估计高程图、TV+MAP估计高程图和本发明估计高程图,其中图3a为二维高程图,图3b为长基线干涉图,图3c为ML估计高程图,图3d为EKF估计高程图,图3e为TV+MAP估计干涉图,图3f为本发明估计高程图;
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明内容做进一步阐述,但不是对本发明的限定。
实施例1:
图1为本发明结合UKF和AMPM的多基线InSAR高程重建方法实施流程图,针对模拟城市地形高程图进行相位展开,图2a为模拟城市地形二维高程图,其横坐标为距离向像素,纵坐标为方位向像素,右侧条代表高程值,单位为米;图2b为含噪长基线缠绕相位图,纵横坐标和图2a相同,其信噪比为7.16dB。
一种结合UKF和AMPM的多基线InSAR高程重建方法,包括如下步骤;
1)利用ML算法从多幅干涉相位图中估计出粗略的地形高程图,并使用窗口为3×3的中值滤波器对其进行滤波;
3)获取每幅干涉相位图的残差点,并进行“或”运算得到一幅综合的残差点二值化图;
4)对步骤1)得到的高程图进行3×3窗口的均值滤波,然后使用Sobel算子对其进行边缘检测,得到一幅边缘检测的二值化图,其中边缘检测的阈值为长基线的高度模糊数的一半;
5)对步骤3)和步骤4)得到的二值化图像进行“或”运算,得到一幅新的二值化图像,其中“1”代表低可靠像素点,“0”代表高可靠像素点;
6)根据步骤5)生成的二值化图像,生成一个新的表示相位不连续的二值化图像,记为“EDGE”,即在步骤5)生成的二值化图像中,如果以一个像素为中心的5×5窗口中的低可靠像素个数大于2,则认为该像素是一个边缘值为1的不连续边界像素点,反之,该像素的边缘值为0;
7)创建路径跟踪策略所需的链接列表,用于存储和排序等待展开并在展开阶段进一步定义等待像素;
8)根据路径跟踪策略,选取干涉图中最长基线对应的质量值最高的一个非边界像素作为起始像素,即种子像素,步骤1)获得其高度估计值,将与种子像素直接相连的四个相邻像素即上像素、下像素、左像素和右像素之间的非边界像素标记为等待展开的像素,分别插入步骤7)构建的邻接列表中,在本文的实验中,引导UKF相位过程展开路径的质量图是干涉图的相位导数方差图;
9)使用路径跟踪策略获取步骤7)中所构建的邻接列表中质量最高的像素x;如果像素x的边缘值为0,则利用UKF相位解缠程序获得像素x的高度估计及其估计误差方差;相反,将步骤1中滤波后的ML高程作为像素x的高度估计数,再应用公式(7)得到像素x的估计误差方差,然后,从步骤7)和步骤8)所构建的链接列表中删除像素x,将像素x的4个领域间的非边界未解缠像素点分别标记为等待像素点,按路径跟踪策略插入到邻接列表中;
10)判断邻接列表是否为空,若非空,则继续执行步骤9);若为空,则算法结束,得到重建的高程图。
图2a为模拟城市地形的二维高程图;图2b为含噪声的长基线干涉相位图;图2c为ML估计高程图;图2d为ML+EKF估计高程图;图2e为TV+MAP估计高程图;图2f为本发明估计高程图,不同方法的运行时间如表1所示:
表1不同算法的运行时间对比
由图2c-图2f可以看出本发明实施例的方法对多基线InSAR高程重建具有较好的保留地形边缘特征效果,相较前三者的算法具有较强的抗噪声能力,有效减少重建高程图的毛刺噪声,提高高程重建的精度,同时从表1及图2a-图2f可看出相较TV+MAP算法不但运行时间少,且重建精度高,而比较ML、ML+EKF两种算法可看出,在可接受的时间消耗下,具有精度较高的优势。
实施例2:
针对具有突变边缘的美国Isolation公园真实地形进行高程重建,该地形右端存在断崖式地形,无法满足相位不连续假设的条件,因此传统的单基线技术无法对其进行处理。
图1为本发明结合UKF和AMPM的多基线InSAR高程重建方法实施流程图,图3a为Isolation公园真实地形高程图,图3b为含噪声的长基线干涉相位图;图3c为ML估计高程图,图3d为ML+EKF估计高程图,图3e为TV+MAP估计高程图,图3f为本发明估计高程图,与实施例1采用方法相同。
由图3a-图3f和表2可知,本发明在维持高效率的情况下,依然保证了可靠性和精度,同时检测出不连续边界,避免了单基线相位解缠技术中的误差传递现象的发生。
表2不同算法的运行时间对比
本发明提出的结合UKF和AMPM的多基线InSAR高程重建方法是利用路径跟踪策略引导融合了AMPM的UKF算法对高程进行重建,并通过边缘检测判断不连续边界,继而使用ML估计高程信息突破相位不连续的限制,实现了较高精度与效率的高程重建方法,在实施例1与实施例2中,即在模拟地形和真实地形的实验中都证明了其有效性。
上述实施例,仅为对本发明的目的、技术方案和有益效果进一步详细说明的具体个例,本发明并非限定于此。凡在本发明公开范围之内做任何修改、等同替换、改进等,均包含在本发明的保护范围之内。
Claims (3)
1.一种结合UKF和AMPM的多基线InSAR高程重建方法,其特征在于,包括如下步骤:
2)构造稳健的UKF系统模型,把L通道归一化的复干涉信号的同相分量和正交分量分别作为状态变量的观测值,UKF系统模型表示如下:
公式(3)与公式(4)中,x(m,n)为像素点(m,n)的地形高度,作为状态变量;为像素(m,n)与其相邻像素(a,s)之间的高度梯度估计,ε(m,n)|(a,s)为像素(m,n)与其相邻像素(a,s)之间的高度梯度误差;是第l通道的干涉图像素(m,n)与其相邻像素(a,s)之间的相位梯度估计,由AMPM算法估计得到;z(m,n)为观测向量,h[x(m,n)]为不含噪声的观测向量,v(m,n)为附加在归一化复干涉信号同相分量和正交分量上的测量噪声,zl(m,n)为第l通道的观测向量;hl[x(m,n)]为第l通道的不含噪声的观测向量,vl(m,n)为附加在第l通道的归一化复干涉信号同相分量和正交分量上的测量噪声,其中,由AMPM算法可得如下公式:
3)计算每幅干涉相位图的残差点,即若2×2相邻像素的缠绕相位梯度的环积分值绝对值为2π,则定义该像素点为残差点,并进行“或”运算得到一幅残差点二值化图;
4)对步骤1)得到的高程图进行均值滤波,然后使用Sobel算子对其进行边缘检测,得到一幅边缘检测的二值化图,然后与步骤3)得到的二值化图像继续进行“或”运算,得到一幅新的二值化图像,其中“1”代表低可靠像素点,“0”代表高可靠像素点;
5)根据步骤4)得到的二值化图像,生成一个新的表示相位不连续的二值化图像,记为“EDGE”;
6)创建路径跟踪策略所需的链接列表,用于存储和排序等待展开并在展开阶段进一步定义等待像素;
7)计算最长基线的干涉相位质量图,在本文的实验中,指导UKF系统模型高程重建路径的质量图是干涉图的相位导数方差图,其中质量值ρm,n的计算公式为:
8)根据路径跟踪策略,选取干涉图中最长基线对应的质量值最高的一个非边界像素作为起始像素,即种子像素,由步骤1)获得其高度估计值,将与种子像素直接相连的四个相邻像素即上像素、下像素、左像素和右像素之间的非边界像素标记为等待展开的像素,分别插入步骤6)构建的邻接列表中,以此来引导UKF高程重建过程,其中UKF的预测公式表示如下:
公式(7)中,为像素点(a,s)的状态估计值,为状态值估计误差,表示像素点(m,n)的预测状态估计值,表示像素点(m,n)的预测估计误差,Ψ表示相邻八个像素点中已解缠的像素点集合,x[(m,n)|(a,s)]表示通过像素点(a,s)得到的像素点(m,n)的预测值,κ表示相邻八个像素点中已解缠的像素点个数,为新的状态预测值,为新的状态预测误差值,χj(m,n),j=0,1,2表示像素点(m,n)状态估计的Sigma点,Q(m,n)|(a,s)表示像素点(m,n)与像素点(a,s)的相位梯度估计误差协方差,和为相应的自适应因子,更新公式如下:
公式(8)中,表示相应的Sigma点预测值,z-(m,n)表示干涉图中像素点(m,n)的观测矢量预测值,ρ(m,n)表示干涉图中像素点(m,n)的增益矩阵,表示干涉图中像素点(m,n)的观测误差方差,Pzz(m,n)和Pxz(m,n)表示加入自适应因子后的相应的估计误差,为干涉图中像素点(m,n)的最终高程估计值,为干涉图中像素点(m,n)的最终估计误差方差;
9)获取步骤8)中所构建的邻接列表中质量值最高的像素x,如果像素x的边缘值为0,则利用UKF相位解缠程序获得像素x的高度估计及其估计误差方差,若边缘值为1,则将步骤1中滤波后的ML高程作为像素x的高度估计数,再应用公式(7)得到像素x的估计误差方差,然后,再从构建的邻接列表中删除像素x,将像素x的4个领域间的非边界未解缠像素点分别标记为等待像素点,再按路径跟踪策略插入到链接列表中;
10)判断邻接列表是否为空,若非空,则继续执行步骤9);若为空,则算法结束,得到重建的高程图。
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PB01 | Publication | ||
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GR01 | Patent grant | ||
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