[发明专利]单次全极化合成孔径雷达图像反演数字高程模型的方法

说明书

技术领域

本发明属于空间遥感与图像处理技术领域，具体涉及一种通过合成孔径雷达图像获取数字高程模型(DEM)的方法。

背景技术

合成孔径雷达(Synthetic Aperture Radar，SAR)是一种主动的机载或星载传感器。它的基本原理是：卫星在轨道飞行中于不同位置定时地对同一地物发射电磁波脉冲信号，同时接收回波信号。在某种意义上，可以认为是延伸了雷达天线的长度，从而大大提高了分辨率。另外，由于合成孔径雷达还具有全天时、全天候、不受大气传播和气候影响、穿透力强等优点，因此在民事和军事方面的应用非常广泛。

数字高程模型(Digital Elevation Model)，简称DEM。它是用一组有序数值阵列形式表示地面高程的一种实体地面模型，是数字地形模型(Digital Terrain Model，简称DTM)的一个分支。一般认为，DTM是描述包括高程在内的各种地貌因子，如坡度、坡向、坡度变化率等因子在内的线性和非线性组合的空间分布，其中DEM是零阶单纯的单项数字地貌模型，其他如坡度、坡向及坡度变化率等地貌特性可在DEM的基础上派生。

目前，通过SAR图像获取数字高程模型(DEM)的方法主要有以下四种：雷达测角(Radarclinometry)、雷达立体影像测量(Radargrammetry)、雷达干涉测量(SAR Interferometry)和雷达极化测量(SAR Polarimetry)。其中，雷达立体影像测量和雷达干涉测量必须使用两幅SAR图像，前者存在由不同成像视角引起配准困难的问题，而后者的精度虽高，但相关技术的实现难度大；雷达测角只需要单幅SAR图像，直接从地表的后向散射强度反演DEM，但在反演过程中约束条件过多，且忽略了方位向坡度，因此精度不高；而雷达极化测量是三维SAR成像技术中一种最新的发展方向，这种方法不同于雷达干涉测量的三维成像技术，不是利用两幅图像的相位差提取高度信息，而是利用雷达回波的极化综合信息检测地形高度。

Schuler等人研究表明，当原本平坦的地表在方位向(即飞行方向)上发生倾斜时，其同极化响应的极大值位置会发生改变，即极化方位角ψ将有一个偏移，这个现象可以用于估计地形起伏。由于单次全极化飞行通过极化方位角估计技术只能获得方位向坡度，然而还需要已知距离向坡度，才能利用类似干涉SAR相位解缠的最小二乘技术构建整景图像的DEM。通常情况下，需要研究区域的参考DEM或者另一次全极化的正交飞行才能获得与方位向正交的距离向坡度。由于目前极化SAR数据以及参考DEM的缺乏，上面提到的方法往往不容易实现。

现有技术中只通过单次全极化飞行获取DEM的方法，是通过欧拉角变换得到一个有关射程角β和水平方位角γ的表达式，再结合从极化数据中估计的极化方位角ψ得到射程角β。又由于方位向坡度S_A和距离向坡度S_R可用射程角β和水平方位角γ表示，以此得到DEM反演。但此方法在提取水平方位角γ时需要使用复杂的数字图像处理技术。

发明内容

本发明的目的在于克服了上述现有技术的缺点，提出了一种结合雷达极化和雷达测角技术使用单次全极化的数字高程模型(DEM)的反演方法。

按照本发明的单次全极化合成孔径雷达图像反演数字高程模型的方法，包括如下步骤：(1)使用圆极化方法，从极化合成孔径雷达数据估计极化方位角ψ偏移，并对ψ偏移进行去奇异点处理，建立极化方位角ψ偏移与本领域技术人员公知的距离向坡度角α和方位向坡度角β之间的数据关系；(2)使用雷达测角中的从阴影到形状技术，建立地表后向散射强度与距离向坡度角α和方位向坡度角β之间的数据关系；(3)从上述步骤(1)和(2)两个数据关系，计算距离向坡度α和方位向坡度β；(4)从极化合成孔径雷达数据计算共极化响应信号图，从所述共极化响应信号图中提取权重图；(5)从上述步骤(3)和(4)的结果，用加权的最小二乘算法求解有关地面高程的离散泊松方程，从而反演得到合成孔径雷达观测区域的数字高程模型。

本发明是基于雷达极化测量方法对方位向坡度敏感，而雷达测角技术对距离向坡度敏感的基础，结合这两种三维SAR成像技术的各自特点，从单次全极化SAR图像反演数字高程模型(DEM)的方法，从而具有容易实现、可满足大范围中等精度地形测绘需求的优点。

附图说明

图1为奇异点检测示意图；

图2为面元的几何参数模型；

图3为本发明的计算程序流程框图；

图4为中国新疆省乌鲁木齐地区的SIR-C数据(C波段Pauli分解RGB图像)；

图5为乌鲁木齐地区方位向坡度图；