利用DEM進行SAR圖像模擬及地形輻射校正

薛東劍，李增元，鄭 潔，李成繞，李婉秋

(1. 中國林業(yè)科學研究院資源信息研究所，北京100091； 2. 成都理工大學地球科學學院，四川 成都 610059； 3. 地學空間信息技術國土資源部重點實驗室，四川 成都 610059)

?

利用DEM進行SAR圖像模擬及地形輻射校正

薛東劍1,2,3，李增元1，鄭 潔2,3，李成繞2,3，李婉秋2,3

(1. 中國林業(yè)科學研究院資源信息研究所，北京100091； 2. 成都理工大學地球科學學院，四川 成都 610059； 3. 地學空間信息技術國土資源部重點實驗室，四川 成都 610059)

在山區(qū)獲取地面控制點比較困難，運用模擬SAR進行配準、校正，具有較大的優(yōu)勢。本文在分析SAR成像幾何結構及ALOS PALSAR衛(wèi)星軌道參數(shù)特征的基礎上，運用RD定位模型對DEM的每個網(wǎng)格點進行雷達成像點的位置計算，模擬SAR圖像,并提取當?shù)厝肷浣?、投影角及?guī)則化因子等；模擬出的SAR圖像與真實SAR圖像紋理吻合，有利于控制點的自動配準。在此基礎上對ALOS PALSAR進行編碼，構建基于規(guī)則化因子及入射角的地形輻射校正模型，消除面積效應及地形起伏造成的畸變問題，從結果中分析，校正后的圖像明暗差異明顯減少，這對雷達定量反演研究具有一定的現(xiàn)實意義。

PALSAR；SAR模擬；數(shù)字高程；地形輻射校正

合成孔徑雷達(SAR)能夠全天候、全天時工作，對地表具有一定的穿透力，相比于光學圖像具有較大的優(yōu)勢與應用前景，但SAR特有的成像幾何結構對其處理具有一定的難度。SAR數(shù)據(jù)處理的好壞直接關系到SAR的應用，而校正是SAR應用的前提。目前SAR圖像校正主要分為3種：橢球表面校正地理編碼(GET)、地形校正地理編碼(GTC)及地形輻射校正。GET是沒有進行地形校正的，GTC是采用DEM進行了地形校正的。由于SAR圖像會存在透視收縮、疊掩、陰影等幾何與輻射畸變，在運用SAR進行分類及定量參數(shù)反演前(如土壤濕度、森林生物量)需進行地形輻射校正，以消除由于地形起伏造成的畸變問題。1989年Freeman A[1]提出了基于當?shù)厝肷浣堑牡匦屋椛湫Ｕ椒?，隨后國內外大量學者進行了地形輻射校正方法研究[2-5]。但是對于疊掩較為嚴重的區(qū)域，這些方法還一直處于改進與發(fā)展中[6-7]。本文在分析總結以往地形輻射校正、SAR圖像模擬的基礎上，采用一種基于規(guī)則化因子、入射角等相結合的方法，對ALOS PALSAR數(shù)據(jù)進行地形輻射校正，對運用SAR圖像進行定量參數(shù)反演等具有一定的現(xiàn)實意義。

1 SAR系統(tǒng)參數(shù)及幾何定位模型

1.1 ALOS PALSAR系統(tǒng)參數(shù)介紹

ALOS衛(wèi)星是日本的對地觀測衛(wèi)星，軌道高度為691.65 km，周期為98.7 min，重復周期46 d，帶有3個傳感器，其中PALSAR有3種觀測模式：精細、掃描、極化。精細又分為精細波束單極化模式(FBS)、精細波束雙極化模式(FBD)。數(shù)據(jù)選取2010年9月11日的ALOS PALSAR數(shù)據(jù)(見表1)，地理坐標為：103°35′47″E—104°22′40″E，31°23′48″N—32°00′13N，位于四川安縣與茂縣的接合部位；區(qū)內地形復雜多樣，主要為平壩、丘陵(臺地)、中低山3種類型。即以大光包斜沖斷層和北川沖斷層為界，西北部屬四川西部地槽區(qū)的前龍門山褶斷帶，系龍門山脈，地勢較高，高川鄉(xiāng)境內的大光包海拔3047 m，為區(qū)內最高點，東南部地勢相對較低，最低點位于界牌鎮(zhèn)石安村與綿陽市交界的安昌河，海拔為490 m。

表1 ALOS PALSAR影像主要參數(shù)

1.2 SAR圖像幾何定位模型

SAR作為一種主動遙感成像方式，提供了傳感器到目標的距離和多普勒歷史信息。運用這些信息可以精確地將衛(wèi)星和地面坐標相聯(lián)系，從而構建SAR定位模型，通過解算定位模型就可以得到每個像元的地理坐標。R-D模型是由Brown首先提出，Curlander等發(fā)展了該模型，并給出了作為分析問題出發(fā)點的3個基本方程。R-D定位原理是利用等距離線、等多普勒線在地球等高面上的交點確定像元位置，如圖1所示。

圖1 SAR成像幾何結構

(1)

R2=(X-Xs)2+(Y-YS)2+(Z-ZS)2

(2)

(3)

2 SAR圖像模擬

在對SAR圖像進行輻射校正前需先進行幾何校正，模型參數(shù)迭代優(yōu)化過程需要利用控制點。對于山區(qū)，人工尋找控制點需要消耗大量的人力物力，有時很難實現(xiàn)。采用模擬影像與真實SAR影像可以實現(xiàn)快速、自動的高精度配準。目前模擬SAR圖像主要分3類：相干系統(tǒng)模擬、非相干的圖像模擬和基于圖像的模擬[8-11]。在此采用DEM建立地面坐標系與斜距坐標系的映射關系，進行SAR模擬。首先根據(jù)PALSAR成像參數(shù),采用RD定位模型,計算DEM每個像元的SAR影像坐標(i,j),并將結果保存到查詢列表(LUTA)；根據(jù)模擬出的SAR影像，計算每個DEM像元的當?shù)厝肷浣?如圖2所示)和投影角；根據(jù)紋理及幾何特征對模擬SAR影像和待校正SAR進行自動配準，建立多項式方程，計算模擬SAR影像對應的真實SAR影像坐標，并更新、精化查詢列表(LUTA),求算每個DEM像元對應的真實SAR影像坐標(i,j),將其像元值重采樣到DEM坐標空間,得到與DEM大小相同的模擬SAR影像(如圖3所示)。模擬的圖像紋理特征與實際的SAR圖像非常逼近，反映了成像所獨有的透視收縮、疊掩、陰影等基本特征。由于模擬影像的后向散射強度是通過計算像元和局部入射角的經(jīng)驗函數(shù)相乘得到的，在模擬時沒考慮地表后向散射的獨立性，對于平原區(qū)大部分為常數(shù)值，而研究區(qū)大部分為山區(qū)，并不影響整個圖像的自動配準。利用模擬影像與真實影像的匹配可以彌補軌道數(shù)據(jù)的不準確，從而實現(xiàn)精確的幾何校正。此時校正只是根據(jù)地形和定位模型將SLC影像的像元值經(jīng)重采樣正射到其地面實際位置,與原始圖像相比發(fā)生了明顯的變化，尤其是疊掩區(qū)域，明顯拉伸，并沒有對像元值進行地形輻射校正。

圖2 當?shù)厝肷浣?/p>

圖3 DEM模擬的SAR

3 地形輻射校正

在地形復雜區(qū)，雷達成像的輻射特性受地形的影響較大，幾何校正后還需對SAR圖像進行地形輻射校正，校正的好壞直接影響定量化反演的精度。圖1中n為地面單元的法線，m為成像面的法線，θ為當?shù)厝肷浣?n與入射向量的夾角)，φ為投影角(向量n與m之間的夾角)，δ為參考入射角，則

(4)

(5)

投影角φ又可表示為

(6)

(7)

(8)

式中,RAO和n可以通過已知的DEM求算,但要求算對應目標矢量RAO的SAR影像坐標(i,j)及衛(wèi)星位置矢量RSA,需要通過SAR衛(wèi)星成像參數(shù)及建立R-D定位模型來確定。設地距圖像中距離向與方位向間隔為：ρg、ρa則在雷達視線投影向上的面積A為

(9)

式中，a為最大坡度角；a1為距離向坡度角；a2為方位向坡度角。推導后其關系為：tan2a=tan2a1+tan2a2。為了消除面積效應，對灰度圖像乘以規(guī)則化散射因子，其因子為

(10)

結合規(guī)則化因子及入射角，建立校正模型

(11)

式中，β0為成像面散射單元對應的后向散射系數(shù)。

為了評價校正的效果一般常采用影像校正前后方差減少的百分比來衡量，即

(12)

校正前影像方差為0.15,校正后為0.12,減少了20%，校正效果較明顯。從圖4分析，校正后朝向雷達入射方向與背向入射方向的明暗差異明顯減少、紋理特征更加均勻，地形引起的后向散射單位面積變化對散射系數(shù)的影響得到了明顯改善。另外經(jīng)統(tǒng)計分析，校正前散射系數(shù)與當?shù)厝肷浣蔷哂忻黠@的線性相關性，校正后相關系數(shù)顯著下降，由此驗證了本文運用的方法是可行的。

圖4 地形輻射校正前后SAR圖像

4 結 語

由于雷達特有的成像方式受地形影響較大，對SAR圖像進行地形輻射校正具有重要的意義，尤其對定量反演研究。文中以ALOS PALSAR數(shù)據(jù)為例，在對SAR成像幾何結構分析的基礎上，重點研究了基于DEM的SAR圖像模擬的地形輻射校正。模擬后的SAR圖像在山區(qū)紋理特征與實際的SAR圖像非常逼近，有利于運用自動控制點進行配準。通過模擬的SAR圖像可以精化查詢列表，結合RD定位模型對原始SAR圖像作了GTC校正，將SLC影像的像元值經(jīng)重采樣正射到其地面實際位置。結合當?shù)厝肷浣羌巴队敖牵谟嬎阋?guī)則化散射因子的基礎上進行了地形輻射校正，經(jīng)過校正，朝向雷達入射方向與背向入射方向的明暗差異明顯減少、紋理特征更加均勻，散射系數(shù)與當?shù)厝肷浣堑木€性相關性顯著降低。

[1] FREEMAN A,CURLANDER J.Radiometric Correction and Calibration of SAR Images[J].Photogrammetric Engineering and Remote Sensing,1989,55:1295-1301.

[2] LOEW A,MAUSER W.Generation of Geometrically and Radiometrically Terrain Corrected SAR Image Products[J].Remote Sensing of Environment,2007,106(3):337-349.

[3] 張永紅,張繼賢,林宗堅,等.地形引起的雷達輻射畸變及其校正[J].測繪科學,2002,27(4):23-26.

[4] 陳爾學,李增元,田昕,等.星載SAR 地形輻射校正模型及其效果評價[J].武漢大學學報(信息科學版),2010,35(3):322-327.

[5] SMALL D.Flattening Gamma:Radiometric Terrain Correction for SAR Imagery[J].IEEE Transaction on Geoscience and Remote Sensing,2011,49(8):3081-3093.

[6] SHIMADA M.Ortho-rectification and Slope Correction of SAR Data Using DEM and Its Accuracy Evaluation[J].IEEE Journal of Selected Topics in Applied Earth Observations and Remote Sensing,2010,3(4):657-671.

[7] 劉文祥,張繼賢,黃國滿,等.地形輻射校正在極化SAR影像分類中的應用[J].測繪科學,2014,39(3): 98-102.

[8] 吳濤,王超,張紅.雷達圖像模擬研究綜述[J].遙感信息,2005(4):237-240.

[9] FRANCESCHETTI G，MIGLIACCIO M，RICCIO D． SARAS: A Synthetic Aperture Radar (SAR) Raw Signal Simulator[J].IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing，1992，30(1):110-123.

[10] 劉智,張永賀,王冬紅,等.基于DEM 的SAR 圖像模擬[J].測繪科學技術學報, 2008,25(5): 317-320.

[11] 秦志遠,張寶印,靳國旺,等.基于DEM 和地物分類信息的SAR 圖像模擬[J].系統(tǒng)仿真學報,2009，21(8):2437-2440.

[12] XUE Dongjian,ZHENG Jie,LI Chengrao,et al.Landslides Monitoring with SAR/InSAR Technolog[C]∥The Third Imaging Radar Senior Academic Seminar of Earth Observation.[S.l.]:[s.n.],2016:542-545.

[13] 王慶,曾琪明,焦健,等. 基于DEM 和查找表的高分辨率機載SAR 圖像正射校正[J].測繪通報,2013(11):10-13.

[14] SMALL D F.Lattening Gamma:Radiometric Terrain Correction for SAR Imagery[J].IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing,2011,49(8):3081-3093.

Simulating SAR Images and Correcting Terrain Radiation Using DEM

XUE Dongjian1,2,3,LI Zengyuan1,ZHENG Jie2,3,LI Chengrao2,3,LI Wanqiu2,3

(1. Research Institute of Forest Resources Information Techniques,Chinese Academy of Forestry,Beijing 100091,China； 2. College of Earth Sciences ,Chengdu University of Technology,Chengdu 610059,China； 3. Key Laboratory of Geoscience Spatial Information Technology,Ministry of Land and Resources of the P.R.China,Chengdu 610059，China)

The simulated SAR image is beneficial to the automatic registration of the control points and image correction,especially in the mountains, where it is very difficult to get the ground control point. Based on the analysis of SAR imaging geometry and characteristics of ALOS PALSAR satellite orbit parameters, the range doppler (RD)geo-location model is used to calculate the position of the radar imaging point for each grid point of the DEM. The SAR image is simulated, the local incidence angle, projection angle，regularization factor are extracted. The simulated SAR image coincides with the real SAR image texture, which is beneficial to the automatic registration of the control points. And the terrain radiation correction model based on the regularization factor and angle of incidence is constructed to eliminate the distortion caused by the area effect and terrain undulation. From the analysis results, the difference of the brightness and darkness of the image after correction is obviously reduced. It has certain practical significance to radar quantitative inversion research.

PALSAR; SAR simulation; digital elevation model; terrain radiation correction

薛東劍，李增元，鄭潔，等.利用DEM進行SAR圖像模擬及地形輻射校正[J].測繪通報，2017(7)：14-17.

10.13474/j.cnki.11-2246.2017.0215.

2016-12-13

四川省教育廳重點項目(16ZA0100)；國家973計劃(2013CB733404)；國土資源部地學空間信息技術重點實驗室開放基金(KLGSIT2013-06)

薛東劍(1977—)，男，博士生，副教授，主要研究方向為SAR圖像處理及干涉測量。E-mail:xdj101@sina.com

P23

A

0494-0911(2017)07-0014-04