CN118011344B - 一种外部dem辅助的sar干涉定标方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种外部DEM辅助的SAR干涉定标方法,属于SAR干涉定标领域。所述方法包括如下步骤:利用SAR干涉主图像和SAR干涉辅图像生成实际干涉条纹图;根据距离多普勒方程,对外部DEM进行重采样,得到SAR干涉主图像坐标系下的高程图和查找表;利用干涉相位方程,计算模拟干涉条纹图;对实际干涉条纹图和模拟干涉条纹图去平地相位,得到实际地形相位图和模拟地形相位图;对实际地形相位图和模拟地形相位图进行匹配,得到同名点信息;对实际地形相位图进行相位展开,并加回去除的平地相位,得到解缠相位图;建立干涉敏感度误差方程,计算干涉定标参数。所述方法提升了对错误或低精度同名点的适应能力以及干涉定标精度。
Description
技术领域
本发明属于SAR干涉定标领域,具体涉及一种外部DEM辅助的SAR干涉定标方法。
背景技术
合成孔径雷达作为一种主动传感器,具有全天时、全天候的技术特点,干涉合成孔径雷达(Interferometric Synthetic Aperture Radar, InSAR)是利用合成孔径雷达对同一地区观测的两幅干涉图像,经过图像配准、干涉图生成、相位滤波、相位解缠、干涉定标、相高转换等一系列处理后,可获取地表的高程信息,生成数字高程模型(DigitalElevation Model, DEM),为自然资源监测、农业资源调查、林业资源调查、应急减灾等领域提供基础数据支撑,具有广泛的应用前景。
SAR干涉定标主要是对InSAR处理过程中的干涉关键参数进行标定,现有的干涉定标方法通常是需要外业布设一定数量的定标设备(如角反射器、有源定标器)作为地面控制点,建立干涉定标的敏感度方程,然后解算干涉定标参数。这种方法的定标精度高,但需要专业的定标设备,涉及大量的外业选点、定标设备布设等外业工作,耗费人力物力。随着机载遥感技术的发展,可以获取高精度DEM数据作为基础数据支撑。外部DEM辅助的干涉定标方法,采用外部DEM模拟干涉SAR图像,利用模拟图像和干涉SAR图像匹配获取同名点,然后基于同名点信息构建干涉定标方程,完成对干涉参数进行标定。然而,现有技术存在如下技术缺陷:(1)上述方法利用外部DEM模拟SAR图像,模拟SAR图像纹理信息少,在地形起伏缓慢等区域难以获取同名点,方法的地形场景适应能力差;(2)匹配过程中容易获取低精度或者错误的同名点,采用所有同名点进行干涉参数定标,会导致干涉定标参数精度降低,甚至难以获取高精度的干涉定标参数,方法的稳定性和可靠性较低。
发明内容
为解决上述技术问题,本发明提供了一种外部DEM辅助的SAR干涉定标方法,利用InSAR对地形的相位敏感性,通过模拟干涉条纹图来提高地形的纹理信息表达,利用模拟干涉条纹图和实际干涉条图匹配提高对地形的适应能力,获取较为稳定的同名点信息。
为达到上述目的,本发明采用的技术方案如下:
步骤1,利用SAR干涉主图像和SAR干涉辅图像生成实际干涉条纹图;
步骤2,根据距离多普勒方程,对外部DEM进行重采样,得到SAR干涉主图像坐标系下的高程图和查找表;
步骤3,根据SAR干涉主图像坐标系下的高程图和查找表以及SAR干涉主图像参数,利用干涉相位方程,计算模拟干涉条纹图;
步骤4,对实际干涉条纹图和模拟干涉条纹图进行去除平地相位操作,得到实际地形相位图和模拟地形相位图;
步骤5,对实际地形相位图和模拟地形相位图进行匹配,得到同名点信息;
步骤6,对实际地形相位图进行相位展开,并加回步骤4去除的平地相位,得到解缠相位图;
步骤7,基于同名点信息和解缠相位图建立干涉敏感度误差方程,利用随机抽样一致性检验方法计算干涉定标参数。
本发明的有益效果在于:
(1)本发明利用InSAR对地形的相位敏感性,通过模拟干涉条纹图来提高地形的纹理信息表达,利用模拟干涉条纹图和实际干涉条图匹配提高对地形的适应能力,获取较为稳定的同名点信息;
(2)本发明提升了的干涉定标处理的适应能力,通过随机抽样一致性检验方法提升了对错误或低精度同名点的适应能力,进而提升干涉定标精度。
附图说明
图1为本发明一种外部DEM辅助的SAR干涉定标方法流程图。
具体实施方式
下面结合具体的实施例及附图对本发明作进一步说明。
本发明提供一种外部DEM辅助的SAR干涉定标方法,所述方法包括:
步骤1,利用SAR干涉主图像和SAR干涉辅图像生成实际干涉条纹图;
步骤2,根据距离多普勒方程,对外部DEM进行重采样,得到SAR干涉主图像坐标系下的高程图和查找表;
步骤3,根据SAR干涉主图像坐标系下的高程图和查找表以及SAR干涉主图像参数,利用干涉相位方程,计算模拟干涉条纹图;
步骤4,对实际干涉条纹图和模拟干涉条纹图进行去除平地相位操作,得到实际地形相位图和模拟地形相位图;
步骤5,对实际地形相位图和模拟地形相位图进行匹配,得到同名点信息;
步骤6,对实际地形相位图进行相位展开,并加回步骤4去除的平地相位,得到解缠相位图;
步骤7,基于同名点信息和解缠相位图建立干涉敏感度误差方程,利用随机抽样一致性检验方法计算干涉定标参数。其流程图如图1所示,下面分别对每个步骤作详细解释如下。
步骤1,实际干涉条纹图生成
利用SAR干涉主图像和SAR干涉SAR辅图像进行配准,得到实际干涉条纹图。具体过程为:
步骤1.1,SAR干涉主图像和SAR干涉辅图像进行相干系数法配准,要求配准精度优于1/8个像元,并对SAR干涉辅图像进行重采样。
步骤1.2,SAR干涉主图像和配准重采样后的SAR干涉辅图像进行共轭相乘,得到实际干涉条纹图。
步骤2,DEM重采样
根据SAR干涉主图像参数,利用距离多普勒方程对DEM进行重采样,将DEM从地理坐标系重采样至图像坐标系,得到图像坐标系下的高程图。具体过程为:
步骤2.1,针对SAR干涉主图像上每个点,根据其图像坐标,计算其对应的平台位置、速度、斜距等参数信息;
步骤2.2,根据距离多普勒方程,计算SAR干涉主图像上每点对应的地理三维坐标。距离多普勒方程可表示为:
,
式中,表示斜距,/>表示多普勒中心,/>表示SAR平台在空间直角坐标系下的位置,/>表示SAR平台在空间直角坐标系下的速度,/>表示波长,/>表地球椭球的短半轴半径,/>表地球椭球的长半轴半径;
步骤2.3,对干涉图像每一个像元重复上述过程,得到SAR干涉主图像坐标系下的高程图及其对应的查找表,查找表中记录了干涉图像坐标系下每个点对应的地理平面坐标。
步骤3,干涉条纹图模拟
根据SAR干涉主图像的斜距、位置等参数信息,利用SAR干涉主图像坐标系下的高程图,计算模拟干涉条纹图,具体过程为:
步骤3.1,针对SAR干涉主图像上每一点,可以从参数中计算得到该点的斜距、多普勒中心/>,基线矢量/>、平台位置/>等信息;
步骤3.2,根据该点的图像坐标及其在高程图上的高程信息,利用距离多普勒方程可以计算该点地理坐标,得到该点的地理坐标;
步骤3.3,根据平台位置、地理坐标/>,可以得到该点的视向量矢量/>:
,
步骤3.4,利用基线矢量、视向量矢量可以计算该点的模拟绝对干涉相位:
,
式中,表示波长,/>表示干涉工作模式,工作模式为自发自收时,取值为2;工作模式为一发双收时,取值为1,/>表示取模;
步骤3.5,模拟绝对干涉相位对/>进行取余操作,得到该点缠绕后的模拟干涉相位/>;
步骤3.6,对干涉主图像上每一点重复上述操作,得到模拟干涉条纹图。
步骤4,去平地相位
得到的模拟干涉条纹图和实际干涉条纹图均包括地形相位和平地相位,两个干涉条纹图均需要去除平地相位,得到模拟地形相位图和实际地形相位图。具体过程为:
步骤4.1,针对干涉条纹图像上每一点,其高程值设置为0时,利用距离多普勒方程可以计算该点的地理坐标,得到该点的地理坐标;
步骤4.2,利用平台位置、基线矢量/>以及地理坐标/>,可以计算该点的平地相位/>,计算公式为:
,
步骤4.3,对干涉条纹图像上每一点,重复上述操作,得到平地相位图;
步骤4.4,最后模拟干涉条纹图和实际干涉条纹图分别减去平地相位图,然后再对进行取余操作,得到去平地相位后的实际地形相位图/>和模拟地形相位图/>,计算公式为:
,
式中,表示实际干涉条纹图对应点的干涉相位,/>表示对/>取余操作。
步骤5,干涉条纹匹配
利用实际地形相位图和模拟地形相位图进行匹配,得到同名点。然后高程图和查找表,可以得到同名点的地理三维坐标。具体过程为:
步骤5.1,利用SAR尺度不变特征算法在实际地形相位图和模拟地形相位图中进行特征匹配,得到同名点,同名点的数量不少于5个;
步骤5.2,根据同名点在模拟地形相位图的图像坐标,在查找表中可以得到对应的地理平面坐标,在高程图中可以得到对应的高程。至此,得到同名点在实际地形相位图的图像坐标及其对应的地理三维坐标。
步骤6,相位解缠
通过对实际地形相位图进行相位展开,恢复被缠绕的地形相位,然后再加步骤4得到的平地相位,得到最终的解缠相位图,具体过程为:
步骤6.1,采用最小费用流方法对实际地形相位图进行解缠处理,将实际地形相位图相位进行展开,得到展开后的相位图;
步骤6.2,展开后相位图需要加上去平地相位步骤去除的平地相位,得到最终的解缠相位图/>。
步骤7,干涉定标参数解算
根据SAR干涉图像参数、同名点的图像坐标和地理三维坐标、解缠相位图,建立干涉敏感度误差方程,采用随机抽样一致性检验方法,可以计算干涉定标参数,具体过程为:
步骤7.1,利用同名点的图像坐标可以从SAR干涉主图像和干涉辅图像参数中得到对应的平台位置,根据平台位置可以计算基线长度、基线倾角等参数初值,绝对相位初值可以根据同名点的图像坐标在解缠相位图中读取;
步骤7.2,确定干涉定标待标定的参数为:基线长度修正量、基线倾角修正量和绝对相位修正量/>。干涉敏感度误差方程可表示为:
,
式中,表示同名点在空间直角坐标系下的地理三维坐标,/>表示同名点对应方位时刻的平台位置在空间直角坐标系下的三维坐标,/>表示斜距,表示单位视向量在空间直角坐标系下的三维坐标;
其中,单位视向量又可以表示为:
,
式中,表示速度矢量。
其中,单位视向量与基线矢量的关系可以进一步展开为:
,
式中,表示基线矢量的模,/>表示同名点在解缠相位图上的相位;
至此,建立了干涉敏感度误差方程与基线长度、基线倾角和绝对相位的关系;
步骤7.3,设定随机抽样一致性检验方法的干涉定标误差阈值、最大循环迭代次数num和预期内点概率/>;
步骤7.4,在同名点中随机选取m个同名点,建立干涉敏感度方程的误差方程,如下所示:
,
其中,
,
式中,表示第i个同名点干涉敏感度方程的误差,/>表示第i个同名点对基线长度的导数,/>表示第i个同名点对基线倾角的导数,/>表示第i个同名点对绝对干涉相位的导数,/>表示第i个同名点对基线长度的导数, />表示同名点数量。表示基线长度的修正量,/>表示基线倾角的修正量,/>表示解缠相位的修正量;
步骤7.5,根据最小二乘准则,可解算干涉定标修正参数;
步骤7.6,利用解算的干涉定标参数,计算所有同名点的误差,满足设定阈值的同名点数量记录为K;若循环次数大于num,或者/>,继续下一步,否则,回到步骤7.4;
步骤7.7,迭代结束后计算的干涉定标参数作为最终解算的干涉定标参数。
以上所述的具体实施例,对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明,应理解的是,以上所述仅为本发明的具体实施例而已,并不用于限制本发明,凡在本发明的精神和原则之内,所做的任何修改、等同替换、改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (4)
1.一种外部DEM辅助的SAR干涉定标方法,其特征在于,包括如下步骤:
步骤1,利用SAR干涉主图像和SAR干涉辅图像生成实际干涉条纹图;
步骤2,根据距离多普勒方程,对外部DEM进行重采样,得到SAR干涉主图像坐标系下的高程图和查找表;
步骤3,根据SAR干涉主图像坐标系下的高程图和查找表以及SAR干涉主图像参数,利用干涉相位方程,计算模拟干涉条纹图;
步骤4,对实际干涉条纹图和模拟干涉条纹图进行去除平地相位操作,得到实际地形相位图和模拟地形相位图;
步骤5,对实际地形相位图和模拟地形相位图进行匹配,得到同名点信息;
步骤6,对实际地形相位图进行相位展开,并加回步骤4去除的平地相位,得到解缠相位图;
步骤7,基于同名点信息和解缠相位图建立干涉敏感度误差方程,利用随机抽样一致性检验方法计算干涉定标参数;
所述步骤7包括:
步骤7.1,利用同名点信息从SAR干涉主图像和SAR干涉辅图像参数中得到对应的平台位置,根据平台位置计算基线长度、基线倾角和绝对干涉相位的干涉定标参数初值;
步骤7.2,确定干涉定标待标定的参数为:基线长度修正量、基线倾角修正量/>和绝对干涉相位修正量/>,干涉敏感度误差方程表示为:
,
式中,表示同名点在空间直角坐标系下的地理三维坐标,/>表示同名点对应方位时刻的平台位置在空间直角坐标系下的三维坐标,/>表示斜距,/>表示单位视向量在空间直角坐标系下的三维坐标;
其中,单位视向量与基线矢量/>的关系表示为:
,
式中,表示基线矢量的模,/>表示解缠相位,/>表示波长,/>表示干涉工作模式,工作模式为自发自收时,取值为2,工作模式为一发双收时,取值为1;
步骤7.3,设定随机抽样一致性检验方法的干涉定标误差阈值、最大循环迭代次数num和预期内点概率/>;
步骤7.4,在同名点中随机选取m个同名点,建立干涉敏感度方程的误差方程,如下所示:
,
其中,
,/>,/>,/>,
式中,表示第i个同名点干涉敏感度方程的误差,/>表示第i个同名点对基线长度的导数,/>表示第i个同名点对基线倾角的导数,/>表示第i个同名点对绝对干涉相位的导数,/>表示第i个同名点对基线长度的导数,/>表示同名点数量;
步骤7.5,根据最小二乘准则,解算干涉定标修正参数;
步骤7.6,利用解算的干涉定标参数,计算所有同名点的误差,满足干涉定标误差阈值的同名点数量记录为K;若循环次数大于num,或者/>,继续下一步,否则,回到步骤7.4;
步骤7.7,迭代结束后计算的干涉定标参数作为最终解算的干涉定标参数。
2.根据权利要求1所述的一种外部DEM辅助的SAR干涉定标方法,其特征在于,所述步骤1包括,利用SAR干涉主图像和SAR干涉辅图像进行相干系数法配准,配准精度优于1/8个像元,对SAR干涉辅图像进行重采样,SAR干涉主图像和配准重采样后的SAR干涉辅图像进行共轭相乘,得到实际干涉条纹图。
3.根据权利要求2所述的一种外部DEM辅助的SAR干涉定标方法,其特征在于,所述步骤3包括:
步骤3.1,根据SAR干涉主图像的斜距、位置参数信息、高程图和查找表,利用干涉相位方程,计算得到模拟绝对干涉相位图;
步骤3.2,将模拟绝对干涉相位图的每一点对进行取余操作,得到模拟干涉条纹图。
4.根据权利要求3所述的一种外部DEM辅助的SAR干涉定标方法,其特征在于,所述步骤5包括:
步骤5.1,利用SAR尺度不变特征算法在实际地形相位图和模拟地形相位图中进行特征匹配,得到同名点,同名点的数量不小于5个;
步骤5.2,根据同名点在模拟地形相位图的图像坐标,在查找表中得到对应的地理平面坐标,在高程图中得到对应的高程值,根据得到的地理平面坐标和高程值获得同名点信息,所述同名点信息包括同名点在实际地形相位图的图像坐标及其对应的地理三维坐标。
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Interferometric Calibration Based on a Constrained Evolutionary Algorithm without Ground Control Points for a Tiangong-2 Interferometric Imaging Radar Altimeter;Li Lanyu;Remote Sensing;20230930;第15卷(第4789期);第1-19页 * |
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PB01 | Publication | ||
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GR01 | Patent grant | ||
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