JP2007248216A

JP2007248216A - 合成開口レーダ画像のオルソ補正装置及びオルソ補正方法

Info

Publication number: JP2007248216A
Application number: JP2006071001A
Authority: JP
Inventors: Hideki Takeuchi; 竹内　　秀樹; Yoshiaki Watanabe; 義明渡邊
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2006-03-15
Filing date: 2006-03-15
Publication date: 2007-09-27
Anticipated expiration: 2026-03-15
Also published as: JP4702122B2

Abstract

【課題】従来、オルソ補正画像を等間隔の格子でブロック分割し、ブロック毎に、かつ複数の標高の基準面毎に、歪みのモデル式を求めていたため、各格子点で、オルソ補正画像とＳＡＲ画像の対応関係を複数の基準面毎に算出する必要があった。又、ＳＡＲでは、衛星方向に向いた斜面は明るく、逆方向の斜面は暗く撮像される。オルソ補正画像ではこの縮まった明領域は引き伸ばされ、暗領域は縮められるため、ＳＡＲ画像とオルソ補正画像を比較すると、画像全体の輝度値が保存されなかった。
【解決手段】オルソ補正画像を等間隔の格子でブロックに分割し、ブロックの各格子点において、オルソ補正画像とＳＡＲ画像の対応関係の算出を１回に減らすことにより、処理時間の短縮を実現するとともに、輝度の補正を行い、画像全体の輝度値を保存する様にした。
【選択図】図１

Description

本発明は、人工衛星等のプラットフォームから撮像された合成開口レーダ(Synthetic Aperture Radar: ＳＡＲ)画像について、撮像ターゲットに発生する位置誤差を補正するオルソ補正装置及びオルソ補正方法に関するものである。

ＳＡＲは、衛星のアンテナと地上のターゲットの距離（スラントレンジ）を計測して画像化するため、標高の高いターゲットは衛星側に近寄った位置に画像化される。この現象をフォアショートニング（倒れこみ）と呼ぶ。地表面より高い位置にあるターゲットは、地図上ではターゲットの垂下の位置にあるはずであるが、ＳＡＲ画像上ではスラントレンジが等しい位置にずれて画像化される。

オルソ補正処理は、観測対象地域の標高データＤＥＭ(Digital Elevation Model)及び地上の基準点ＧＣＰ(Ground Control Point)を用いて、高度を持つターゲットのフォアショートニングを補正する処理である。

従来の衛星画像のオルソ補正の方法は、以下のような方法である。従来の方法では、基準回転楕円体地球モデルの海抜標高ゼロの基準面に対して、複数の相異なる標高の基準面を設定し、オルソ補正画像を等間隔の格子でブロックに分割し、ブロックごとに、かつ複数の標高の基準面ごとに、歪みのモデル式を求める（例えば、特許文献１、参照）。

ＳＡＲの場合、衛星側に向いた斜面はフォアショートニングによりＳＡＲ画像上では縮まって画像化される。衛星方向に向いた斜面は明るく撮像され、逆方向の斜面は暗く撮像される。
オルソ補正処理は、フォアショートニングを補正する処理であるため、オルソ補正画像では縮まった明るい領域は引き伸ばされ、暗い領域は縮められる。そのため、ＳＡＲ画像とオルソ補正画像を比較すると、画像全体の輝度値が保存されないという問題点がある。

特開２００３−３２３６１１号公報

オルソ補正では、オルソ補正画像とＳＡＲ画像の対応関係を算出するが、処理は計算量が多い。従来の方式では、各格子点において、オルソ補正画像とＳＡＲ画像の対応関係を複数の基準面ごとに算出する必要があった。また、従来の方式では、ＳＡＲ画像とオルソ補正画像を比較すると、画像全体の輝度値が保存されないという問題点があった。

本発明の目的は、各格子点において、オルソ補正画像とＳＡＲ画像の対応関係を複数の基準面ごとに算出せず、処理時間の短縮を実現するとともに、輝度の補正を行い、画像全体の輝度値を保存することである。

本発明による合成開口レーダ画像のオルソ補正装置は、合成開口レーダによるＳＡＲ画像データ及び地図データ等から取得するＧＣＰデータが取得可能な場合に、このＧＣＰの地図座標に対応するＳＡＲ画像上のＧＣＰ位置を読み取りＧＣＰ設定情報を出力するＧＣＰ設定部と、このＳＡＲ画像、及びこのＧＣＰ設定情報を入力し、ＧＣＰのフォアショートニング位置の地図座標を出力するフォアショートニング位置算出部と、ＧＣＰのフォアショートニング位置の地図座標、及びＳＡＲ画像上のＧＣＰ位置のファイル座標から、地図座標をＳＡＲ画像のファイル座標に変換する変換係数を算出する変換係数算出部とを有し、ＧＣＰのデータを用いて地図座標からファイル座標への変換係数を算出する幾何補正処理部と、ＳＡＲ画像、及び観測対象地域の標高データであるＤＥＭデータを入力し、格子点の出力ファイル座標を算出する格子点算出部と、ＳＡＲ画像、ＤＥＭデータ、地図座標からファイル座標への変換係数、格子点の出力ファイル座標を入力し、格子点のフォアショートニング位置の入力ファイル座標を算出するフォアショートニング位置算出部と、この格子点の出力ファイル座標、及びこの格子点のフォアショートニング位置の入力ファイル座標を入力し、出力ファイル座標を入力ファイル座標に変換する変換係数を算出する変換係数算出部と、ＳＡＲ画像、及びこの出力ファイル座標を入力ファイル座標に変換する変換係数を入力し、出力ファイル座標から入力ファイル座標を算出し、入力ファイル座標の輝度値をリサンプリングにより求め、ＳＡＲ画像とオルソ補正画像の輝度値の補正を行い、オルソ補正画像を出力するリサンプリング処理部とを有し、ＤＥＭデータの高度を基に、オルソ補正画像の各画素のフォアショートニング量を算出するフォアショートニング歪み補正処理部とを備えたものである。

本発明によれば、各格子点での演算量を減らすことができ、かつ、画像全体の輝度値が保存するように補正することができる。

実施の形態１.
以下、本発明の実施の形態１を説明する。

図１は、実施の形態１に係るＳＡＲ画像のオルソ補正処理装置の全体構成図である。

図中の１は、衛星から撮像されたＳＡＲ画像である。ただし、ＳＡＲ画像１は衛星の軌道情報を含み、かつ各画素の地図情報（緯度経度または地図座標）が取得可能である必要がある。２は地図データ等から取得したＧＣＰデータ（位置、高度）である。３は高度取得に使用するＤＥＭデータである。ＧＣＰデータ２，ＤＥＭデータ３ともに地図投影されている。ＳＡＲ画像１，ＧＣＰデータ２及びＤＥＭデータ３は、ＣＤ-ＲＯＭ、磁気テープ等の記録媒体にて提供される。

図１において、精密幾何補正処理部５は、ＧＣＰデータ２を入力し、地図座標からＳＡＲ画像１のファイル座標への変換係数を出力する。フォアショートニング歪み補正処理部６は、ＤＥＭデータ３の高度、地図座標からＳＡＲ画像１のファイル座標への変換係数を入力し、オルソ補正画像７を出力する。

ＳＡＲは、衛星のアンテナと地上のターゲットの距離（スラントレンジ）を計測して画像化するため、標高の高いターゲットは衛星側に近寄った位置に画像化される、フォアショートニングと呼ぶ現象が発生する。
図２は、ＳＡＲのフォアショートニングの概念を示す概念図である。高度を持つターゲットＡは、地図上ではＢの位置にあるはずであるが、ＳＡＲ画像上ではスラントレンジが等しいＣの位置に画像化される。

図３は、精密幾何補正処理部５の構成図である。精密幾何補正処理部５は、ＧＣＰ設定部、フォアショートニング位置算出部、変換係数算出部からなる。ＧＣＰ設定部は、ＳＡＲ画像１及びＧＣＰデータ２を入力し、ＧＣＰ設定情報を出力する。フォアショートニング位置算出部は、ＳＡＲ画像１及びＧＣＰ設定情報を入力し、ＧＣＰのフォアショートニング位置の地図座標を出力する。変換係数算出部は、ＧＣＰのフォアショートニング位置の地図座標及びＧＣＰのファイル座標を入力し、地図座標からファイル座標への変換係数４を出力する。

図４は、フォアショートニング歪み補正処理部６の構成図である。フォアショートニング歪み補正処理部６は、格子点算出部、フォアショートニング位置算出部、変換係数算出部及びリサンプリング処理部からなる。格子点算出部は、ＳＡＲ画像１及びＤＥＭデータ３を入力し、格子点の出力ファイル座標を出力する。フォアショートニング位置算出部は、ＳＡＲ画像１、ＤＥＭデータ３、地図座標からファイル座標への変換係数４、格子点の出力ファイル座標を入力し、格子点のフォアショートニング位置の入力ファイル座標を出力する。変換係数算出部は、格子点の出力ファイル座標及び格子点のフォアショートニング位置の入力ファイル座標を入力し、出力ファイル座標を入力ファイル座標に変換する変換係数を出力する。リサンプリング処理部は、ＳＡＲ画像１及び出力ファイル座標を入力ファイル座標に変換する変換係数を入力し、オルソ補正画像７を出力する。

次に、実施の形態１に係るＳＡＲ画像のオルソ補正処理における動作を、図５のフローチャートで説明する。

図５に示すように、オルソ補正処理全体は２つのＳＴＥＰからなる。
まず、ＳＴＥＰ１（精密幾何補正処理）で、ＧＣＰデータ２を用いてオルソ補正画像７の位置精度を向上させる。次に、ＳＴＥＰ２（フォアショートニング歪み補正処理）で、ＤＥＭデータ３の高度を基に、フォアショートニング歪みを取り除いたオルソ補正画像７を出力する。

ＳＡＲ画像の位置誤差の要因は、大きく分けると、（Ａ）高度に起因する誤差と（Ｂ）その他の誤差（軌道の位置誤差等）とに分けられる。
ＳＴＥＰ１は、ＧＣＰを用いて（Ｂ）の誤差を取り除く処理である。また、ＳＴＥＰ２は、ＤＥＭを用いて（Ａ）の誤差を取り除く処理である。

次に、ＳＴＥＰ１（精密幾何補正処理）について、概要を説明する。ＳＴＥＰ１の目的は、ＳＴＥＰ２を行う前に、（Ｂ）の誤差を取り除いた地図座標とＳＡＲ画像１のファイル座標の関係を求めることである。

図６に、精密幾何補正の概要を示す。図中の点ＧはＧＣＰの位置を表し、点ＨはＧＣＰのフォアショートニング位置を表し、点Ｊは画像上のＧＣＰの位置（ライン、ピクセル）を表す。精密幾何補正は、点Ｇから点Ｈを算出し、点Ｈと点Ｊの関係から、地図座標をＳＡＲ画像１のファイル座標に変換する変換係数を算出する処理である。

図７は、ＳＴＥＰ１（精密幾何補正処理）のフローチャートである。ＳＴＥＰ１の各処理について、以下で説明する。

ＳＴＥＰ１−１では、地図データ等を用いてＧＣＰが取得可能な場合、ＳＴＥＰ１−２に進む。ＧＣＰが取得できない場合、ＳＴＥＰ２へ進む。

ＳＴＥＰ１−２では、ＧＣＰの設定を行う。まず、地図上のＧＣＰ位置（地図座標）と高度を設定する。次に、ＧＣＰの地図座標に対応するＳＡＲ画像１上でのＧＣＰ位置（ファイル座標）を読み取る。

ＳＴＥＰ１−３では、ＧＣＰの位置の地図座標からＧＣＰのフォアショートニング位置の地図座標を算出する。まず、ＧＣＰの地図座標を地球固定座標に変換し、ＧＣＰの位置の地球固定座標（図６の点Ｇ）を求める。その際、ＧＣＰの高度を考慮して変換する。次に、ＧＣＰの位置の地球固定座標（点Ｇ）からＧＣＰのフォアショートニング位置の地球固定座標（図６の点Ｈ）を算出する。最後に、ＧＣＰのフォアショートニング位置の地球固定座標（点Ｈ）を地図座標に変換し、ＧＣＰのフォアショートニング位置の地図座標を算出する。

ＳＴＥＰ１−２、ＳＴＥＰ１−３をすべてのＧＣＰについて実施する。

ＳＴＥＰ１−４では、ＧＣＰのフォアショートニング位置の地図座標と、ＧＣＰのＳＡＲ画像１上でのファイル座標（点Ｊ）の関係から、地図座標をＳＡＲ画像１のファイル座標に変換する変換係数を算出する。

ここで、ＧＣＰの点数に応じて、変換係数の算出方法を変更する。ＧＣＰ点数が３点未満の場合、平行移動による変換係数を算出する。ＧＣＰが３点以上の場合、アフィン変換による変換係数を算出する。以下では、i番目のＧＣＰのフォアショートニング位置の地図座標を(x_i , y_i )、i番目のＧＣＰのＳＡＲ画像１上でのファイル座標を(p_i , l_i )とする。

まず、ＧＣＰ点数が３点未満の場合の変換係数算出方法について、以下で説明する。場合、平行移動による変換係数を算出する。ピクセル方向及びライン方向における、地図座標からファイル座標への変換におけるスケールファクタをそれぞれ(f_p , f_l )とすると、変換式は数１で表される。

ここで、a₀, b₀ は、求めようとしている変換係数（地図座標をＳＡＲ画像１のファイル座標に変換する変換係数）である。最小二乗法により、a₀, b₀ を求める。

次に、ＧＣＰ点数が３点以上の場合の変換係数算出方法について、以下で説明する。
場合、アフィン変換による変換係数を算出する。アフィン変換による変換式は、数２で表される。

ここで、a₀〜a_２ , b₀〜b_２は、求めようとしている変換係数（地図座標をＳＡＲ画像１のファイル座標に変換する変換係数）である。最小二乗法により、a₀〜a_２ , b₀〜b_２を求める。

次に、ＳＴＥＰ２（フォアショートニング歪み補正処理）について、概要を説明する。
ＳＴＥＰ２では、ＤＥＭデータ３の高度を基に、オルソ補正画像７の各画素のフォアショートニング量を算出し、オルソ補正画像７の各画素に対応するＳＡＲ画像１の画素を求め、リサンプリングを行ってオルソ補正画像７の各画素の輝度値を求める。

ＳＴＥＰ２の処理時間を短縮するため、オルソ補正画像７の全点についてフォアショートニング位置算出は行わず、ブロックに分割した四隅の点（格子点と呼ぶ）のみフォアショートニング計算を行う。
フォアショートニング計算によって得られた格子点のオルソ補正画像７のファイル座標とＳＡＲ画像１のファイル座標との関係から、オルソ補正画像７のファイル座標からＳＡＲ画像１のファイル座標への擬似アフィン変換係数を求める。ブロック内の各点については、フォアショートニング計算は行わず、各ブロックの格子点から求めた変換係数を用いてオルソ補正画像７のファイル座標からＳＡＲ画像１のファイル座標に変換し、リサンプリングを行ってオルソ補正画像７の各画素の輝度値を求める。
なお、以下では、ＳＡＲ画像１のファイル座標のことを入力ファイル座標と呼び、オルソ補正画像７のファイル座標のことを出力ファイル座標と呼ぶことにする。

図８は、ＳＴＥＰ２（フォアショートニング歪み補正処理）のフローチャートである。ＳＴＥＰ２の各処理について、以下で説明する。

ＳＴＥＰ２−１では、オルソ補正画像７をブロックに分割し、格子点を算出する。図９は、格子点の算出処理の概要を示す図である。

分割するブロックサイズは、ＤＥＭのピクセルスペーシングと同じ値にする。これは、ブロックサイズがＤＥＭのピクセルスペーシングより大きくなると、算出した変換係数による座標変換の位置誤差が大きくなってしまうためである。

図１０に、ＳＴＥＰ２−２の概要を示す。ＳＴＥＰ２−２では、格子点の出力ファイル座標（点Ｆ）から格子点のフォアショートニング位置の入力ファイル座標（点Ｋ）を算出する。以下で、ＳＴＥＰ２−２の詳細を示す。

まず、格子点の出力ファイル座標（点Ｆ）を緯度経度に変換する。

次に、格子点の緯度経度における高度を、ＤＥＭデータをバイリニア補間して取得する。格子点の緯度経度と高度を、地球固定座標に変換し、格子点の地球固定座標（点Ｇ）を求める。

次に、格子点の地球固定座標（点Ｇ）から格子点のフォアショートニング位置の地球固定座標（点Ｈ）を算出する。

次に、格子点のフォアショートニング位置の地球固定座標（点Ｈ）を地図座標に変換し、格子点のフォアショートニング位置の地図座標を算出する。次に、格子点のフォアショートニング位置の地図座標をファイル座標に変換し、格子点のフォアショートニング位置の入力ファイル座標（点Ｋ）を算出する。
ここで、ＳＴＥＰ１−４で地図座標をＳＡＲ画像１のファイル座標に変換する変換係数を算出した場合はこれを使用し、算出しなかった場合は、ＳＡＲ画像１が保持している地図投影情報（ファイル座標と地図座標の変換係数）を使用する。

ＳＴＥＰ２−２を、すべての格子点について実施する。

図１１に、ＳＴＥＰ２−３の概要を示す。ＳＴＥＰ２−３では、ブロック四隅の格子点の出力ファイル座標（点F_１〜F_４）と、ブロック四隅の格子点のフォアショートニング位置の入力ファイル座標（点K_１〜K_４）との関係から、出力ファイル座標を入力ファイル座標に変換する変換係数を、ブロックごとに算出する。

変換方式は、擬似アフィン変換を使用する。これは、隣り合うブロックの境界でオルソ補正画像７が連続するようにするためである。

格子点の出力ファイル座標をF_i(p_i , l_i )、格子点のフォアショートニング位置の入力ファイル座標をK_i(P_i , L_i )とすると、F_i(p_i , l_i )をK_i(P_i , L_i )に変換する擬似アフィン変換は、数３で表される。

ここで、a₀〜a_３ , b₀〜b_３は、処理で求めようとしている擬似アフィン変換係数である。

ＳＴＥＰ２−４では、まずＳＴＥＰ２−３で算出した変換係数を使って、ブロック内のすべての点の出力ファイル座標から入力ファイル座標を算出する。次に、入力ファイル座標の輝度値をその点の周りからリサンプリングにより求め、ブロック内のすべての点の出力ファイル座標の輝度値（各画素の補正前の輝度値）を求める。

次に、ＳＡＲ画像１とオルソ補正画像７の画像全体の輝度値が保存するように、輝度値の補正を行う。オルソ補正画像７の各ブロックの面積をS_A、ＳＡＲ画像１の各ブロックの面積をS_Bとすると、各ブロックの輝度補正係数αは数４で表される。

各画素の補正前の輝度値Ｂorgに、各ブロックの輝度補正係数αを掛けて、各画素の補正後の輝度値Ｂcorを求める。

ＳＴＥＰ２−３、ＳＴＥＰ２−４を各ブロックについて実施し、オルソ補正画像７を作成する。

以上のとおり、従来、オルソ補正では、オルソ補正画像とＳＡＲ画像の対応関係を算出する際の計算処理量が多く、各格子点において、オルソ補正画像とＳＡＲ画像の対応関係を複数の基準面ごとに算出する必要があり、また、ＳＡＲ画像とオルソ補正画像を比較すると、画像全体の輝度値が保存されなかった。しかしながら、本実施の形態では、各格子点において、オルソ補正画像とＳＡＲ画像の対応関係の算出を１回に減らすことにより、処理時間の短縮を実現して、各画素の輝度の補正を行い、画像全体の輝度値を保存している。

実施の形態１によれば、各格子点での演算量を減らすことができ、処理時間の短縮を実現すると共に、輝度の補正を行い、画像全体の輝度値を保存することが可能となる。
また、撮像方式或いは再生方式に依存せず、任意の方式のＳＡＲ画像に適用することも可能である。

発明の実施の形態であるＳＡＲ画像のオルソ補正装置の全体構成図である。ＳＡＲのフォアショートニングの概念図である。精密幾何補正処理部の構成図である。フォアショートニング歪み補正処理部の構成図である。発明の実施の形態であるＳＡＲ画像のオルソ補正装置のフローチャートである。精密幾何補正処理の概要を示す図である。精密幾何補正処理のフローチャートである。フォアショートニング歪み補正処理のフローチャートである。格子点の算出処理の概要を示す図である。格子点のフォアショートニング位置算出処理の概要を示す図である。ブロックごとの変換係数算出処理の概要を示す図である。

符号の説明

１ＳＡＲ画像、２ＧＣＰデータ、３ＤＥＭデータ、
４地図座標からファイル座標への変換係数、５精密幾何補正処理部、
６フォアショートニング歪み補正処理部、７オルソ補正画像。

Claims

合成開口レーダによるＳＡＲ(Synthetic Aperture Radar)画像データ及び地図データ等から取得するＧＣＰ(Ground Control Point)データが取得可能な場合に、このＧＣＰの地図座標に対応する上記ＳＡＲ画像上のＧＣＰ位置を読み取りＧＣＰ設定情報を出力するＧＣＰ設定部と、このＳＡＲ画像、及びこのＧＣＰ設定情報を入力し、上記ＧＣＰのフォアショートニング位置の地図座標を出力するフォアショートニング位置算出部と、上記ＧＣＰのフォアショートニング位置の地図座標、及びＳＡＲ画像上のＧＣＰ位置のファイル座標から、上記地図座標をＳＡＲ画像のファイル座標に変換する変換係数を算出する変換係数算出部とを有し、上記ＧＣＰのデータを用いて上記地図座標からファイル座標への変換係数を算出する幾何補正処理部と、
上記ＳＡＲ画像、及び観測対象地域の標高データであるＤＥＭ(Digital Elevation Model)データを入力し、格子点の出力ファイル座標を算出する格子点算出部と、上記ＳＡＲ画像、上記ＤＥＭデータ、上記地図座標からファイル座標への変換係数、上記格子点の出力ファイル座標を入力し、格子点のフォアショートニング位置の入力ファイル座標を算出するフォアショートニング位置算出部と、この格子点の出力ファイル座標、及びこの格子点のフォアショートニング位置の入力ファイル座標を入力し、出力ファイル座標を入力ファイル座標に変換する変換係数を算出する変換係数算出部と、上記ＳＡＲ画像、及びこの出力ファイル座標を入力ファイル座標に変換する変換係数を入力し、上記出力ファイル座標から入力ファイル座標を算出し、入力ファイル座標の輝度値をリサンプリングにより求め、ＳＡＲ画像とオルソ補正画像の輝度値の補正を行い、オルソ補正画像を出力するリサンプリング処理部とを有し、上記ＤＥＭデータの高度を基に、オルソ補正画像の各画素のフォアショートニング量を算出するフォアショートニング歪み補正処理部と、
を備えたことを特徴とする合成開口レーダ画像のオルソ補正装置。
請求項１記載の合成開口レーダ画像のオルソ補正装置を用いたオルソ補正方法において、
オルソ補正画像を等間隔の格子でブロックに分割し、このブロックの各格子点において、オルソ補正画像とＳＡＲ画像の対応関係を算出し、各画素の輝度の補正を行ったことを特徴とする、合成開口レーダ画像のオルソ補正方法。