基于RaySAR軟件的上海外灘建筑群合成孔徑雷達(dá)圖像模擬

趙婧文， 伍吉倉(cāng)， 丁曉利

(1. 同濟(jì)大學(xué) 測(cè)繪與地理信息學(xué)院， 上海 200092； 2. 香港理工大學(xué) 土地測(cè)量與地理資訊系， 香港)

城市是人類(lèi)賴(lài)以生存的空間，也是現(xiàn)代文明的載體.對(duì)城市道路、橋梁、高樓等大型基礎(chǔ)設(shè)施的定期健康監(jiān)測(cè)十分必要.而InSAR (interferometric synthetic aperture radar)作為一種較為新興的、能夠全天候、高精度、自動(dòng)化、大面積獲取地形、形變信息的空間對(duì)地觀(guān)測(cè)新技術(shù)，在城市地表和基礎(chǔ)設(shè)施監(jiān)測(cè)應(yīng)用中具有獨(dú)特優(yōu)勢(shì).

隨著SAR空間分辨率的提高，COSMO-SkyMed、TerraSAR-X/TanDEM-X等SAR傳感器已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了米級(jí)的高分辨率，單個(gè)建筑物目標(biāo)可能成像在多個(gè)像元內(nèi)，SAR影像中的點(diǎn)、線(xiàn)、面、高亮、陰影等特征完全可以和真實(shí)地物結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)起來(lái)，這為利用InSAR形變觀(guān)測(cè)成果分析建筑物結(jié)構(gòu)變形提供了新的機(jī)遇.但如何確定InSAR圖像中的像元點(diǎn)對(duì)應(yīng)實(shí)際建筑物上的精確位置，目前還是一個(gè)沒(méi)有解決的難題.

SAR模擬成像是近幾年發(fā)展起來(lái)的一種新的雷達(dá)成像仿真技術(shù)，有助于SAR系統(tǒng)的分析設(shè)計(jì)和驗(yàn)證、輔助SAR圖像解譯、SAR圖像處理算法驗(yàn)證以及SAR圖像幾何校正等，因而具有重要的理論意義和實(shí)用價(jià)值[1-4].目前SAR模擬手段基本可分為2種：基于原始回波信號(hào)的SAR成像模擬和基于目標(biāo)幾何特征的SAR圖像模擬[5].SAR成像模擬著重于成像原理和建筑的散射電磁場(chǎng)模型.代表研究有Franceschetti等[6]開(kāi)發(fā)的城市SAR原始信號(hào)模擬器和應(yīng)用基爾霍夫近似法計(jì)算多次反射成像[7].SAR圖像模擬著重利用建筑物的高質(zhì)量三維模型和成像幾何原理.代表研究有Brunner等[8]用光線(xiàn)追蹤法來(lái)縮短成像模擬計(jì)算時(shí)間.此外，Balz等[9-10]開(kāi)發(fā)了基于光柵法的高分辨率SAR圖像模擬軟件SARVIZ；Hammer等[11]開(kāi)發(fā)了基于光線(xiàn)追蹤的CohRaS軟件；Auer等[1,12-13]開(kāi)發(fā)了用光線(xiàn)追蹤法模擬反射率圖以實(shí)現(xiàn)SAR圖像模擬的RaySAR軟件.SARVIZ、 CohRaS和RaySAR這3種模擬軟件的對(duì)比分析可以參考文獻(xiàn)[14].

首先闡述SAR模擬的相關(guān)原理，利用RaySAR軟件對(duì)上海外灘幾棟歷史建筑物進(jìn)行SAR圖像模擬，并探索高分SAR強(qiáng)度影像與地物三維幾何特征之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系.

1 SAR模擬原理

SAR是一種主動(dòng)式微波遙感技術(shù)，通過(guò)接收發(fā)射微波信號(hào)的回波對(duì)地物成像.對(duì)于中低分辨率的SAR數(shù)據(jù)而言，影像的分辨率通常在幾十米，比大多數(shù)的地物對(duì)象尺度更大，用一個(gè)散射系數(shù)就可以表示該對(duì)象[15-16].但對(duì)于高分辨率SAR圖像模擬，單個(gè)對(duì)象的信號(hào)響應(yīng)可能分布在眾多像素中，必須考慮目標(biāo)場(chǎng)景的幾何形狀.此外，要進(jìn)行SAR成像模擬，必須首先給定成像場(chǎng)景的三維幾何模型.Bamler等[17]的研究表明，對(duì)于C波段的Envisat-ASAR影像，邊長(zhǎng)大于20 cm的目標(biāo)對(duì)象可以形成點(diǎn)狀散射體，而對(duì)于X波段的TerraSAR影像，邊長(zhǎng)大于8 cm的目標(biāo)對(duì)象就可以形成點(diǎn)狀散射體.因此，對(duì)于高分辨率SAR圖像模擬，一個(gè)厘米級(jí)的高精度建筑三維模型是必須的，這樣才有可能區(qū)分雷達(dá)信號(hào)的多次反彈.

根據(jù)回波信號(hào)的反彈次數(shù)可以將目標(biāo)散射分為如下幾類(lèi)：

(1) 直接散射.直接散射是指回波信號(hào)只經(jīng)過(guò)一次反彈后即被接收.在城市地區(qū)，一次反彈的情況占絕大多數(shù).

(2) 二次反彈.在城市地區(qū)，信號(hào)的二次反彈通常對(duì)應(yīng)于“雷達(dá)—建筑物外墻—地面—雷達(dá)”這樣的傳播路徑.理想的二次反彈角是一個(gè)包含2個(gè)互相垂直立面的二面角(圖1).作為SAR強(qiáng)度影像上的一個(gè)明顯特征，二次反彈形成的亮線(xiàn)經(jīng)常被用于建筑物輪廓提取、平坡屋頂?shù)慕ㄖ锔叨裙浪愕萚18-21].

(3) 三次反彈.在城市地區(qū)，信號(hào)的三次反彈通常對(duì)應(yīng)于建筑物外立面的窗角、墻角.理想的三次反彈角是一個(gè)包含3個(gè)互相垂直立面的角反射器(圖2).如果角反射器大致面向雷達(dá)掃描的視線(xiàn)方向，三次反彈也會(huì)攜帶很強(qiáng)的信號(hào)強(qiáng)度，對(duì)應(yīng)SAR強(qiáng)度影像上非常明亮的點(diǎn)特征.

圖2 對(duì)應(yīng)三次反彈的理想角反射器Fig.2 Ideal corner reflector corresponding totriple bounce

(4) 四次及更多次反彈.由于雷達(dá)接收到的回波信號(hào)是疊置在一個(gè)像素里面的多個(gè)反射信號(hào)的總和，一般既包括直接散射信號(hào)，也包括那些經(jīng)過(guò)多次反彈的信號(hào).如圖3所示，雷達(dá)信號(hào)經(jīng)過(guò)屋頂坡面和相鄰建筑物的陽(yáng)臺(tái)多次反射、散射作用，所傳播的距離遠(yuǎn)大于該陽(yáng)臺(tái)與雷達(dá)之間的真實(shí)距離，而基于光線(xiàn)的直線(xiàn)傳播定律，陽(yáng)臺(tái)上的點(diǎn)會(huì)被直接逆向定位在地下，造成所謂的鬼影散射點(diǎn)(ghost scatterers)，見(jiàn)圖3中地下點(diǎn).

因此，如果已知地面建筑物的精確三維模型，結(jié)合表面材料反射、散射物理特征參數(shù)(如反射率、粗糙度、散射系數(shù)等)，就可以采用光線(xiàn)跟蹤法模擬SAR圖像上各類(lèi)反射點(diǎn).然而在實(shí)際模擬中，正如文獻(xiàn)[22]所述，完全符合實(shí)際情況的仿真參數(shù)是很難獲得的.因此，模擬SAR圖像只能是實(shí)際情況的近似.模擬方法是否有效在于該方法能否滿(mǎn)足預(yù)期的輔助目標(biāo)識(shí)別和解譯工作.

圖3 坡屋頂和相鄰建筑的陽(yáng)臺(tái)間多次反射造成的鬼影散射點(diǎn)[11-12]Fig.3 Ghost scatterers due to multipath betweenpitched roof and adjacent balcony [11-12]

2 模擬結(jié)果及討論

2.1 研究區(qū)域和模擬數(shù)據(jù)

如圖4所示，實(shí)驗(yàn)區(qū)域選在有萬(wàn)國(guó)建筑博覽群之稱(chēng)的上海外灘.這里有52幢風(fēng)格各異的大廈，包括著名的中國(guó)銀行大樓、和平飯店、海關(guān)大樓、匯豐銀行大樓等.

圖4 五棟已知三維模型的建筑物(來(lái)自百度地圖)Fig.4 Five buildings with 3D models (Cr. Baidu map)

試驗(yàn)采用的5棟建筑物(名稱(chēng)、位置見(jiàn)圖4標(biāo)注)的三維模型由上海市測(cè)繪院提供.模型采用無(wú)人機(jī)和地面三維激光掃描方法得到，故而建筑物立面如窗臺(tái)、凸起、欄桿等細(xì)節(jié)精確到厘米.圖5為和平飯店模型的整體和局部放大圖，其中a為窗、欄桿、立面花崗巖裝飾,b為門(mén)、屋檐、落地窗、旗桿.

圖5 和平飯店模型的整體和局部放大圖Fig.5 Whole model and local enlargements ofHeping Hotel

實(shí)驗(yàn)中的35景真實(shí)SAR影像來(lái)自于意大利的COSMO-SkyMed衛(wèi)星.從2008年到2010年跨度約為2年的35景重復(fù)SAR影像的成像幾何參數(shù)基本一致.為了最大程度上減弱斑點(diǎn)噪聲，采用這35景影像的平均強(qiáng)度圖與SAR圖像模擬結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析.

2.2 模擬過(guò)程與結(jié)果

Auer等開(kāi)發(fā)的RaySAR軟件主要目的是輔助高分辨率雷達(dá)影像中建筑物顯著特征的解譯.具體講，結(jié)合目標(biāo)幾何、物理信息，RaySAR軟件通過(guò)三維光線(xiàn)追蹤來(lái)模擬“SAR傳感器發(fā)射電磁波—電磁波與地物作用—攜帶地物信息的電磁波回到SAR傳感器—合成SAR影像”的全過(guò)程，能同時(shí)記錄散射次數(shù)、反射與散射模式，進(jìn)而分析散射體的幾何特征.

試驗(yàn)中用RaySAR軟件進(jìn)行SAR圖像模擬的過(guò)程分為3步：建模、采樣和結(jié)果輸出.具體流程如圖6所示.

圖6 RaySAR模擬流程Fig.6 RaySAR simulation workflow

(1) 建模.包括三維建筑的模型編輯和表面參數(shù)設(shè)置以及成像幾何設(shè)置.模型編輯包括模型的格式轉(zhuǎn)換、去掉貼圖紋理、根據(jù)建筑物各部件的材料刪除、修整、合并和重命名各個(gè)分層、最后存成pov格式(Pov-Ray軟件的編輯器格式)供RaySAR模擬使用.為了簡(jiǎn)化地物反射、散射模型，表面參數(shù)設(shè)置主要采用鏡面反射系數(shù)、后向散射系數(shù)、粗糙度等參數(shù)來(lái)表示不同材料的物理特性.以中國(guó)銀行為例，其三維模型最終可整理成4個(gè)層，分別對(duì)應(yīng)建筑表面(大理石)、窗(玻璃)、門(mén)(紫銅涂漆)和欄桿(鋁合金).另外，需要添加一個(gè)散射系數(shù)適中、反射系數(shù)較低的簡(jiǎn)單平面(地面)來(lái)完成全部信號(hào)回波模擬.表1為5個(gè)分層對(duì)應(yīng)的反射、散射模型參數(shù).各種材料的反射系數(shù)區(qū)間參考網(wǎng)上資料《常用材料反射系數(shù)表》[23]，粗糙度區(qū)間參考《表面結(jié)構(gòu) 輪廓法 表面粗糙度參數(shù)及其數(shù)值GB/T 1031—2009》，散射系數(shù)由經(jīng)驗(yàn)值給定.對(duì)其他4棟建筑物做類(lèi)似的分層和材料參數(shù)設(shè)置分析，限于篇幅這里不逐一列出.成像幾何參數(shù)設(shè)置指根據(jù)衛(wèi)星坐標(biāo)參數(shù)(入射角、影像分辨率、衛(wèi)星飛行方向等)修改虛擬正射相機(jī)的方位向與高度，保證相機(jī)對(duì)于建筑物目標(biāo)的相對(duì)位置與實(shí)際SAR傳感器對(duì)地面掃描時(shí)一模一樣.具體由軟件根據(jù)設(shè)置的成像幾何參數(shù)對(duì)建筑群進(jìn)行旋轉(zhuǎn)、平移等變換來(lái)實(shí)現(xiàn).

(2) 采樣.首先利用光線(xiàn)追蹤技術(shù)渲染出一幅雷達(dá)傳感器視角的目標(biāo)圖(圖7)，驗(yàn)證建筑模型、模型間相對(duì)位置、雷達(dá)掃描角度等幾何參數(shù)的設(shè)置正確.然后采用表1中的參數(shù)，并去掉所有環(huán)境光源，根據(jù)表2所示的雷達(dá)影像的分辨率和入射角進(jìn)行采樣，模擬生成與實(shí)際SAR強(qiáng)度影像分辨率一致的二維反射率圖.

表1 中國(guó)銀行大樓各分層對(duì)應(yīng)的反射參數(shù)Tab.1 Reflection parameters of each layer inBank of China

圖7 Pov-Ray渲染出的雷達(dá)傳感器視角的外灘建筑圖(放大至目標(biāo)建筑部分)

Fig.7ViewoftheBundbuildingsfromtheradarsensorperspectiverenderedbyPov-Ray(enlargedtothetargetbuildingsection)

表2 RaySAR模擬用到的主要參數(shù)Tab.2 Main parameters during the RaySAR simulation

(3) 輸出模擬結(jié)果.繪制上述模擬生成的二維反射率圖(圖8b)并按照信號(hào)的反彈次數(shù)繪制二、三次反彈對(duì)應(yīng)的信號(hào)反射率圖(圖8c，8d)和所有反彈次數(shù)的分布圖(圖9).

在模擬反射率圖中，灰度值代表回波信號(hào)的強(qiáng)度.由于假定了一個(gè)無(wú)限大的地面，故而除了建筑物陰影(圖8b—8d中全黑部分)外的所有像素都有至少一次的回波信號(hào).值得注意的是，很多時(shí)候，來(lái)自于建筑墻體的直接回波較弱，而對(duì)應(yīng)窗、欄桿等的點(diǎn)特征太亮，如果繪制在同一張圖里，太亮的信號(hào)會(huì)掩蓋太弱的信號(hào).因此，為了更加清晰地顯示感興趣的信號(hào)，需要選定一個(gè)反射率閾值，對(duì)反射率峰值進(jìn)行適當(dāng)裁剪，對(duì)反射率區(qū)間進(jìn)行適當(dāng)拉伸.在本次模擬中，圖8b的反射率閾值為10，圖8c，8d的反射率閾值為4.

圖9是所有反彈次數(shù)點(diǎn)的分布圖和局部放大圖.用不同灰度代表該像素所接收到信號(hào)的反彈次數(shù)(如果一個(gè)像素同時(shí)接收到一、二、三次反彈的信號(hào)，采用最高次數(shù)的顏色繪制)，一、二、三次反彈分別對(duì)應(yīng)黑色、淺灰、深灰.前面已經(jīng)提到，除了對(duì)應(yīng)建筑物陰影外的所有像素都有至少一次的回波信號(hào)(黑色)，由于SAR一維成像的局限性而照射不到的區(qū)域(無(wú)信號(hào)到達(dá))體現(xiàn)為陰影(白色)、二面角對(duì)應(yīng)明顯的線(xiàn)特征(淺灰)、角反射器對(duì)應(yīng)明顯的點(diǎn)特征(深灰).為了防止信號(hào)過(guò)于雜亂，最高反彈次數(shù)設(shè)置為3.

a 實(shí)際SAR影像的平均強(qiáng)度

b RaySAR模擬的二維反射率

c 模擬圖中的二次反彈信號(hào)

d 模擬圖中的三次反彈信號(hào)

圖8實(shí)際SAR影像的平均強(qiáng)度與RaySAR模擬的二維反射率對(duì)比

Fig.8ComparisonbetweentheaveragedSARintensityimageandthesimulated2DreflectivitymapbyRaySAR

圖9 RaySAR模擬圖中的反彈次數(shù)分布及局部放大Fig.9 Simulated signal distribution of RaySAR andlocal enlargement

RaySAR軟件可以模擬在方位向、距離向和高程上具有無(wú)限分辨率的理想SAR系統(tǒng)，不同反彈次數(shù)的信號(hào)都可以被逆向定位到建筑的模型坐標(biāo)系里，可以用于定位模擬圖像上的點(diǎn)在具體地物上的位置.為了可視化，按照表2的參數(shù)設(shè)置，將逆向定位的作用點(diǎn)繪制成邊長(zhǎng)0.2 m的小立方體.圖10顯示了農(nóng)業(yè)銀行大樓上用白色和黑色的小立方體表示的二、三次反彈信號(hào)對(duì)應(yīng)的作用點(diǎn)位置，其中A、B對(duì)應(yīng)局部放大的部分.

2.3 模擬結(jié)果分析與討論

RaySAR軟件假定來(lái)自地面的散射是朗伯散射，即具有各向同向性.然而，真實(shí)散射信號(hào)普遍與入射角相關(guān)，故而模擬結(jié)果中地面散射被高估，造成如圖9左側(cè)一些遠(yuǎn)離建筑物的雜點(diǎn).表1中，金屬表面對(duì)應(yīng)較高的反射性，玻璃對(duì)應(yīng)較強(qiáng)的穿透性，而地面主要以散射為主.另外，為了能夠得到和真實(shí)SAR圖像中斑點(diǎn)噪聲類(lèi)似的效果，RaySAR軟件模擬時(shí)在圖像上添加了乘性噪聲.

圖10 建筑模型坐標(biāo)系中農(nóng)業(yè)銀行的二次、三次反彈作用點(diǎn)中心

Fig.10PhasecenterscorrespondingtodoublebounceandtriplebounceontheAgriculturalBankofChina

如圖4所示，所選建筑與黃浦江之間隔著一條馬路，由于雷達(dá)向右側(cè)視、降軌飛行，加上車(chē)行道與人行道間的臺(tái)階、道路兩邊的花壇等地物都對(duì)應(yīng)較強(qiáng)的、沿馬路延伸方向的回波，導(dǎo)致這條馬路的信號(hào)與5棟建筑均造成了不同程度的疊置(圖8a)，對(duì)影像解譯帶來(lái)了不小的困難.

盡管如此，仍然可以通過(guò)SAR模擬的手段得到真實(shí)SAR平均強(qiáng)度影像中的特征信號(hào)(點(diǎn)、線(xiàn)、陰影等)和建筑物幾何結(jié)構(gòu)之間的獨(dú)特關(guān)系：

(1) 模擬SAR反射率圖(圖8b)中5棟已知模型建筑的大致輪廓、位置均與真實(shí)SAR平均強(qiáng)度影像一致.

(2) 模擬時(shí)用簡(jiǎn)單平面表示的地面與建筑物立面形成了理想的二面角，對(duì)應(yīng)圖8b和8c中非常明亮的建筑物L(fēng)形、一字型輪廓，而真實(shí)情況是地面有汽車(chē)、行人、植被等各種地物遮擋，并且每一景SAR影像對(duì)應(yīng)的地面情況都不盡相同，導(dǎo)致圖8a真實(shí)SAR平均強(qiáng)度影像中二面角信號(hào)被大大削弱.

(3) 真實(shí)SAR平均強(qiáng)度影像(8a)中看不到模擬SAR反射率圖(圖8b和8d)中大塊的黑色陰影.這是由于試驗(yàn)所選區(qū)域建筑非常密集，基本每個(gè)像素都有對(duì)應(yīng)的回波信號(hào)，而陰影對(duì)應(yīng)收不到回波信號(hào)的盲區(qū).

(4) 規(guī)則的明亮點(diǎn)陣信號(hào)出現(xiàn)在各建筑物朝向馬路即面向雷達(dá)掃描視線(xiàn)的外立面(圖8a和8d右半部分)，而側(cè)視的外立面上這種信號(hào)弱化很多(如圖8a和8d最下方和平飯店的側(cè)面).

(5) 圖9中，受限于圖像的分辨率，加上一、二、三次反彈是按順序疊加繪制，三次反彈嚴(yán)重遮蓋住了二次反彈.事實(shí)上，如局部放大圖所示，二次反彈(淺灰)占主導(dǎo)的像素?cái)?shù)目遠(yuǎn)大于三次反彈(深灰).二次反彈主要對(duì)應(yīng)二面角(建筑外立面和地面、建筑外立面上的凸起棱、窗沿、房檐等)，呈線(xiàn)狀分布；而三次反彈主要對(duì)應(yīng)角反射器(窗角)等明顯的點(diǎn)特征(圖10).

2.4 SAR模擬與PSInSAR應(yīng)用

PSInSAR是一種基于永久散射體的時(shí)序InSAR分析方法[24]，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于地面沉降、滑坡、地震和火山運(yùn)動(dòng)等地表形變觀(guān)測(cè)中[25-26].利用PSInSAR技術(shù)處理前文提到的外灘35景COSMO-SkyMed衛(wèi)星雷達(dá)影像序列，選出區(qū)域內(nèi)具有穩(wěn)定散射特性的PS點(diǎn)，這些雷達(dá)影像坐標(biāo)系下的PS點(diǎn)經(jīng)坐標(biāo)校正后，繪制在RaySAR模擬的反彈次數(shù)分布圖中(圖11a)，與雷達(dá)掃描視角下的建筑模型(圖11b)對(duì)照分析，圖中淺灰表示二次反彈，深灰表示三次反彈，黑色十字表示PS點(diǎn).表3列出了圖11所示的中國(guó)工商銀行大樓面向馬路外立面上PS點(diǎn)、反彈次數(shù)、建筑結(jié)構(gòu)之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系.

首先分析圖11a中79個(gè)PS點(diǎn)與模擬的一次、二次、散射反射中心點(diǎn)之間的關(guān)系.值得注意的是，盡管模擬過(guò)程中，反彈次數(shù)二維分布圖的方位向、距離向分辨率均設(shè)置成與實(shí)際SAR影像一致，但經(jīng)過(guò)坐標(biāo)矯正和轉(zhuǎn)換后，PS點(diǎn)與反彈中心點(diǎn)之間仍存在微小偏差.為了解決這個(gè)問(wèn)題，以每個(gè)PS點(diǎn)為中心，設(shè)置3個(gè)像素的緩沖區(qū).若該區(qū)域內(nèi)可以檢索到多個(gè)反彈中心點(diǎn)，以最近的反彈中心點(diǎn)為準(zhǔn).最后經(jīng)統(tǒng)計(jì)，一次、二次、三次反彈點(diǎn)各對(duì)應(yīng)12、35、32個(gè)PS點(diǎn)，占PS點(diǎn)總數(shù)的15%、44%和41%.

aRaySAR模擬的反彈次數(shù)分布b建筑模型

圖11中國(guó)工商銀行的RaySAR模擬的反彈次數(shù)

分布與建筑模型

Fig.11Bounceleveldistributionmapand3DmodelofIndustrialandCommercialBankofChina

表3圖11中PS點(diǎn)、反彈次數(shù)、建筑結(jié)構(gòu)之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系

Tab.3RelationshipamongthePSpoints,thebouncelevelandthebuildingstructureinFig.11

反彈情況PS點(diǎn)數(shù)所占分?jǐn)?shù)/%對(duì)應(yīng)明確建筑結(jié)構(gòu)的PS點(diǎn)數(shù)一次反彈1215不明確二次反彈3544墻體與凸起棱交線(xiàn):13;窗棱:8;凸起的窗檐:7;凸起的大理石裝飾:7三次反彈3241墻體與凸起棱交線(xiàn):9;窗角:6;凸起的窗檐:8;墻面凸起的大理石裝飾:9

接下來(lái)分析PS點(diǎn)與建筑結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系.所采用的SAR影像的方位向和距離向分辨率分別為1.800 m和0.975 m(表2).經(jīng)統(tǒng)計(jì)，二次反彈點(diǎn)對(duì)應(yīng)的PS點(diǎn)分別與13處墻體與凸起棱交線(xiàn)、8處窗棱、7處墻面凸起的大理石裝飾吻合；三次反彈點(diǎn)對(duì)應(yīng)的PS分別與9處墻體與凸起棱交線(xiàn)、6處窗角、8處凸起的窗檐、9處墻面凸起的大理石裝飾吻合；而一次反彈對(duì)應(yīng)的建筑結(jié)構(gòu)并不明確.從圖11a中可以看出，實(shí)際模擬出的反彈中心數(shù)目遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于基于雷達(dá)影像選出的PS點(diǎn)數(shù).究其原因，其一是實(shí)際成像環(huán)境復(fù)雜，建筑物特征點(diǎn)不能保證都是PS點(diǎn)；其二是盡管二次及三次反彈對(duì)應(yīng)穩(wěn)定的反射結(jié)構(gòu)(可與建筑結(jié)構(gòu)相對(duì)應(yīng))，但模擬時(shí)并沒(méi)有考慮時(shí)間維度上的變化，使得模擬得到的二、三次反彈點(diǎn)遠(yuǎn)多于實(shí)際的PS點(diǎn)；其三是模擬時(shí)部分參數(shù)只能通過(guò)經(jīng)驗(yàn)假定，與實(shí)際情況存在一定偏差.盡管如此，SAR模擬結(jié)果仍然可以在一定程度上佐證PS選點(diǎn)，還原PS點(diǎn)在建筑物上的位置.

3 結(jié)語(yǔ)

受城市地物目標(biāo)的復(fù)雜性、SAR側(cè)視斜距成像特點(diǎn)和斑點(diǎn)噪聲的影響，城市地物反射目標(biāo)在高分辨率SAR圖像上的散射特性極為復(fù)雜，從而阻礙了SAR在城區(qū)建筑物結(jié)構(gòu)變形監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用.本文基于RaySAR軟件對(duì)上海市外灘5座歷史建筑進(jìn)行了SAR圖像模擬試驗(yàn).詳細(xì)介紹了試驗(yàn)步驟和相關(guān)反射、散射模型參數(shù)的選取方法.試驗(yàn)結(jié)果表明地面與建筑物立面形成了理想的二面角，在模擬SAR圖像上呈現(xiàn)白色L型亮線(xiàn).在朝向SAR衛(wèi)星的建筑立面分布著有規(guī)律的二、三次反彈點(diǎn)陣，對(duì)應(yīng)墻面上的窗角、側(cè)棱等結(jié)構(gòu).基于光線(xiàn)追蹤技術(shù)給出了SAR模擬圖像二次、三次反彈點(diǎn)在建筑物表面的分布情況，揭示了SAR強(qiáng)度影像中的特征信號(hào)(點(diǎn)、線(xiàn)、陰影等)和建筑物幾何結(jié)構(gòu)之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，對(duì)實(shí)際應(yīng)用中的SAR圖像解譯、目標(biāo)識(shí)別以及確定永久散射體在地物目標(biāo)上的精確位置有參考價(jià)值.

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