基于合成孔径雷达传感器的不...则建筑物高程反演方法的实现_任云晖.pdf

第 卷 第 期 年 月电 子 器 件 .收稿日期：修改日期：（，）：，；，：；：基于合成孔径雷达传感器的不规则建筑物高程反演方法的实现任云晖（江海职业技术学院电子信息学院，江苏 扬州）摘 要：针对城镇化复杂体高层建筑物反演方法的优化问题，提出干涉合成孔径雷达传感器复杂图像对仿真方法，优化多基线高程反演过程。根据干涉合成孔径雷达传感器的几何关系，获取所需要的数字三维高程图，最后与实测数据对比分析，验证此方法的有效性。仿真实验与机载 系统录入城市实测数据进行对比分析，结果表明：仿真结果与复杂体建筑物实际数据相符，验证此仿真方法的准确性与高效性；优化后高程反演结果更优，误差精度达到 。关键词：合成孔径雷达；不规则体高层建筑成像；仿真方法；传感器；高程反演中图分类号：文献标识码：文章编号：（）随着城镇化的推进，导致城区土地资源匮乏，超高层不规则复杂体建筑不断增加，针对复杂体建筑物高度、规模与分布等信息的统计，既有助于估算人口密度，又能够实时监测城镇变化，对于完善城区地理信息库和数字化城市建设有重要作用。传统干涉（，）技术由于受到外界因素的影响（噪声、空间时间去相干、复图像配准误差等等），相位解缠结果精度达不到 成像要求。因此，优化相位解缠过程，有效获得 系统各项参数、相位解缠得到的干涉相位的数据，是为干涉 高精度高程反演过程提供充分数据的必要条件。城区不规则复杂体高层建筑反演重构急需突破难题，高分辨 技术在建立投影模型和参数重建方面非常有优势。传统 图像处理方法是通过滤波方式，恢复目标区域部分三维数据，但相位解缠结果精准度较低。多基线干涉 技术的出现，大大降低相位解缠难度，减少噪声，但多基线 数据获取困难。等首次提出将同一目标获得的多个图像同时进行相位展开，结合两个 图像中的信息，大幅度提高相位解缠精准度。年，等利用多基线干涉 系统获得多组目标区域成像数据，采用的（，）方法抗噪性能明显优于传统算法。年，唐洪城基于 解缠算法，以低分辨率 作为先验条件，提出 相位解缠算法，有效降低噪音影响，提高 精确度。针对目前 图像仿真方法无法高效率高质量提供大量 数电 子 器 件第 卷据的现状，等提出利用后向射线追踪模拟雷达反射率图的方法，设计 图像模拟仿真软件（），结合 等编写的 系统，利用 平台进行编写，并与真实 图像进行比较分析，与真实图像相似度高。年，钱满等利用 图像和仿真过程中存在的相干噪声合成仿真 图像，在噪声存在条件下，采用光学图像仿真的方法，该仿真方法不仅去噪效果好，而且仿真 图像的效率高。同年，张建龙等针对多个 图像动态变化，提出一种基于多尺度空间的检测方法，与其他方法相比检测率更高。虽然 图像仿真取得阶段性进展，但仿真系统的精准度还有待进一步提高。以高层建筑参数化解析和构建反演重构模型为研究重点，优化凸优化模型约束 图像复杂体高层建筑物反演方法。根据干涉 中的几何关系，计算出每一个像素点的高程值，从而获得复杂体建筑目标三维高程图。采用合适的三维投影算法就得到可供使用的复杂体三维立体图像，最后结合实测数据对方法有效性进行验证。凸优化三维成像仿真方法 仿真方法近年来，随着城镇化推进，超高层不规则复杂体建筑不断巨增，导致 成像过程中建筑区域出现大量叠掩、阴影区域，图像进一步处理困难，同时又由于噪声和旁瓣效应影响，导致数据显示不完整。针对上述问题，提出面向复杂体建筑物目标成像的仿真方法，首先建立复杂体建筑物目标三维模型和设定 成像系统参数，使用射线追踪方法获得建筑物目标后向散射点具体位置信息，同时也可以计算出射线的散射次数，再结合采集的目标成像几何参数，得到主辅图像真实三维几何数据。仿真流程如图 所示。具体步骤如下：如图 所示，根据雷达分布范围（，）和射线分辨率（，）确定起点和在方位向、距离向上的数量为（）式中：目标散射强度的数据与平行四边形表面参数和雷达发射射线的入射角有关。如图 所示，在复杂体建筑物目标区域中，斜距为、方位位置为 记作 点，并将其投影到主图像上，标记为（，）。从 到辅助雷达的距离为，将其映射到辅助图像上，标记为（，）。主辅图 仿真流程图 三维图像几何设定图 散射点投影几何关系图像的 点信号分别表示为：（，）（）（，）（）式中：、为主辅图像散射系数幅度值，、为主辅图像的相位噪声值。主辅图像共轭相乘：（，）（，）（）由此可见，该方法在仿真过程中，考虑多次散第 期任云晖：基于合成孔径雷达传感器的不规则建筑物高程反演方法的实现 射，与文献中已经提出的直接仿真相位图的方法相比，能够更逼真地反映出复杂体高层建筑物真实情况。同时，由于仿真时将散射点投影至斜距方位平面，可以通过统计同一像素上不断投影的散射点数量，进而得到叠掩成分数目图，可以为复杂体高层建筑目标图像叠掩、阴影区域检测提供大量的仿真实验数据，为复杂体高层建筑目标三维重构方法研究提供真实的数据支撑。叠掩区域仿真模型由于噪声影响，实际仿真系统得到的干涉相位值并不是与真实区域高度相关的干涉相位，其实际概率密度函数应该表示为：（；）（）（）（）（）（）（）|（）|（）（）（）（）（）（）（）（）式中：是存在有一定噪声的干涉相位，是相干系数，是多视视数，（）是 函数，（）。假设其处于单视状态下，则其公式变为：（；）（）（）（）（）|（）设干涉相位噪声，通过式（）和式（）则可获得相位噪声的概率密度函数（；，），因此依照这个概率密度函数就可以产生对应的相位噪声。由于高层建筑过于复杂，导致仿真过程中出现大量叠掩区域，这些区域中不同的目标在散射时会产生噪声干涉。针对叠掩区域建筑物目标，将斜距处于同一个分辨单元内的目标，带噪声干涉相位以相干系数为权，进行加权叠加，按以下公式进行计算，获得同一斜距分辨单元上的叠掩带噪声干涉相位：（，）（）（）()（）式中：（，）为第 个干涉通道在斜距为、方位向距离为 的斜距分辨单元上的叠掩带噪声干涉相位，（）表示某个分辨单元中第 个目标点在第 个干涉通道中对应的相干系数；（）表示某个重叠分辨单元中第 个目标点带噪声干涉相位值；表示自然对数的底；表示虚数单位；表示某个分辨单元的重叠目标点的数量。多基线 高精度高程反演方法获得的 图像由于受外界环境因素的影响，例如噪声、叠掩、阴影等等，导致干涉相位图中出现过多孤立奇异点，展开相位结果精准度低。而高程重建相位解缠的本质是在存在不连续点的相位场中求解一致且精确的展开相位值，其展开结果直接影响最终高程重建的效果。如图 所示，由三个天线系统形成基线 和。在目标建筑 图像上，点 投影到地面的 点，由于两天线 和 接收回波信号过程中，存在距离差，进而导致相位差 的出现。如式（）所示，相位缠绕在，或，之间，目标复杂体高层建筑物的高程信息是通过绝对干涉相位进行高程反演获取的，通过展开缠绕干涉相位值，就能计算出相位模糊数：图 干涉 测高几何模型（）|（）式（）和式（）中，变量、及 分别为复杂体高层建筑缠绕高度相位、绝对高度相位以及高程值，为式（）中定义的 高程模糊度，表示对 取模操作，表示向下取整。不同基线干涉相位和高程值计算公式计算如下：，（，），（，），（）城市场景下高层建筑目标点的高程信息与真实相位差之间存在一定数学关系。将两幅或多幅 图像进行共轭相乘，然后提取目标点相位信电 子 器 件第 卷息，进而求得点目标 绝对干涉相位值，如下式：，（）式中：表示点 与主副天线之间产生的距离差；表示此时雷达系统处于单发多收模式，主天线即可发射信号又可接收信号，但其余天线只能接收信号，表示此时雷达系统处于自发自收模式的工作状态。观察 图 中 的 三 角 形 和 四 边 形，可以获得以下关于角 的余弦式（）以及 点高程反演式（）：，（）（），（）（）式中：表示基线 与天线 照射点目标 的视线方向的夹角；是天线 距成像场景所在平面的高度，且（）；为天线 照射点目标 的视线角，可由角 和角 进行联合表示：（）式中：定义为基线倾角，表示基线 和水平线的夹角。多基线干涉 技术利用三幅或多幅目标建筑 图像，生成多幅图像，借助干涉 图像中的几何关系，突破单基线干涉相位解缠条件的限制，有效提高干涉相位解缠的精准度。最后结合相位解缠最后的结果，以及基线与天线在目标点 视线方向上的夹角、雷达位置、斜距，根据式（），获得目标点建筑物各个位置的三维信息。图 仿真结果分析 实验结果分析观察区为扬州经济技术开发区，数据采集时间为 年 月到 年 月，像元规格为 ，入射角为。该系统在 波段工作，能够以 的物理基线实现单航过干涉测量。目标建筑物类似“”形，图（）为光学图像。在本次仿真中，以地心为中心的 成像变成以北天东坐标系（）坐标原点为参考点。通过进行实地考察测量得知，该地形高程为 。在 成像结果中，目标中心的经纬度为（，），将此点作为模拟过程中坐标系原点。仿真过程中采用的模型信息基于 的光学图像和现场实时测量，如图（）所示，复杂体高层建筑标记为 与。三维重构成像仿真结果分析在获得 系统各项参数以及相位解缠得到的干涉相位的情况下，根据干涉 图像的几何关系，计算出每一个像素点的高程值，从而获取所需要的数字三维高程图。再通过几何畸变校正和地理编码，采用合适的三维投影算法就可以得到可供使用的三维立体影像。本文三维重建仿真方法与文献进行对比分析，采用文献方法进行三次仿真，结果如图（）所示。仿真结果表明，该仿真方法可以反映出干涉条纹随着复杂体建筑物的基线长度变化而变化的随时性。模拟基线取极限值时的状态，该仿真方法产生的干涉相位图中未出现干涉条纹，而且仿真干涉相位图的仿真值与理论值保持相似状态。但采用文献中的方法，仿真实验中，由于多个散射点之间不存在数学关系，获得的干涉相位出现偏差。而采用三维重构方法最终结果与真实相位接近，如图（）所示，仿真得出的三维成像中的几何结构与 图像保持一致，证明仿真方法的高效性与准确性。第 期任云晖：基于合成孔径雷达传感器的不规则建筑物高程反演方法的实现 高程反演结果分析由于 的高程数据融合了多种数据源，具有很高的高程精度，因此选择 中目标建筑高程数据作为实际高程值，如图 所示。复杂体高层目标建筑高程反演结果与 中读取的高程值进行对比分析，结果如表 所示。通过实际数据，计算优化前建筑目标高度和仿真重建高度产生的相对高程差，与 结果对比产生的误差，优化高程反演过程后的误差值为 （），精度达到。文献中高程反演过程产生的误差值为 。对比结果分析，高程反演结果精确度明显提高。图 高程反演结果表 复杂体高层建筑物高精度反演结果三维模型仿真图像 第 座 第 座 相对高程差 结语本文在多基线干涉 技术的基础上，研究了复杂体建筑物 仿真方法与高精度高程反演方法，优化多基线相位解缠过程。通过分析实验结果可以得出以下结论。构建复杂体建筑 仿真系统，通过获得目标干涉相位图，进而分析仿真过程中多散射体影响过程，从而采取措施解决叠掩区域成像问题。优化高程反演过程中相位解缠的处理方法，提高其精确度，进而提高高程反演结果准确度。最后将仿真实验测得的数据与机栽 系统实际录取的数据进行详细对比分析，验证系统采用的仿真方法具有优异的高效性与准确度。进而为城市遥感应用提供研究基础，为城区建筑遥感探测应用提供新的理论和方法支持。参考文献：张同同，杨红磊，李东明，等 影像中叠掩与阴影区域的识别 以湖北巴东为例 测绘通报，（）：，（）：，（）：，：，：高延东 面向高精度 的 关键处理技术研究中国矿业大学，王彦平，黄增树，谭维贤，等 地基 干涉相位滤波优化方法 信号处理，（）：，（）：唐洪城 多基线 仿真干涉图相位解缠技术研究 科技视界，（）：，：，：，：电 子 器 件第 卷 钱满，张向阳，李仁昌 改进卷积神经网络 图像去噪算法 计算机工程与应用，（）：张建龙，杨亚东 多尺度子空间融合谱聚类的 图像变化检测 遥感信息，（）：张永华，温显斌 联合高分辨率光和 数据的城市区域矩形建筑物检测与高度估计 红外与毫米波学报，（）：王超，仇晓兰，李芳芳，等 一种 建筑物图像仿真及高程反演方法 雷达学报，（）：，（），：，：，（）：明婧 多基线干涉 高精度高程反演方法研究成都：电子科技大学，（）：