楊魁,陳楚,張?chǎng)析?吳正鵬

(天津市測(cè)繪院,天津 300381)

InSAR中角反射器的識(shí)別策略研究

楊魁?,陳楚,張?chǎng)析?吳正鵬

(天津市測(cè)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(diǎn),提出由粗到精的識(shí)別策略,基于預(yù)處理實(shí)現(xiàn)角反射器的粗識(shí)別,通過目視解譯優(yōu)化角反射器的位置,利用其時(shí)空特點(diǎn)開展統(tǒng)計(jì)分析提取出精確的位置。并利用Cosmo數(shù)據(jù)為例對(duì)識(shí)別策略進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究,有效地識(shí)別角反射器的精確位置信息,從而驗(yàn)證了本文角反射器識(shí)別策略的有效性。

角反射器;識(shí)別;統(tǒng)計(jì)分析

1 引 言

星載雷達(dá)干涉測(cè)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(duì)可靠穩(wěn)定的永久散射體進(jìn)行時(shí)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(cè)的重要技術(shù)手段之一。但是該項(xiàng)技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用過程中卻存在著一定的缺點(diǎn),難以監(jiān)測(cè)相干目標(biāo)較少但又必須監(jiān)測(cè)的形變區(qū)域,難以獲取絕對(duì)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(duì)應(yīng)的水準(zhǔn)實(shí)測(cè)成果獲取了絕對(duì)監(jiān)測(cè)成果[1,2]。目前角反射器的設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)做得比較多[3],但是對(duì)角反射器的識(shí)別的研究則較少。德國(guó)的夏耶博士、北京大學(xué)的薛笑榮博士后曾對(duì)SAR圖像上角反射器識(shí)別做過研究,他們的工作僅僅具有自身的參考性,并不對(duì)所有的CR點(diǎn)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(jì)分析相結(jié)合的角反射器識(shí)別策略;并以臨港工業(yè)區(qū)安裝的角反射器為對(duì)象,進(jìn)行識(shí)別實(shí)驗(yàn)和深入分析,驗(yàn)證了角反射器識(shí)別策略的可靠性。

2 角反射器識(shí)別的技術(shù)路線

角反射器干涉測(cè)量技術(shù)中重要的一步就是在雷達(dá)圖像上識(shí)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(jì)分析識(shí)別相結(jié)合的方法來識(shí)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(shí)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(shí)現(xiàn)時(shí)間序列上的多個(gè)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(shí)別上。

(1)影像配準(zhǔn)

時(shí)間序列SAR影像對(duì)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(duì)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(gè)像元之間嚴(yán)格的對(duì)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(shí)現(xiàn)1/8個(gè)像元以上的配準(zhǔn)精度。

(2)濾波處理

對(duì)SAR數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)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(cè)值,R(t)為理想的圖像;u(t)為相干斑噪聲。

針對(duì)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(jì)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(jì)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(jì)分析減少工作量。目視解譯方法采用由粗到精的識(shí)別策略,包括地理編碼處理、基于相對(duì)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(cè)得安裝點(diǎn)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(hào),并通過數(shù)值迭代解法來逐步逼近真實(shí)的影像位置(i,j),最終實(shí)現(xiàn)基于間接地理定位原理下的地理編碼處理。

(2)相對(duì)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(duì)比情況的解譯知識(shí),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(duì)位置來精化角反射器點(diǎn)位置的目的。

2.3 統(tǒng)計(jì)分析方法

統(tǒng)計(jì)分析方法是根據(jù)PSInSAR技術(shù)中PS點(diǎn)的識(shí)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(zhǎng)時(shí)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(shí)間上用強(qiáng)度離差方法來評(píng)估其穩(wěn)定性[7]。

(1)空間統(tǒng)計(jì)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(gè)像素組成的局部范圍內(nèi)表現(xiàn)為近似對(duì)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(gè)類似的空間窗口。在角反射器的大概位置內(nèi)進(jìn)行滑動(dòng),并計(jì)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(shí)間統(tǒng)計(jì)分析

由于角反射器的強(qiáng)反射特點(diǎn),其在時(shí)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(shí)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(cè)度,選擇大于指定閾值的點(diǎn)位為角反射器的精確位置。

3 實(shí)驗(yàn)及結(jié)果分析

3.1 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

實(shí)驗(yàn)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(xiàng)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(shí)現(xiàn)地面沉降的監(jiān)測(cè),尤其是低相干區(qū)域的沿海區(qū)域監(jiān)測(cè)十分迫切。

實(shí)驗(yàn)采用的SAR數(shù)據(jù)為高空間分辨率的Cosmo數(shù)據(jù),波長(zhǎng)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(shí)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(gè),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(shí)處),布設(shè)時(shí)間約為2009年。

圖3 角反射器分布總圖

3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

在上節(jié)中對(duì)角反射器由粗到精識(shí)別的技術(shù)路線進(jìn)行分析,針對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的情況,以臨港工業(yè)區(qū)的CR5為例,來分析整個(gè)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(shí)現(xiàn)空間信息的一致性。

其次進(jìn)行濾波處理。在最初CR識(shí)別時(shí),非常有必要進(jìn)行斑點(diǎn)去除,濾波前后對(duì)比如圖4(a)和圖4 (b)所示,斑點(diǎn)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(duì)比

然后利用其實(shí)測(cè)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(yàn)證了識(shí)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(shí)驗(yàn)區(qū)高分辨率的地形圖信息、影像信息圖6(a)來實(shí)現(xiàn)基于相對(duì)位置的優(yōu)化,以其在道路綠化帶內(nèi)的相對(duì)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(diǎn),構(gòu)建出一個(gè)15×15的模板,中間點(diǎn)的亮度最大,周圍點(diǎn)亮度逐漸遞減至0。在圖6(b)中的藍(lán)色點(diǎn)所示位置為中心的30×30窗口內(nèi)平滑后計(jì)算相關(guān)系數(shù),取相關(guān)系數(shù)大于一定閾值的點(diǎn)為可能的角反射器點(diǎn)。采用同樣的流程對(duì)配準(zhǔn)后的其他19景影像進(jìn)行類似處理,對(duì)所有可能的點(diǎn)取其后向散射強(qiáng)度信息,統(tǒng)計(jì)分析器均值與方差的比率,選擇最大比率對(duì)應(yīng)的點(diǎn)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(shí)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(hào)為20130817)、2013年10月份(編號(hào)為20131020)的Cosmo數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比,如圖8所示。在兩期影像內(nèi)最大值為中心點(diǎn),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(shí)間序列上角反射器的散射特性不易隨時(shí)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(jì)

4 結(jié) 論

人工角反射器對(duì)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(duì)其識(shí)別的問題,提出由粗到精的多層次識(shí)別策略。首先通過影像配準(zhǔn)、濾波等預(yù)處理實(shí)現(xiàn)角反射器的初步識(shí)別;然后基于地理編碼處理、相對(duì)位置優(yōu)化等實(shí)現(xiàn)角反射器的目視解譯;最后從空間上、時(shí)間上進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析實(shí)現(xiàn)對(duì)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(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),開展臨港角反射器的識(shí)別工作;通過對(duì)整個(gè)識(shí)別流程中的各個(gè)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(yàn)證了本文識(shí)別策略的有效性和可實(shí)施性。

[1] 閆世勇.角反射器雷達(dá)干涉實(shí)驗(yàn)及在形變監(jiān)測(cè)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(guó)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(cè)[D].北京大學(xué)博士后出站報(bào)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(cè)中的應(yīng)用研究[J].城市勘測(cè),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(guó)土資源部公益性行業(yè)科研專項(xiàng)(201311045)