SAR图像高精度定位技术研究.pdf

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1、 第 I 页 摘 要 近年来我国社会、 经济平稳快速发展， 对基础地理信息的现势性和精度需求不断提高。 SAR（Synthetic Aperture Radar，合成孔径雷达）图像定位与三维信息提取是获取基础地理 信息的重要技术途径之一，具有全天时、全天候、高精度等突出优势。但在 SAR 图像定位 与三维信息提取中仍存在诸多技术难题。 为了提高我国 SAR 图像的定位精度和三维信息提 取能力， 本文重点对立体SAR图像定位、 单幅SAR图像无控制定位、 多基线/MIMO （Multiple Input Multiple Output，多输入多输出）InSAR（Interferometric S

2、ynthetic Aperture Radar，干 涉合成孔径雷达）图像定位与三维信息提取、SAR 图像匹配等问题进行研究，采用高分辨 率机载 SAR 图像进行了大量实验。论文完成的主要工作和创新点有： 1全面梳理了 SAR 图像定位与三维信息提取技术的研究现状，剖析了制约 SAR 图像 三维信息提取实用化的主要问题， 结合对 SAR 图像几何特性与辐射特性的分析， 辨析了相 干斑与噪声、 图像分辨率与像元采样间隔等易混淆的概念， 论述了 SAR 图像几何构像模型， 介绍了立体 SAR 图像定位、单幅 SAR 图像定位、干涉 SAR 图像定位与三维信息提取的基 本原理。 2针对高分辨率机载斜侧

3、视立体 SAR 图像，设计了标定近距延迟和多普勒频移参数 的 R-D（Range-Doppler，距离-多普勒）模型高精度定位方案，克服了定向参数求解难题， 实现了 1 米量级误差的机载 SAR 图像立体定位。 3提出了 DEM（Digital Elevation Model，数字高程模型）辅助的单幅 SAR 图像无控 制斜侧视定位方案。该方案通过 DEM 仿真 SAR 图像，并将仿真 SAR 图像与实际斜侧视 SAR 图像进行匹配来提取控制点，采用斜侧视 R-D 模型计算出定向参数后，在 DEM 的支 持下完成单幅 SAR 图像的定位。针对仿真 SAR 图像与实际 SAR 图像的匹配问题，研

4、究了 分别以仿真 SAR 图像、 实际 SAR 图像作为匹配基准的两种匹配策略， 在实验分析基础上， 得出了以仿真 SAR 图像作为匹配基准效果较好的结论。采用高分辨率机载 SAR 图像，利 用 SRTM（Shuttle Radar Topography Mission，航天飞机雷达地形测绘任务）DEM 或地球模 型方程进行了一系列单幅 SAR 图像定位实验，统计分析了各种单像 SAR 定位方法的定位 误差，验证了所提出方法的有效性。 4提出了差分滤波 MIMO InSAR 图像定位与三维信息提取方案。利用 DEM，完成了 直接法和间接法干涉图仿真， 并采用仿真的不同基线干涉图进行了单基线 I

5、nSAR 定位与三 维信息提取实验，验证了短基线 InSAR 精度低、可解性强，长基线 InSAR 精度高、可解 性差的特点； 设计了差分滤波多基线 InSAR 定位与三维信息提取方案和中国余数定理多基 线 InSAR 定位与三维信息提取方案，采用仿真数据进行了实验，验证了多基线 InSAR 高 精度、高可解性的优势；提出了差分滤波 MIMO InSAR 定位与三维信息提取方案，由最低 频干涉图开始进行滤波和相位解缠，并依次对较高频干涉图进行差分、滤波和相位解缠处 第 II 页 理，从而完成高精度的高程信息反演。采用仿真的 MIMO InSAR 干涉图进行了干涉处理实 验，验证了方案的可行性。

6、 5针对 SAR 图像间相对几何畸变和辐射畸变较大的问题，提出了利用 POS（Position and Orientation System，定位定姿系统）和 SRTM DEM 数据进行点位预测的机载 SAR 图 像多视双向自动匹配方法。该方法利用 POS 和 SRTM DEM 数据进行点位预测，并采用强 度影像或其线特征增强影像， 进行机载 SAR 图像的多视双向自动匹配。 采用多种不同分辨 率的机载 SAR 图像进行匹配实验，得到了较好的匹配效果。 6集成了立体 SAR 图像定位、单幅 SAR 图像定位、干涉 SAR 图像定位与三维信息 提取、SAR 图像匹配等研究成果，构建了 SAR 图

7、像定位与三维信息提取试验软件系统， 采用中国测绘科学研究院获取的机载 SAR 图像和仿真 SAR 图像进行了大量定位、三维信 息提取和匹配实验，验证了论文研究成果的正确性和有效性。 在 SAR 图像高精度定位与三维信息提取方面取得的研究成果，将提高我国 SAR 图像 的定位精度，促进我国 SAR 图像三维信息提取技术的发展和 SAR 技术在地形测绘中的应 用。 关键词：关键词：合成孔径雷达，图像，定位，立体，干涉，匹配，多基线，多输入多输出 第 III 页 Abstract The economy and society in China develop steadily and fleetl

8、y in recent years. It demands to improve the up-to-data efficiency and the precision of fundamental geography information. Positioning and three dimensional (3D) information extraction from Synthetic Aperture Radar (SAR) images, is an important approaches for deriving fundamental geography informati

9、on. It has the advantages of all time, all weather, high efficiency and high resolution. However, there are many technology difficulties in positioning and 3D information extraction from SAR images. In order to improve the capability of positioning and 3D information extraction, positioning methods

10、with stereo SAR images as well as single SAR image without Ground Control Point (GCP) were studied. Positioning and 3D information extraction from multi-baseline or Multiple Input Multiple Output (MIMO) Interferometric SAR (InSAR) images, as well as matching of SAR images were researched. Experiment

11、s using high resolution airborne SAR images were done. The main work and innovations of this thesis are listed as follows: 1. Comprehensive review of the present situation of positioning and 3D information extraction from SAR images was done. The main problems that restrict the utility of 3D informa

12、tion extraction from SAR images were analyzed. With the geometry and radiation character analysis of SAR images, the confusing concepts of speckle and noise, image resolution and pixel spacing were analyzed. Geometrical imaging models of SAR images, positioning with stereo SAR images, positioning wi

13、th single SAR image, and the fundamental principles of InSAR images for positioning and 3D information extraction were systematically discussed. 2. An accurate positioning scheme based on Range-Doppler (R-D) model was designed for high resolution airborne squint stereo SAR images. It calibrates the

14、close range and the Doppler frequency as overcomes the difficulty in solving the orientation parameters. Airborne SAR images positioning with 1 meter level error was realized. 3. A positioning scheme for single squint SAR image based on Digital Elevation Model (DEM) without GCP was proposed. It simu

15、lates SAR image with DEM, and extracts GCPs by matching the simulated SAR image and the actual squint SAR image, and then, the orientation parameters with squint R-D model can be calculated to complete single SAR image positioning supported by DEM. For the matching of simulated SAR image and actual

16、SAR image, two kinds of matching strategies that respectively take simulated SAR image or actual SAR image as reference were discussed. The conclusion is that the matching with simulated SAR image as reference is better. A series of positioning experiments with single SAR image were carried out usin

17、g high resolution airborne SAR image, Shuttle Radar Topography Mission (SRTM) DEM or 第 IV 页 earth model equations. The errors of positioning with each scheme were statistically analyzed, as verified the proposed method. 4. A scheme with differential filter for positioning and 3D information extracti

18、on from MIMO InSAR images was proposed. The interferograms were simulated with direct algorithm and indirect algorithm. The experiments of positioning and 3D information extraction from single baseline InSAR were carried out with simulated different baseline interferograms. It verified the fact that

19、 the shorter baseline InSAR has lower accuracy and strong solvability, while the longer baseline InSAR has the opposite feature. Multi-baseline InSAR can utilize various baseline data. The scheme with differential filtering and the one with Chinese Remainder Theorem (CRT) for multi-baseline InSAR we

20、re designed. The advantages of higher precision and solvability in multi-baseline InSAR were verified through the experiments with simulated data. The scheme with differential filter for positioning and 3D information extraction from MIMO InSAR images was proposed. The interferogram with lowest freq

21、uency was processed firstly by filtering and phase unwrapping, and then the interferogram with higher frequency was processed by difference, filtering and phase unwrapping one by one, so as to finish accurate height deriving. MIMO InSAR interferograms simulation and processing experiments were carri

22、ed out, as validated the proposed scheme. 5. An automatic matching for SAR images with multi-look and bilaterial sequence by prediction of points position with Position and Orientation System (POS) and SRTM DEM data was proposed. This method predicts point position using POS and SRTM DEM data, enhan

23、ces images by extracting line features, and proceeds with multi-look and bilaterial automatic matching. It can decrease the effect of the larger relative geometric and radiation distortion. It can get better matching results, as was verified by varied different resolution images. 6. The research ach

24、ievements were integrated, as including stereo SAR images positioning, single SAR image positioning, InSAR images positioning and 3D information extraction, SAR image matching and so on. And the software for SAR image positioning and 3D information extraction was built. Experiments of positioning, e

25、xtraction of 3D information and matching of SAR images were done with airborne SAR images acquired by Chinese academy of surveying and mapping and with simulated SAR images, as validated the research achievements. The research achievements in accurate positioning and 3D information extraction from S

26、AR images will improve the positioning accuracy of SAR images in our country. It can promote the development of 3D information extraction from SAR images and the application of SAR in terrain surveying and mapping. Key words: Synthetic Aperture Radar, Image, Positioning, Stereo, Interferometric, Mat

27、ching, Multi-baseline, Multiple Input Multiple Output 第 V 页 目 录 摘 要I Abstract.III 缩略词表.IX 第一章 绪论.1 1.1 概述 1 1.2 SAR图像定位与三维信息提取技术现状.5 1.2.1 发展现状综述5 1.2.2 典型SAR系统与计划6 1.2.3 关键技术发展现状8 1.2.4 现存问题13 1.3 论文研究目的、内容与意义 14 1.4 论文的组织结构 15 第二章 SAR图像构像模型与定位基本原理.17 2.1 基本概念与常用坐标系统 17 2.1.1 SAR基本概念17 2.1.2 SAR图像特

28、征18 2.1.3 常用坐标系统19 2.1.4 坐标转换21 2.2 SAR图像构像模型.22 2.2.1 距离-多普勒模型.22 2.2.2 距离-共面模型.24 2.2.3 G.Konecny公式25 2.2.4 有理函数模型26 2.3 SAR图像定位原理.27 2.3.1 立体SAR图像定位原理28 2.3.2 单幅SAR图像定位原理29 2.3.3 干涉SAR图像定位与三维信息提取原理30 第 VI 页 2.4 本章小结 33 第三章 立体SAR图像定位.34 3.1 立体SAR图像定位流程.34 3.2 定向参数解算 36 3.2.1 利用地面控制点的定向参数解算36 3.2.2

29、 利用轨道参数的定向参数解算39 3.3 地面点三维坐标解算 41 3.4 立体SAR图像定位实验.45 3.5 本章小结 51 第四章 单幅SAR图像定位.52 4.1 阴影成形三维信息反演 52 4.2 DEM辅助的单幅SAR图像定位55 4.2.1 地面控制情况下的单幅SAR图像定位55 4.2.2 基于轨道参数的单幅SAR图像无控制定位58 4.3 基于DEM和图像仿真的单幅SAR图像无控制斜侧视定位59 4.3.1 SAR图像仿真59 4.3.2 实际SAR图像与仿真SAR图像的匹配 61 4.3.3 控制点提取与SAR图像定位62 4.4 单幅SAR图像定位实验.64 4.4.1

30、实际SAR图像与仿真SAR图像的匹配实验 65 4.4.2 单幅SAR图像定位实验与分析70 4.5 本章小结 85 第五章 干涉SAR图像定位与三维信息提取.86 5.1 单基线InSAR图像定位与三维信息提取.86 5.1.1 单基线InSAR处理流程.86 5.1.2 InSAR干涉图仿真.87 5.1.3 单基线InSAR图像定位与三维信息提取实验.91 5.2 多基线InSAR图像定位与三维信息提取.97 5.2.1 常用多基线InSAR处理方法.97 第 VII 页 5.2.2 差分滤波多基线InSAR三维信息提取.100 5.2.3 中国余数定理多基线InSAR三维信息提取.10

31、4 5.2.4 多基线InSAR图像定位与三维信息提取实验.107 5.3 MIMO InSAR图像定位与三维信息提取.111 5.3.1 MIMO SAR编码模式及原理111 5.3.2 MIMO InSAR原理及三维信息提取策略.114 5.3.3 MIMO InSAR图像定位与三维信息提取实验.116 5.4 本章小结 122 第六章 SAR图像匹配.123 6.1 SAR图像匹配的应用需求与难点.123 6.2 常用匹配方法与匹配测度 124 6.3 SAR图像多视双向自动匹配.126 6.3.1 SAR图像MBAM强度匹配126 6.3.2 SAR图像MBAM线特征增强匹配128 6

32、.3.3 POS和SRTM DEM预测点位的MBAM强度匹配.129 6.3.4 POS和SRTM DEM预测点位的MBAM线特征增强匹配.130 6.4 基于粗纠正的SAR图像自动匹配.131 6.5 SAR图像匹配实验.133 6.6 本章小结 147 第七章 总结与展望.148 7.1 总结 148 7.2 展望 150 致 谢.152 参考文献.153 作者简历.165 第 IX 页 缩略词表 SAR Synthetic Aperture Radar，合成孔径雷达 InSAR Interferometric Synthetic Aperture Radar，干涉合成孔径雷达 或合成孔径

33、雷达干涉测量 DEM Digital Elevation Model，数字高程模型 SFS Shape From Shading，阴影成形 SLC Single Look Complex，单视复数 NASA National Aeronautics and Space Administration，美国国家航空航天局 CCRS Canada Center for Remote Sensing，加拿大遥感中心 UCL University College London，伦敦大学学院 SRTM Shuttle Radar Topography Mission，航天飞机雷达地形测绘任务 JPL Je

34、t Propulsion Laboratory，喷气推进实验室 DInSARDifferential Interferometric Synthetic Aperture Radar，合成孔径雷达差分干涉测量 PS Permanent Scatters，永久散射体 ATI Along Track Interferometry，顺轨干涉测量 ALSE Apollo Lunar Sounder Experiment，阿波罗月球探测实验 POLInSAR Polarimetric Interferometric Synthetic Aperture Radar， 极化合成孔径雷达干涉测量 DLR D

35、eutsche Forschungsanstalt fuer Luft-und Raumfahrt e. V.，德国宇航局 MIMO Multiple Input Multiple Output，多输入多输出 ESA European Space Agency，欧洲空间局 GCP Ground Control Point，地面控制点 LS Least Square，最小二乘 RFM Rational Function Model，有理函数模型 R-D Range-Doppler，距离-多普勒 MLE Maximum Likelihood Estimation，最大似然估计 SIFT Scale

36、 Invariant Feature Transform，尺度不变特征变换方法 POS Position and Orientation System，定位定姿系统 WGS World Geodetic System，世界大地坐标系 RPC Rational Polynomial Coefficient，有理多项式系数 CRT Chinese Remainder Theorem， 中国余数定理 MBAM Multi-Looking Bilaterial Automatic Matching，多视双向自动匹配 第一章 绪论 第 1 页 第一章 绪论 1.1 概述概述 二十一世纪以来，我国经济平稳

37、、快速发展，国家西部大开发、中原经济区建设等战 略项目持续推进， 这些重大规划的实施离不开基础地理信息的保障。 为了更好地促进社会、 经济发展，十二五期间，我国将全面开展高分辨率对地观测重大专项，并实施基础地理国 情监测工程。 地面目标的三维位置信息是基础地理信息的最根本内容， 其获取途径有多种。 在三维位置信息获取的各种途径中，SAR（Synthetic Aperture Radar，合成孔径雷达）图像 定位与三维信息提取是一种具有快速、全天时、全天候、高精度等突出优势的重要技术手 段1-3。 SAR图像定位与三维信息提取属于雷达摄影测量（Radar Photogrammetry）的范畴。2

38、0 世纪 50 年代末，由真实孔径侧视雷达发展为合成孔径雷达，提高了雷达的成像分辨率， 因而目前的雷达摄影测量主要是指合成孔径雷达摄影测量。合成孔径雷达摄影测量是利用 合成孔径雷达获取被测目标的图像信息，通过加工、处理和分析，获取其形状、大小、空 间位置及其性质等有价值的可靠信息的理论和技术 45。与光学摄影测量类似，合成孔径 雷达摄影测量的主要任务是定位和定性。SAR图像定位是由SAR图像确定地面目标的位置 信息，由于SAR成像遵循一定的几何构像模型，SAR图像中的像点坐标是关于相应目标三 维坐标的函数，可以利用其关系由SAR图像确定目标点的三维信息；定性是利用SAR图像 识别目标的属性信息

39、， 不同目标往往具有不同的介电常数、 表面粗糙度等物理和化学特性， 当雷达波以相同频率、入射角和极化方式对目标成像时，不同目标将呈现出不同的散射特 性和穿透能力，利用这一性质可以识别SAR图像中目标的属性信息。 SAR 图像定位是合成孔径雷达摄影测量的重要研究内容之一，它利用 SAR 图像上量 测的像点坐标和相关系统参数，根据 SAR 图像构像的数学模型，测定地面点的三维坐标。 利用 SAR 图像获取目标的三维信息可采用三种方法：立体 SAR 图像定位、单幅 SAR 图像 定位和干涉 SAR（Interferometric Synthetic Aperture Radar，InSAR）图像定位

40、。立体 SAR 图像定位利用构成立体的两幅 SAR 图像， 通过构像模型定向参数解算、 立体交会等环节获 取目标的三维信息；单幅 SAR 图像定位是由一幅 SAR 图像，辅以 DEM（Digital Elevation Model，数字高程模型）或地球模型方程等，在定向参数解算的基础上，计算相应地面点 的三维信息，或者采用阴影成形（Shape From Shading，SFS）方法获取地面点的三维信息； 干涉 SAR 图像定位是通过在略有差异的两个不同位置分别获取具有相干性的两幅 SAR 单 视复数（Single Look Complex，SLC）图像，利用其干涉相位信息来获取目标点的三维信

41、息。 SAR 图像定位与三维信息提取具有全天时、全天候的工作能力，适用于多云、多雨、 解放军信息工程大学博士学位论文 第 2 页 多雾地区的地形测绘。由于雷达波对地物具有一定的穿透能力，能穿透天然植被、人工伪 装和地表层一定深度的土壤，为揭露军事目标和设施的伪装提供了有效手段；因成像波段 不同，SAR 系统可以获取不同于光学系统的地物目标信息，将 SAR 图像与光学图像进行 融合处理，有利于地物目标的判读和解译。SAR 图像的特点主要有： （1）距离投影。SAR 图像可以看作是空间目标三维信息向二维平面的投影，其投影 关系不同于光学成像所采用的中心投影，而是距离投影，在几何上反映了地面点与天线

42、相 位中心之间的距离关系， 在 SAR 图像中存在叠掩、 阴影、 透视收缩和顶底位移等几何特征； （2）主动式成像。SAR 图像一般是依靠主动发射并接收电磁波来获取，属于主动成 像方式， 它主要反映地物目标的后向散射特性， 相应 SAR 图像中的地物特征有别于光学图 像中的地物特征； （3）相干成像。SAR 系统发射电磁波并接收地面目标的后向回波，通过相干处理进 行成像，同一像元对应的地面单元中包含多个独立散射体，各散射体回波信号相互干涉， 在 SAR 图像中形成大量相干斑。相干斑并非噪声，而是各回波信号相互干涉引起的 SAR 图像强度变化，它是 SAR 成像的一种固有特征。 利用 SAR 图

43、像可以对地面较大范围的区域实现全天时、全天候和高精度的地面点定 位，它能够穿透地表和植被获取光学摄影测量技术难以获取的信息。其中，干涉 SAR 图像 定位与三维信息提取技术发展迅速， 凭借其高精度优势成为 SAR 对地观测的重要方式。 然 而 InSAR 技术要求轨道重复周期内同一地区地表特性变化较小，以满足良好的相干性；立 体 SAR 图像定位技术与单幅 SAR 图像定位技术不受相干性的限制，且其理论框架和处理 流程与光学摄影测量技术具有相通性。 立体 SAR 图像定位、 单幅 SAR 图像定位和干涉 SAR 图像定位各具优势，针对不同情况三者各具应用潜力和应用价值。概括起来，SAR 图像的

44、 主要应用领域有： （1）地形测绘 SAR图像在地形测绘中具有重要的应用价值，特别是对于多云、多雨、多雾和地形复 杂区域的地形测绘，具有光学观测手段不可替代的重要意义。单幅SAR图像可以用于地形 图修测， 在DEM或地球模型方程的辅助下， 可以实现目标点定位， 立体SAR图像和干涉SAR 图像可以直接用于地面目标点定位、DEM重建、正射影像制作、地形图绘制等地形测绘任 务。 SAR图像在地形测绘领域应用广泛，美国国家航空航天局（National Aeronautics and Space Administration， NASA） 的Graham6P、 Zebker7、 Hagberg8和Ma

45、dsen9等利用干涉SAR 图像进行三维地形测绘；加拿大遥感中心（Canada Center for Remote Sensing，CCRS）的 Toutin10、 伦敦大学学院 （University College London， UCL） 的Chen等 11 P利用RADARSAT-1 数据进行立体SAR图像测图；意大利帕维亚大学（Universit di Pavia）的DellAcqua等 12 联合利用高分辨率SAR图像及干涉SAR图像进行地表特征提取与快速测图。与国外相比， 国内SAR图像地形测绘技术研究起步较晚，然而在四十余年的发展历程中，SAR图像地形 第一章 绪论 第 3 页

46、 测绘的理论水平和实用化程度不断提高。信息工程大学肖国超 5、朱彩英、刘智13、靳国 旺 13等对雷达摄影测量基本理论、 干涉SAR测量和SAR影像制图等技术进行了大量研究； 西安测绘研究所常本义 14、汤晓涛、楼良盛、方勇15等进行了单幅SAR图像地图修测、 立体SAR图像测图和干涉SAR图像DEM重建等应用试验； 武汉大学廖明生 16、 袁修孝等利 用干涉SAR图像或单幅SAR图像进行地形测绘、目标定位等研究；中国测绘科学研究院张 继贤、黄国满 17等进行了立体SAR图像定位与测图试验；中国科学院对地观测与数字地球 科学中心王超 18等系统梳理了星载SAR干涉测量方法。 SAR图像在地形测

47、绘领域的应用，有两件大事突显了其快速、全天时、全天候优势。 第一件大事是 2000 年美国奋进号航天飞机执行的航天飞机雷达地形测绘任务（Shuttle Radar Topography Mission， SRTM） 。 它利用 11 天时间获取了全球 80%陆地表面的干涉SAR 数据，对这些数据进行处理生成了绝对平面精度 20m，绝对高程精度 16m的全球DEMP。全 球SRTM 90m格网间距的DEM可以从NASA喷气推进实验室（Jet Propulsion Laboratory， JPL）官方网站 19免费下载。第二件大事是 2006 年至 2011 年我国西部 1:50000 地形图空

48、白区测图工程（简称西部测图工程）。在该工程中，SAR摄影测量技术在常年云雾覆盖的 横断山脉地区地形图测绘中发挥了重要作用。 近年来，SAR图像除用于地形测绘外，还被应用于城区测图与地下测图等。2000 年 Gamba等 20利用干涉SAR数据提取并重建建筑物三维信息； 2008 年Corbane等21联合利用 SAR影像和光学影像进行快速城市测图；2010 年Paillou等 22利用ALOS PALSAR获取的L 波段SAR数据进行了Sahara地区的地下测图； 2012 年蒋李兵等 23利用单幅高分辨率SAR图 像反演建筑物高度。 （2）形变监测 SAR技术在形变监测中具有重要应用价值，其应用需求也十分迫切。随着我国社会、 经济快速发展，东南沿海城市地表沉降问题日益突出，水利枢纽工程、高速铁路、高速公 路等大型线状地物形