InSAR中角反射器的識別策略研究

楊魁,陳楚,張鑫鑫,吳正鵬

(天津市測繪院,天津 300381)

InSAR中角反射器的識別策略研究

楊魁?,陳楚,張鑫鑫,吳正鵬

(天津市測繪院,天津 300381)

根據(jù)人工角反射器高反射率、強(qiáng)穩(wěn)定性的特點,提出由粗到精的識別策略,基于預(yù)處理實現(xiàn)角反射器的粗識別,通過目視解譯優(yōu)化角反射器的位置,利用其時空特點開展統(tǒng)計分析提取出精確的位置。并利用Cosmo數(shù)據(jù)為例對識別策略進(jìn)行了實驗研究,有效地識別角反射器的精確位置信息,從而驗證了本文角反射器識別策略的有效性。

角反射器;識別;統(tǒng)計分析

1 引 言

星載雷達(dá)干涉測量在過去的20年里有很大的發(fā)展,尤其是PSInSAR技術(shù)的提出,通過對可靠穩(wěn)定的永久散射體進(jìn)行時間序列上的分析,來獲取高密度、高精度的地面沉降信息,使得InSAR技術(shù)成為地面沉降監(jiān)測的重要技術(shù)手段之一。但是該項技術(shù)在實際應(yīng)用過程中卻存在著一定的缺點,難以監(jiān)測相干目標(biāo)較少但又必須監(jiān)測的形變區(qū)域,難以獲取絕對的形變量信息[1]。

為了克服這些問題,基于角反射器的合成孔徑雷達(dá)處理技術(shù)被提了出來,它基于強(qiáng)反射特性彌補(bǔ)了雷達(dá)衛(wèi)星數(shù)據(jù)的失相關(guān),利用對應(yīng)的水準(zhǔn)實測成果獲取了絕對監(jiān)測成果[1,2]。目前角反射器的設(shè)計實驗做得比較多[3],但是對角反射器的識別的研究則較少。德國的夏耶博士、北京大學(xué)的薛笑榮博士后曾對SAR圖像上角反射器識別做過研究,他們的工作僅僅具有自身的參考性,并不對所有的CR點具有通用性[4,5]。

本文以高分辨率的Cosmo數(shù)據(jù)為例,提出了目視解譯和統(tǒng)計分析相結(jié)合的角反射器識別策略;并以臨港工業(yè)區(qū)安裝的角反射器為對象,進(jìn)行識別實驗和深入分析,驗證了角反射器識別策略的可靠性。

2 角反射器識別的技術(shù)路線

角反射器干涉測量技術(shù)中重要的一步就是在雷達(dá)圖像上識別出人工角反射器,本文根據(jù)角反射器在雷達(dá)圖像的特征等,研究結(jié)合預(yù)處理、目視判讀和統(tǒng)計分析識別相結(jié)合的方法來識別出雷達(dá)圖像上的人工角反射器。技術(shù)路線如圖1所示。

圖1 角反射器識別技術(shù)路線圖

2.1 預(yù)處理

預(yù)處理主要包含有影像配準(zhǔn)和濾波處理,其中影像配準(zhǔn)主要實現(xiàn)時間序列上的多個SAR影像在空間框架上的一致性,濾波處理則主要應(yīng)用于角反射器的初識別上。

(1)影像配準(zhǔn)

時間序列SAR影像對配準(zhǔn)是指在選擇主影像的基礎(chǔ)上,將其他影像都配準(zhǔn)到主影像所在的地理框架上。兩幅影像配準(zhǔn)則在影像范圍內(nèi)選擇若干對應(yīng)于同一地物目標(biāo)的匹配像元來確定兩幅影像的各個像元之間嚴(yán)格的對應(yīng)關(guān)系,包含有基于軌道信息的粗配準(zhǔn)、基于強(qiáng)度信息或相位信息相干性的精配準(zhǔn),最終實現(xiàn)1/8個像元以上的配準(zhǔn)精度。

(2)濾波處理

對SAR數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計分析可知相干斑表現(xiàn)為乘性噪聲[6]?？杀硎緸?

I(t)=R(t)·u(t)

式中,I(t)為觀測值,R(t)為理想的圖像;u(t)為相干斑噪聲。

針對此數(shù)學(xué)模型進(jìn)行濾波處理。首先將上式用一階泰勒展開為線性模型,然后用最小均方差誤差估計此線性模型,得到濾波公式:

式中,^R(t)為去斑后的圖像值,即上式中的R(t)的估計值,_I(t)為去斑窗口均值,W(t)為權(quán)重函數(shù),Cu和CI(t)分別為斑塊u(t)和圖像I(t)的局部方差系數(shù)。

2.2 目視解譯

目視解譯是根據(jù)已知角反射器坐標(biāo)信息,結(jié)合地形圖資料確定角反射器在SAR圖像上的大體位置,從而避免在更大的范圍上去搜尋,為統(tǒng)計分析減少工作量。目視解譯方法采用由粗到精的識別策略,包括地理編碼處理、基于相對位置的優(yōu)化等。

(1)地理編碼處理

在安裝角反射的過程中,利用全球定位系統(tǒng)(GPS)測得安裝點的概略地理坐標(biāo)(B,L,H),進(jìn)行坐標(biāo)變換后,轉(zhuǎn)化為參心空間直角坐標(biāo)系(X,Y,Z);然后利用SAR影像頭文件中提供的衛(wèi)星軌道位置等參數(shù)信息,構(gòu)建描述星地幾何關(guān)系的距離多普勒模型,然后利用最小二乘原理來求解初始影像行列號,并通過數(shù)值迭代解法來逐步逼近真實的影像位置(i,j),最終實現(xiàn)基于間接地理定位原理下的地理編碼處理。

(2)相對位置優(yōu)化

在確定大致位置(i,j)后,可以利用豐富的地形圖信息,根據(jù)人工角反射器較強(qiáng)的后向散射強(qiáng)度和其周圍較低反射區(qū)的對比情況的解譯知識,來獲取其在幅度影像上位置的改正值(△i,△j),從而達(dá)到充分利用周邊明顯目標(biāo)的相對位置來精化角反射器點位置的目的。

2.3 統(tǒng)計分析方法

統(tǒng)計分析方法是根據(jù)PSInSAR技術(shù)中PS點的識別原理所提出,其主要表現(xiàn)為強(qiáng)的散射能力,且其散射特性在長時間內(nèi)保持穩(wěn)定。因此可以在空間上可以用小區(qū)域的平均強(qiáng)度值作為度量,在時間上用強(qiáng)度離差方法來評估其穩(wěn)定性[7]。

(1)空間統(tǒng)計分析

由于角反射器是由金屬面組成,且其法線方向基本與雷達(dá)波的入射方向平行,因此它在空間分布上表現(xiàn)為強(qiáng)散射的特性,在小區(qū)域內(nèi)主導(dǎo)其周圍像素的散射特征。在空間表現(xiàn)上,以其為中心、距離向和方位向的幾個像素組成的局部范圍內(nèi)表現(xiàn)為近似對稱分布的亮斑信息,如圖2所示。

圖2 角反射器的亮斑特性

因此可以利用其亮斑特性,構(gòu)建一個類似的空間窗口。在角反射器的大概位置內(nèi)進(jìn)行滑動,并計算模板與圖像的相關(guān)系數(shù),相關(guān)系數(shù)高于一定閾值處即可能為角反射器的精確位置。

(2)時間統(tǒng)計分析

由于角反射器的強(qiáng)反射特點,其在時間序列上表現(xiàn)為一致性,因此可以采用強(qiáng)度離差方法來進(jìn)行時間序列上的分析。其主要思想是以后向散射強(qiáng)度均差和方差的比作為測度,選擇大于指定閾值的點位為角反射器的精確位置。

3 實驗及結(jié)果分析

3.1 實驗數(shù)據(jù)

實驗區(qū)選擇濱海新區(qū),隨著其經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展,大型工程建設(shè)項目的施工,地面沉降災(zāi)害問題首當(dāng)其沖,因此采取先進(jìn)的手段來實現(xiàn)地面沉降的監(jiān)測,尤其是低相干區(qū)域的沿海區(qū)域監(jiān)測十分迫切。

實驗采用的SAR數(shù)據(jù)為高空間分辨率的Cosmo數(shù)據(jù),波長尾3.1 cm(X波段),空間分辨率為3 m,總影像覆蓋面積為1 600 km2,數(shù)據(jù)獲取時間為2013年1月～2014年6月,共有20期。在SAR影像覆蓋范圍內(nèi)已布設(shè)好的角反射器有7個,分布在臨港工業(yè)區(qū)的兩條道路的綠化帶上(圖3綠色三角形標(biāo)識處),布設(shè)時間約為2009年。

圖3 角反射器分布總圖

3.2 實驗結(jié)果分析

在上節(jié)中對角反射器由粗到精識別的技術(shù)路線進(jìn)行分析,針對實驗數(shù)據(jù)的情況,以臨港工業(yè)區(qū)的CR5為例,來分析整個技術(shù)流程的可行性。

首先進(jìn)行配準(zhǔn)處理,選擇20131223期影像為主影像,將其他的19期影像配準(zhǔn)至20131223期影像所在的空間框架下,實現(xiàn)空間信息的一致性。

其次進(jìn)行濾波處理。在最初CR識別時,非常有必要進(jìn)行斑點去除,濾波前后對比如圖4(a)和圖4 (b)所示,斑點噪聲得到有效抑制,視覺效果得到明顯提高。

圖4 濾波處理前后圖像對比

然后利用其實測的位置進(jìn)行采用間接定位模型進(jìn)行地理編碼處理,獲取其雷達(dá)系下的坐標(biāo),如圖5中綠色三角形位置所示,其與濾波后的目視解譯成果具有一致性,從而相互驗證了識別方法的可靠性。

圖5 地理編碼后的角反射器位置

進(jìn)一步利用實驗區(qū)高分辨率的地形圖信息、影像信息圖6(a)來實現(xiàn)基于相對位置的優(yōu)化,以其在道路綠化帶內(nèi)的相對關(guān)系,來優(yōu)化角反射器的位置圖6 (b)。

由于角反射器強(qiáng)反射特性在局部范圍內(nèi)表現(xiàn)為強(qiáng)亮斑的特點,構(gòu)建出一個15×15的模板,中間點的亮度最大,周圍點亮度逐漸遞減至0。在圖6(b)中的藍(lán)色點所示位置為中心的30×30窗口內(nèi)平滑后計算相關(guān)系數(shù),取相關(guān)系數(shù)大于一定閾值的點為可能的角反射器點。采用同樣的流程對配準(zhǔn)后的其他19景影像進(jìn)行類似處理,對所有可能的點取其后向散射強(qiáng)度信息,統(tǒng)計分析器均值與方差的比率,選擇最大比率對應(yīng)的點位最終的角反射器位置,如圖7綠色三角形所處的位置。

圖6 角反射器位置的優(yōu)化

圖7 角反射器的精確位置

從時間跨度分析,臨港工業(yè)區(qū)的角反射器在所有的影像上均可見,選擇2013年8月份(編號為20130817)、2013年10月份(編號為20131020)的Cosmo數(shù)據(jù)進(jìn)行對比,如圖8所示。在兩期影像內(nèi)最大值為中心點,強(qiáng)度值存在2.4 dB的差異,平均值的差異為2.2 dB,最小值相差為1 dB。表明在時間序列上角反射器的散射特性不易隨時間發(fā)生改變,穩(wěn)定性較強(qiáng)。

圖8 臨港工業(yè)區(qū)角反射器CR5及其相鄰區(qū)域的強(qiáng)度統(tǒng)計

4 結(jié) 論

人工角反射器對雷達(dá)波具有高反射率,是一種優(yōu)良的散射體目標(biāo)。本文主要針對其識別的問題,提出由粗到精的多層次識別策略。首先通過影像配準(zhǔn)、濾波等預(yù)處理實現(xiàn)角反射器的初步識別;然后基于地理編碼處理、相對位置優(yōu)化等實現(xiàn)角反射器的目視解譯;最后從空間上、時間上進(jìn)行統(tǒng)計分析實現(xiàn)對角反射器位置的精確提取。本文以覆蓋濱海新區(qū)的3 m Cosmo數(shù)據(jù)為實驗數(shù)據(jù),開展臨港角反射器的識別工作;通過對整個識別流程中的各個技術(shù)方法和相應(yīng)參數(shù)進(jìn)行深入分析,提取出強(qiáng)散射特性、強(qiáng)穩(wěn)定性的角反射器,有效地驗證了本文識別策略的有效性和可實施性。

[1] 閆世勇.角反射器雷達(dá)干涉實驗及在形變監(jiān)測中的應(yīng)用[D].河北:河北工程大學(xué),2009.

[2] 諶華.CRInSAR大氣校正模型研究及其初步應(yīng)用[D].北京:中國地震局地質(zhì)研究所,2006.

[3] 張婷,張鵬飛等.SAR定標(biāo)中角反射器的研究[J].遙感信息,2010(3):38～42.

[4] Xia Ye,H.Kaufmann,and X.F.Guo.Landslide Monitoring in the Three Gorges Area Using D-InSAR and Corner Reflectors[J].Photogrammetric Engineering&Remote sensing,2004,70(10):1167～1172.

[5] 薛笑榮.SAR圖像并行處理與角反射器檢測[D].北京大學(xué)博士后出站報告,2005.

[6] 楊魁.面向?qū)ο蟮臉O化SAR影像多尺度分割算法研究[D].武漢:武漢大學(xué),2011.

[7] 丁尚起,楊魁等.PS選擇策略及在京津高鐵沉降監(jiān)測中的應(yīng)用研究[J].城市勘測,2013(6).

The Study of Corner Reflector Identification Strategy in InSAR

Yang Kui,Chen Chu,Wu Zhengpeng
(Tianjin Institute of Surveying and Mapping,Tianjin 300381,China)

According to the corner reflector characteristics with high reflectivity and strong stability,an identification strategy from coarse-to-fine is advanced.Corner reflector is approximately identified by pre-processing;its position accuracy is improved by visual interpretation;and its precise location is extracted through the statistical analysis in spatial and temporal.Cosmo data is used to verify the identification strategy,and the precise location of seven corner reflectors are recognized.Then from theory analysis and experiment result,the identification strategy is very effective.

corner reflector;identification

1672-8262(2014)06-10-04

P234.4

A

2014—07—05

楊魁(1987—),男,助理工程師,主要從事影像解譯、SAR應(yīng)用工作。

國土資源部公益性行業(yè)科研專項(201311045)