基于InSAR复数影像配准方法研究综述_唐固城.pdf

第 卷 第 期 年 月 北京测绘 引文格式：唐固城，谢丽芳，刘烜 基于 复数影像配准方法研究综述 北京测绘，（）：，（）：收稿日期 基金项目 浙江省自然资源厅科技项目（）作者简介 唐固城（），男，安徽安庆人，硕士，工程师，从事 图像处理，工程测量及管线建模工作。：通信作者 谢丽芳，：基于 复数影像配准方法研究综述唐固城，谢丽芳 刘 烜（浙江省测绘科学技术研究院，浙江 杭州；浙江省国土勘测规划有限公司，浙江 杭州）摘 要 随着合成孔径雷达（）影像数据源增多和数据质量的提高，合成孔径雷达干涉测量（）技术的使用相继得到快速发展，复数影像配准作为影像干涉处理最重要的步骤逐渐成为一个重要的研究课题。本文以 影像振幅、相位、灰度值为核心信息，对现有的研究方法进行了归类，从控制点选取优化、影像几何关系特征及深度学习三方面总结了配准方法的研究发展现状；对各类研究方法优势和局限性进行对比分析，论述了当前关于 影像配准存在的主要问题，并对该领域未来研究方向进行展望。关键词 合成孔径雷达干涉测量；影像配准；控制点；影像特征；深度学习中图分类号 文献标识码 文章编号（）引言合成孔径雷达干涉测量（，）是一种主动式的微波遥感系统，因拥有全天候、全天时，并能大面积获取数据的特性，近年来已在地表变形监测及数字高程模型（，）等领域中得到充分应用。目前合成孔径雷达（，）干涉处理技术已趋于成熟，主要流程主要包括影像配准、干涉图生成、去平地效应、相位解缠以及地理编码等步骤。而 复数影像配准是合成孔径雷达干涉技术的首要步骤之一，它的配准精度是直接影响干涉图的生成质量以及最终成果精度与可靠性。研究表明，配准误差精度一般要求达到 以下像素才对后期干涉图的质量无明显的影响。配准是解决影像之间内容不一致的问题，由于获取两张影像时的卫星观测状态不一致导致相同影像坐标对应的地物目标点有差异。雷达影像不同于光学影像，它受斑点噪声的影响较光学影像严重而导致实现高精度的配准较难；因 影像数据为单视复数，数据中除了幅度信息外，还包含有相位信息，重复轨道模式下获取的影像相对位置随着轨道位置的变化而变化，也导致配准的工作难度加大。为了克服噪声对配准结果的影响，实现高精度的配准结果，近年来许多国内外学者针对 复数影像配准这一领域相继提出了相关方法，如黄其欢等提出了方差因子检验和 数据探测法剔除粗差控制点方法，提出基于 算法的控制点选取配准法，基于 图的 影像控制点配准算法，陈华提出了基于尺度不变特 征 变 换（，）和 随 机 抽 样 一 致 性（，）配准法，提出的基于 图像几何特征点信息的 图像配准方法，提出一种基于类尺度不变特征变换的 复图像配准算法，李彦锋提出了基北京测绘第 卷 第 期于端到端网络的 图像配准方法，该方法通过分析单阶段预训练网络的优势进一步改进单阶段深度学习方法；张娇娇提出了基于改进 和深度学习的 图像配准方法等。由此可见；对于配准方法的相关研究可归结为主要围绕控制点选取优化、影像几何关系特征及深度学习三个方面。本文以 影像振幅、相位、灰度值为核心信息，从控制点选取优化、几何影像特征及基于深度学习三方面总结配准方法的优缺点，并对该领域未来研究方向进行展望。影像配准基本原理获取的影像除了可以从同一传感器上在不同的时间或者从不同的角度获取，还来自不同的传感器系统。由于获取的雷达影像为复影像，可用公式表示为（）雷达影像的配准是将同一目标地区的两幅或多幅影像在空间位置上实现最佳套合。其原理是利用两个信号相关函数，通过某种相似度准则来评价两幅影像之间的相似度。其一般步骤如图 所示。图 影像配准步骤控制点选取核心在两幅及以上影像之间准确选取具有相同性质的同名点，以它作为配准的基础，不同的传感器及不同时段获取影像的几何、物理等特性也不尽相同，因而匹配的方法也有差异。确定了影像之间的同名点后，需要对影响对之间的位置进行几何变换，一般采用的模型为多项式，已知一组同名点，辅影像坐标为，()，主影像相对应坐标为，()，其多项式可表示为|（）式中，为多项式阶数；、为待定系数，一般采用最小二乘法求解各项系数。当影像完成相对纠正后，需要对辅影像进行灰度重采样，得到经配准后的新影像，一般采用双线性内插法或三次样条内插法。综合而言，配准影像对之间的关键点可归纳为两个方面，一是根据干涉成像的卫星观测几何特征推算斜距投影坐标下影像对之间的几何变换特性；另一是基于 影像的特征信息，利用适宜的方法快速而准确地选取控制点。控制点选取优化方法控制点的选取对于影像的正确配准有着至关重要的作用，相干性系数法是经典的配准方法之一，它充分利用了影像中包含的相位及振幅信息在主影像中以待匹配的点为中心取一定大小窗口，在辅影像中一定范围内搜索，计算窗口内的相干系数值，最大即为最佳匹配点。由于相干性系数难以准确获取，等提出了基于信噪比的最大干涉频谱法，该方法充分利用了影像的相位信息，当影像之间的干涉图质量达到最佳即为最佳的配准。而平均波动函数法是以同名点领域内相位差变化的一致性作为判断准则。此外还有相关系数法，最小二乘匹配法，这些方法都在于准确寻找出合适的控制点，它们的特点如表 所示。表 传统配准法方法 影像信息特点相干系数法相位值振幅信息精确值有待于精确配准，需反复迭代计算平均波动函数法相位值在噪声高、相干性低区域，波动函数值变化小，灵敏度较低最大干涉频谱法相位值振幅信息克服 影像中与频率域有关噪声，但对于山地叠掩、阴影较多区域效果较差第 卷 第 期唐固城，谢丽芳，刘烜 基于 复数影像配准方法研究综述续表方法 影像信息特点相关系数法灰度值振幅信息无须计算干涉相位，但配准精度不高，易受随机噪声影响，产生多个峰值最小二乘匹配法相位值利用相位信息进行计算时对初始值要求严格，计算量较大 基于传统方法改进在单点匹配的传统方法中，部分匹配测度是在一个相对较小区域内计算的估计值，也未充分利用影像中所包含的强度信息，对于传统单点匹配方法存在的不足，不少学者提出了多级配准方法。卢丽君利用相关系数与最大干涉频谱相结合的多级配准算法，并针对较大范围影像数据处理引入了并行处理方案，利用三峡地区实验结果表明经过粗、精配准后，中误差由.降为.。该方法较传统的单点匹配在一定程度上提高了计算的效率及精度因素。汪鲁才基于最大频谱法中引入相关匹配函数法，利用相关匹配实现粗配准，并对控制点值进行内插，再利用最大频谱图像配准实现亚像素精配准，通过喀什地区实验结果表明随着相关系数值越大，相关精配准与最大频谱精配准处理结果中像素点数也在减少。该方法较最大干涉频谱法有较高的计算效率。张宗营利用相关系数法与重采样相结合的多级配准策略，并利用西藏那曲市实验结果表明，控制点对应关系数均值从粗配准的.提高到.，影像试验表明了多级配准方法在精度及可靠性方面的优势。提出一种基于最小二乘法（）的联合配准法，该方法利用具有小空间和时间基线的图像对求解估计影像偏移，采用 三角剖分方法进行连接，根据基于最小二乘法估计的图像位移对所有辅图像进行重采样。传统配准方法对于 观测时轨道不平行影像配准结果无法达到最优，在相干系数法的基础上结合 变换函数，一定程度上解决了存在夹角的 影像之间的配准问题。为克服常规 影像配准中由于离散窗口移动搜索导致配准误差而致使相干性损失的问题，程海琴提出利用卫星轨道状态矢量与 定位模型进行影像粗配准点，利用基于相干窗口进行像素级配准和基于相干曲面移动拟合的精配准方法，通过选取平原及山地区域进行试验，结果表明影像相干性均约有 的提高，同名点的影像配准精度达到了（.）像素。鉴于大场景影像中不同区域偏移量及变化规律差异较大，传统最大相干系数配准方法再处理时需分块及插值处理，面临计算量大且配准精度低等问题，韦顺军提出一种基于离散傅里叶变化模型的大场景 高效高精度图像配准算法。利用基于最小均方差准则构建配准的 模型，采用四叉树自适应分块及矩阵相乘 快速重采样配准方法，实现大场景影像各子块区域的高效高精度亚像素配准。通过富士山区域实验表明与传统的 分块方法相比，该方法在残差点数、相干系数均值及相位梯度均值三个指标上较之分别减少 个、增加.、减少.。基于粗差控制点剔除改进针对 影像易受噪声干扰导致在寻找最佳同名点的过程中出现多个错误极值的情况，有少数匹配结果不在合理范围内，相关学者在控制点选取可靠性及效率方面提出了不同的方法。使用 算子进行配准点自动检测，提高了配准点数量并改善了其空间分布；王孝青从矩阵相似度的角度分析干涉影像对之间的相关性，给出了一种加权相似度度量，并提出了检测和剔除噪声干扰原理和方法，提高了配准精度和可靠性。意大利学者 提出的利用地面控制点方法计算两个方向上的时间参数，但对于较大的数据进行选择时较难实现高精度配准，刘广对 提出的基于地面控制点计算时间参数的配准方法进行改进，在此基础上提出了一种主动获取方向与距离向的时间常数的配准法，但该方法需要精确的轨道数据和大量的控制点来实现。针对低相干、低信噪比区域出现错误匹配，孙增辉在基于信噪比的基础上针对控制点的正确选取方面，提出了利用总体方差检验和趋势面参数模型粗差诊断法实现控制点粗差检测及剔除，提高了影像之间的配准精度。实验表明，经过粗差剔除后，方位向最大残差.像素降到.，距离向最大残差.像素降到北京测绘第 卷 第 期.像素。提出了一种基于 相干变化检测的有效地理配准方法。该方法通过计算地面控制点（，）周围的张性子图像的互相关和周围子图像的强度互相关值，从而获得距离和方位偏移量值。除此之外，王邦松采用 图方法对影像中特征点进行进一步优选，通过与传统的方法（如最大频谱法等）相比较，经粗差剔除后匹配点间成功率达。基于影像几何关系特征方法基于特征的影像配准方法，也是影像配准常用的方法之一。该方法从不同影像中提取具有代表性和相似的特征量，经常用到的影像边缘、轮廓及结构特征等。基于特征的影像匹配方法一定程度上压缩了影像的信息量，使得减少了计算量，并对影像的灰度具有较好的鲁棒性。基于影像特征信息改进边缘信息是影像常见的结构特征，也是 影像中重要的信息之一，单一的边缘检测方法实现 影像的配准精度不足以满足要求，因此学者提出了联合边缘信息与其他方法相结合。张泽昆提出了一种基于边缘和纹理特征相结合的图像配准方法，它以边缘和纹理作为基本特征，通过纹理特征的提取对经边缘特征提取后的影像进行修正来提高配准精度。提出基于频谱差别的配准方法，该方法以 影像为模型，不需地面控制点，然后利用相位与配准偏移量的关系得到偏移值。刘宝泉通过边缘检测和模板相关提取特征点，建立点的对应关系，然后利用两步法完成复图像的亚像元级配准，具有较高的配准精度，实验结果较基于区域特征方法，该算法均方根误差与之相比减少了.，表明基于点特征的全自动配准方法有较高的精度。算法是一种基于特征点匹配算法，该方法在影像缩放、旋转等变换下能保持较好的配准效果，因而被应用于 影像配准。喻小东等提出了基于 算法的配准方法，该方法采用分块方式提高影像匹配效率，通过设定阈值减少配准误差点，并通过 火山地区实验分析可知，相较基于相干系数法，均方根误差（，）由.降到.。提出了一种新的合成孔径雷达图像配准方法，包括两个用于特征检测的算子 和 用于检测 图像中的角点和纹理点和用于特征匹配的树状网络匹配（），该方法的优点是能同时保留 图像中的两种特征信息，该算法将特征约束与特征点之间的空间关系结合起来，具有更多的匹配对和更高的亚像素匹配精度。实验结果表明，相比 方法，该算法 降低了.，（残差距离大于.像素百分比）降低了.。算法因不需要额外的信息（如轨道参数），直接根据幅度获取较为精确的偏移多项式，但该方法中使用的特征向量依赖与主方向，如果影像中无明显的纹理信息，该方法配准精度难以保证。除边缘信息外，影像还有纹理、振幅等特征信息。焦明连等提出了一种充分利用复数影像中幅度分量所包含的信息进行多种匹配的方法，该方法可确保匹配结果的精度达.个像素以上。技术所获取的影像除复数影像外，其辅助数据里包含卫星传感参数、遥感平台过程中位置矢量及相对应的时间参数、影像四角和中心地理坐标等信息，汤晓涛提出了一