一種基于成像面表征的極化sar地形輻射校正和幾何糾正方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種基于成像面表征的極化SAR地形輻射校正和幾何糾正方法，該方法以SAR影像成像面的輻射值作為后向散射系數(shù)的表征,包括以下步驟：(1)獲取區(qū)域內(nèi)SAR影像、輻射定標文件外部DEM；(2)根據(jù)原始極化SAR影像的輻射定標文件進行輻射定標；(3)計算外部DEM的單元面積；(4)根據(jù)距離多普勒SAR定位模型生成SAR影像行列號查找表并計算等相位面的投影面積；(5)結合等相位面的投影面積和行列號查找表生成SAR模擬影像；(6)匹配真實SAR影像與模擬SAR影像,建立多項式糾正方程,精化行列號查找表；(7)根據(jù)基于SAR影像成像面的后向散射系數(shù)表達式對極化SAR影像進行地形輻射校正；(8)根據(jù)精化后的行列號查找表進行幾何校正。提供的方案既可校正由于地形引起的極化SAR影像的輻射畸變,也可進行高精度的極化SAR影像幾何定位和糾正。
【專利說明】—種基于成像面表征的極化SAR地形輻射校正和幾何糾正方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明屬于遙感影像處理領域，特別涉及包括真實孔徑雷達和合成孔徑雷達的側視雷達遙感影像的地形輻射校正和幾何校正方法。
【背景技術】
[0002]與傳統(tǒng)的光學遙感數(shù)據(jù)相比，合成孔徑雷達(Synthetic Aperture Radar,簡稱SAR)數(shù)據(jù)能夠提供大量的地物散射特性和目標的極化信息，在目標檢測、分解及參數(shù)反演等方面具有自身獨特的優(yōu)勢。但是由于SAR本身成像特征及地形起伏的影響，使得SAR存在著嚴重的輻射畸變，導致目標物的后向散射系數(shù)存在嚴重誤差。在SAR成像的過程中，多種系統(tǒng)與非系統(tǒng)因素都直接地或者間接地影響著后向散射系數(shù)。若利用后向散射系數(shù)定量研究某一種因素(粗糙度、生物量及土壤濕度等)的前提就是消除其他因素的影響，而地形效應就是其中必須需要消除的因素之一。因此，在應用SAR影像進行解譯反演之前，SAR影像地形輻射校正是不可缺少的步驟，對于SAR影像的應用具有至關重要的作用。
[0003]目前，SAR地形輻射校正方法主要分為兩個方法:(I)在地理空間坐標下，利用DEM(數(shù)字高程模型)數(shù)據(jù)求得各種校正參數(shù)進行地形輻射校正。首先將SAR影像進行幾何校正，然后再利用各種參數(shù)進行地形輻射校正；(2)在SAR影像空間坐標下，利用DEM數(shù)據(jù)求得SAR像元所對應的散射積分面積進行地形輻射校正。首先利用DEM數(shù)據(jù)求得散射面積進行輻射校正，然后再進行幾何校正。不論采用何種地形輻射校正，前提條件都是需要在高分辨率DEM數(shù)據(jù)支持下，才能取得較好的校正效果。
[0004]1989年，F(xiàn)reeman A等據(jù)地形起伏區(qū)域的成像特點，提出一種本地入射角校正方法。但由于該方法沒有考慮地形起伏對散射單元面積的影響，并沒有取得很好的校正。1993年，Van ZylJJ提出利用入射角來進行地形輻射校正，結合入射角、方位向、坡向、距離向坡度和方位向坡度的關系來計算每個地面單元的散射面積。但是該方法僅是論證地形起伏對散射面積的影響，并沒有將SAR影像亮度值與后向散射系數(shù)結合起來。1996年，Ulander提出一種投影角校正方法，利用成像面法線與地面法線之間的夾角計算地面單元散射面積。但該方法校正后的SAR影像會表現(xiàn)出一定的模糊性，丟失許多紋理信息。2010年，陳爾學等利用嚴密幾何定位模型并結合本地入射角和投影角計算地面散射面積進行地形輻射校正，取得較好的效果。以上校正方法均是地理空間坐標下，該系列方法并沒有考慮到實際成像機制，僅能在地形起伏較小的區(qū)域能夠取得較好校正效果。
[0005]1998年，David Small首先提出在SAR影像空間坐標下的方法。它在定位過程中計算每個SAR像元所對應的地面散射積分面積。但是該方法沒有考慮到實際的SAR成像機制，僅計算地面散射積分面積，而沒有計算等相位面積分面積。對于地形起伏較大區(qū)域無法取得較好效果。2010年，David Small再一次提出散射積分面積的方法，在定位過程中計算SAR所對應的等相位面散射積分面積。這種方法雖然符合實際的SAR成像機理，但并沒有給出具體的推導過程與理由。而且在校正過程中也沒有利用匹配算法對模擬SAR影像進行精化，對缺少控制點數(shù)據(jù)和狀態(tài)參數(shù)誤差較大的SAR影像無法取得很好效果。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明的目的在于解決現(xiàn)有的地形輻射校正和幾何糾正方法的不足，提出一種基于成像面表征的極化SAR地形輻射校正和幾何糾正方法，推導出以成像面作為后向散射系數(shù)表征的表達式，符合實際的SAR成像機理，克服了由于SAR成像和地形導致的SAR影像嚴重的輻射畸變，同時通過匹配真實SAR影像與模擬SAR影像，建立精確的多項式糾正方程，大大提高幾何糾正精度，最終能夠生成經(jīng)過地形輻射校正后的地理編碼極化SAR產(chǎn)品，能夠廣泛應用于基于SAR影像的地物解譯和參數(shù)反演。
[0007]本發(fā)明的技術方案具體如下面所描述:一種基于成像面表征的極化SAR地形輻射校正和幾何糾正方法用于針對極化SAR影像的地形輻射校正和幾何糾正，包括:1)獲取區(qū)域內(nèi)極化SAR影像、輻射定標文件或者定標參數(shù)，外部DEM (數(shù)字高程模型);2)根據(jù)原始極化SAR影像的輻射定標文件進行輻射定標；3)計算外部DEM的單元面積；4)根據(jù)距離多普勒SAR定位模型生成SAR影像行列號查找表并計算等相位面的投影面積；5)結合等相位面的投影面積和行列號查找表生成SAR模擬影像；6)匹配真實SAR影像與模擬SAR影像，建立多項式糾正方程，精化行列號查找表；7)根據(jù)基于SAR影像成像面的后向散射系數(shù)表達式對極化SAR影像進行地形輻射校正；8)根據(jù)精化后的行列號查找表進行幾何糾正。
[0008]進一步地，優(yōu)選的方法是，所述步驟(1)中，所述獲取的極化SAR影像是機載或者星載的極化SAR數(shù)據(jù)，所述極化狀態(tài)為HH、HV、VH、VV中的一種或多種，所述HH表示水平發(fā)射/水平接收狀態(tài)，所述HV表示水平發(fā)射/垂直接收狀態(tài)，所述VH表示垂直發(fā)射/水平接收狀態(tài)，所述W表示垂直發(fā)射/垂直接收狀態(tài)，所述極化SAR影像具有相應的輻射定標文件或者定標參數(shù)，獲取的外部DE M文件的單元分辨率和極化SAR影像的分辨率處于同一數(shù)量級。
[0009]進一步地，優(yōu)選的方法是，所述步驟(2)中，利用極化SAR影像參數(shù)文件中給出的輻射定標因子，對極化SAR影像中的每個通道的數(shù)據(jù)進行絕對輻射定標，將每個像素的像元值(DN)轉換為基于SAR影像成像面的后向散射系數(shù)β °。
[0010]進一步地，優(yōu)選的方法是，所述步驟(3)中，近似計算DEM單元的曲面面積大小，即通過計算DEM單元的四個角點連接形成兩個相鄰三角形的面積之和，近似得到DEM單元的實際曲面面積。
[0011]進一步地，優(yōu)選的方法是，所述步驟(4)中，用極化SAR影像參數(shù)文件構建的距離多普勒SAR定位模型計算每個DEM單元所對應的初始SAR影像坐標，保存到和DEM同樣大小的初始行列號查找表中。行列號查找表以復數(shù)形式進行存儲，其中每個像元的實部與虛部分別對應原始SAR影像的行號和列號。同時，在定位過程中，利用式(I)計算每個DEM單元的投影角，生成與DEM數(shù)據(jù)同樣大小的投影角文件。
【權利要求】
1.一種基于成像面表征的極化SAR地形輻射校正和幾何糾正方法，用于針對極化SAR影像的地形輻射校正和幾何糾正，包括下列步驟:1)獲取區(qū)域內(nèi)極化SAR影像、輻射定標文件或者定標參數(shù)，以及外部DEM ；2)根據(jù)原始極化SAR影像的福射定標文件或者定標參數(shù)進行輻射定標；3)計算外部DEM單元面積，DEM單元即DEM數(shù)據(jù)中每個像元代表實際地面，因DEM數(shù)據(jù)中無法表示實際地面曲面，只能利用兩個相鄰的三角形表示地面面積；4)根據(jù)距離多普勒SAR定位模型生成SAR影像行列號查找表并計算等相位面的投影面積；5)結合等相位面的投影面積和行列號查找表生成SAR模擬影像；6)匹配真實SAR影像與模擬SAR影像，建立多項式糾正方程，精化行列號查找表；7)根據(jù)基于SAR影像成像面的后向散射系數(shù)表達式對極化SAR影像進行地形輻射校正；8)根據(jù)精化后的行列號查找表進行幾何糾正。
2.根據(jù)權利要求1所述的基于成像面表征的極化SAR地形輻射校正和幾何糾正方法，其特征在于:步驟I)中，所述獲取的極化SAR影像是機載或者星載的極化狀態(tài)的SAR數(shù)據(jù)，所述極化狀態(tài)為HH、HV、VH、VV中的一種或多種，所述HH表示水平發(fā)射/水平接收狀態(tài)，所述HV表示水平發(fā)射/垂直接收狀態(tài)，所述VH表示垂直發(fā)射/水平接收狀態(tài),所述W表示垂直發(fā)射/垂直接收狀態(tài)，所述極化SAR影像具有相應的輻射定標文件或者定標參數(shù)，獲取的外部DEM文件的單元分辨率和極化SAR影像的分辨率處于同一數(shù)量級。
3.根據(jù)權利要求1所述的基于成像面表征的極化SAR地形輻射校正和幾何糾正方法，其特征在于:步驟2)中，利用極化SAR影像參數(shù)文件中給出的輻射定標因子，對極化SAR影像中的每個極化通道的數(shù)據(jù)進行絕對輻射定標，將每個像素的像元值轉換為基于SAR影像成像面的后向散射系數(shù)β°。
4.根據(jù)權利要求1所述的基于成像面表征的極化SAR地形輻射校正和幾何糾正方法，其特征在于:步驟3)中，近似計算DEM單元的曲面面積大小，即通過計算DEM單元的四個角點連接形成兩個相鄰三角形的面積之和，來近似得到DEM單元的實際曲面面積。
5.根據(jù)權利要求1所述的`基于成像面表征的極化SAR地形輻射校正和幾何糾正方法，其特征在于:步驟4)中，利用極化SAR影像參數(shù)文件構建的距離多普勒SAR定位模型計算每個DEM單元所對應的初始SAR影像坐標，保存到和DEM同樣大小的初始行列號查找表中；行列號查找表以復數(shù)形式進行存儲，其中每個像元的實部與虛部分別對應原始SAR影像的行號和列號；同時，在定位過程中，利用式(I)計算每個DEM單元的投影角，生成與DEM數(shù)據(jù)同樣大小的投影角文件， ,HmΦ = arccos( _ ^ )⑴

n.m Φ為投影角，向量W為成像面的法線，向量/i為地面單元的法線； 然后，結合生成的投影角文件，利用公式(2)計算每個DEM單元在等相位面Y上的投影面積，生成等相位面的投影面積文件，
dyDEM(i, j) = do DEM(i, j).Sin(J) (i, j) (2) 其中，(i，j)表不DEM影像的行列號,d σ是SAR影像像兀對應的實際地面面積,d Y是平面波等相位面散射單元，是行列號為(i，j)的DEM像元對應的投影角。
6.根據(jù)權利要求1所述的基于成像面表征的極化SAR地形輻射校正和幾何糾正方法，其特征在于:步驟5)中，結合等相位投影面積文件和初始行列號查找表，利用式(3)計算初始模擬SAR影像，像元值為所對應的初始等相位面散射積分面積，
7.根據(jù)權利要求1所述的基于成像面表征的極化SAR地形輻射校正和幾何糾正方法，其特征在于:步驟6)中，由于極化SAR影像參數(shù)的精度低，DEM生成的模擬影像與真實SAR影像之間存在偏移，利用匹配算法，求得初始模擬SAR影像與真實SAR影像之間的偏移量，建立兩者之間的多項式糾正方程，精化行列號查找表；然后結合等相位投影面積文件，重新得到與真實SAR影像相匹配的精化模擬SAR影像。
8.根據(jù)權利要求1所述的基于成像面表征的極化SAR地形輻射校正和幾何糾正方法，其特征在于:步驟7)中，根據(jù)基于SAR影像成像面的后向散射系數(shù)表達式，對極化SAR影像進行地形輻射校正，如公式(4)，
9.根據(jù)權利要求1所述的基于成像面表征的極化SAR地形輻射校正和幾何糾正方法，其特征在于:步驟8)中，根據(jù)精化后的行列號查找表，對地形輻射校正后的每個通道的極化SAR影像進行幾何糾正，將SAR影像投影至地理空間坐標，得到經(jīng)過地形輻射校正后的地理編碼極化SAR產(chǎn)品。
【文檔編號】G01S7/40GK103869296SQ201410038821
【公開日】2014年6月18日 申請日期:2014年1月26日 優(yōu)先權日:2014年1月26日
【發(fā)明者】張繼賢, 盧麗君, 劉文祥, 黃國滿, 楊書成 申請人:中國測繪科學研究院