几种利用雷达数据获取地表三维信息的方法

摘要：随着雷达技术的进步，雷达数据已经被越来越多得应用到各个研究领域。本文围绕获取地表三维信息这一目地，介绍了雷达干涉测量、雷达立体测量、雷达斜坡测量、建筑物三维信息提取等方法，并对方法进行比较。

关键词：雷达干涉测量；雷达立体测量；雷达斜坡测量；建筑物三维信息提取

Abstract: With the advances in radar technology, radar data has been more and more applied to various research fields. This paper focuses on access to the surface three-dimensional information, introduced the radar interferometer, radar three-dimensional measurement radar slope measurements, building three-dimensional information extraction methods.Key words: radar interferometer; radar three-dimensional measurement of; Radar slopes measurement; building three-dimensional information extraction

中图分类号：TN95 文献标识码： A 文章编号：

一、前言

合成孔径雷达（Synthetic Aperture Radar）已有五十多年的历史。20世纪50年代，美国军队开始装备SAR。这种雷达能够以很短的天线获取很高分辨率的影像，并且具有全天候、全天时的特点，最近一二十年来雷达技术发展得很快。

通过雷达获取地表三维信息的技术最近几年一直很热门，也发展出了很多相关的方法。其中雷达干涉测量（Interferometric SAR，InSAR）就是研究得最多也相对最成熟的一种方法；雷达立体测量（Stereoscopic SAR）也有不少人在研究，取得了相当的成果；雷达坡地测量和建筑物三维信息反演，研究的人员比较少，但是也有了长足的进展。

二、雷达干涉测量

雷达干涉测量[1-2]就是对于同一目标的两个脉冲（如不同位置上两个天线接收的）回波，产生两个相位信息，通过这之间的相位差异关系，估算那个目标的三维坐标。

图1 干涉测量几何原理示意图

图(1)中，S1、S2代表两个天线的位置；H是S1的高度；θ是S1的入射角；r1为S1到目标点的距离;r2为S2到目标点的距离；B为两天线间的距离，即基线；α是基线相对于水平方向的夹角；目标点高程为h；x方向为飞行方向。如果S1、S2和目标点之间的几何关系是十分稳定的或以一定精度可以计算的，则目标点高程可由下式计算：

由于：

(2)

从中得出：

(3)

如果由S1、S2对目标点的实际测量相位差为，令＝r2-r1，则可以表达为：

(4)

由式(2)得出的表达式与式(4)一并代入式(1)，即可将式(1)重写为：

(5)

由式(5)可以说明，地面点高程的计算与基线B、两天线的相对定向角度α及天线高度H是紧密相关的，必须在卫星上装载GPS接收机和惯性导航系统INS，才有助于精确地确定天线的位置和姿态，从而精确地确定有关基线的参量。

式(5)中则是通过干涉测量方法计算出来的针对地面上每一点的相位差，即

(6)

式(6)与式(4)是等价的，从该式可以知道，相位差值是一个实数值，其整数部分是回波路径差的整周数，而小数部分即(0,2π)区间内的数值，是不足波长的相位值。在进行干涉测量的过程中必须准确地计算出值，才能保证高程计算的精度，然而利用InSAR数据估计相位差值时，只能得到相位差值的小数部分，而整周数却不得而知，于是在雷达干涉测量的工作流程中，出现了一个称之为相位解缠的阶段，即计算相位差整周数部分的过程。将整周数与相位差值小数部分加起来才是值，才可以用于高程值的计算。

三、雷达立体测量

与基于雷达相位信息的干涉测量不同，雷达立体测量是基于灰度信息的，它与基于可见光立体像对的摄影相似[3-5]。立体像对是由不同摄站点获取的同一地区具有一定重叠度的两张像片，雷达影像存在的高差引起的投影差，同一高程的地物在两张雷达影像上的他投影差不同，当用两像片进行立体观察时将引起视差，产生立体感。在提取DEM的过程中，雷达影像成像模型的选择对最终结果有很大影响。基于距离－多普勒的RD成像模型是一种比较基础的模型。RD模型是根据雷达图像像点的距离条件和多普勒条件表达像点、物点和雷达成像参数之间的关系的成像模型。

其距离条件公式为：

（7）

公式中个变量含义如图2中所示。

其多普勒条件公式为：

（8）

式中：λ为波长，fd1、fd2分别为影像1、2对应的多普勒频率，其余各变量含义如图三所示。

当飞行速度矢量与天线至地面点距离矢量间的角度为90°时，多普勒频率为零，即fd1=fd2=0，这是一种理想状态。

地面点的坐标有三个未知数，当两幅影像经过严格配准之后，每一个地面点都可以写出四个等式，即式（7）～式（8），联立该四个等式，即可解算出地面点坐标。

四、雷达斜坡测量

雷达斜坡测量的目的在于揭示被观察地表的方位与雷达成像的关系，从而确定地面的坡度，通过对坡度的积分，获取相对的高程信息[6-8]。坡度的确定是关键。传统的方法是根据“阴影成形”（shape from shading）的原理，利用全极化数据是最近发展起来的一种解法。从全极化数据中可以估计出地形变化造成的极化方位角偏移，从方位角偏移中求解出一对正交坡度分量：方位向坡度和地距向坡度，最后通过对坡度的积分获取地形信息。

五、建筑物三维信息提取

随着SAR分辨率的不断提高，建筑物在高分辨率SAR图像上呈现的几何特征越来越明显。对高分辨率SAR影像上建筑物的阴影和叠掩进行分析，可以获得建筑物的三维信息[9-10]。

在高分辨率的雷达影像中，建筑物面向入射方向的一侧呈现明显的L形叠掩。如果有一面垂直于入射方向，将会产生角反射器效应，形成强烈回波。

假定建筑物为规则长方体，分两种情况考虑：

a叠掩区在屋顶部分以内b叠掩区超出了屋顶部分

图2 平顶建筑物竖直切面的成像几何结构分析

对SAR影像进行滤波、边缘检测，待确定了目标阴影、叠掩区域确定了，就可以分情况，按照图2所示求取建筑物的三维信息.。

六、结语

合成孔径雷达获取地表三维信息的技术已经被越来越广泛的应用到各个领域，雷达干涉测量研究的人最多也比较成熟，雷达立体测量研究人员较少也相对成熟，以上两种技术都已经成功的应用到生产中去了。雷达斜坡测量和建筑物三维信息提取也得到了越来越多人的关注，将获得进一步发展。

参考文献：

[1] 舒宁. 雷达影像干涉测量原理. 武汉：武汉大学出版社，2003

[2] Henri Maitre. 合成孔径雷达图像处理. 孙洪译. 北京：电子工业出版社，2005

[3] 刘国祥，李志林. 用雷达干涉测量与雷达立体测量生产数字高程模型的实验. 铁道勘察. 2004，1，10－15

[4] 邓磊，陈悦竹，陈云浩等. 利用雷达摄影测量方法提取DEM及其精度评价. 遥感信息. 2006，4，37－40

[5] 李永荣，张继贤，黄国满等. 用星载合成孔径雷达（SAR）立体影像生成DEM的方法 研究. 测绘科学，2005，30(6)，28－29

[6] 李洋，洪文，曹芳. 极化补偿－朗伯模型地形坡度估计方法. 微计算机信息. 2009， 25(2-3)， 43－44

[7] 梁淮宁. 全极化SAR地形高度测量技术研究[博士学位论文]. 成都：电子科技大学，2001

[8] 陈曦，张红，王超. 由地形坡度引起的极化方位角偏移的估计. 遥感技术与应用. 2007， 22(1)，59－65

[9] 傅兴玉，尤红建. 高分辨率SAR图像建筑物三维成像几何结构分析. 遥 感 技 术 与 应 用. 2010，25(4)，469－473

[10] 邹斌，许可，张腊梅. SAR图像建筑物三维信息提取方法研究. 雷达科学与技术. 2009，7(2)，95－101

注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。