本发明涉及合成孔径雷达技术，具体涉及一种输电杆塔位置提取方法及系统。
背景技术：
合成孔径雷达(Synthetic Aperture Radar，SAR)是一种利用微波进行感知的主动传感器，和光学、红外等其它传感器相比，SAR成像不受云雾、雨雪、太阳光照条件等限制，可对感兴趣的目标进行全天候、全天时的监测，在冰雪灾害、地震灾害、洪水灾害等大范围自然灾害条件下有特殊的优越性。
目前，SAR卫星图像目标识别技术的研究多应用于军事目标、道路、机场、桥梁、建筑物等，和这些目标相比，输电线路及铁塔具有严格的设计与施工规范，其特征如下：①铁塔的各种塔型均属空间析架结构，塔身和横担的材料都为金属；②铁塔沿线路方向大部分呈线性排列，大转角情况只出现在少数特殊地形的地区；③除少数大跨越地区，铁塔与铁塔之间的档距按线路电压等级不同具有一定的规律性；④电网中多数铁塔的结构形状具有相似性，不同的塔头形状、设计规格等信息可以为目标识别与提取提供参考知识；⑤线路走向、电压等级、铁塔的位置坐标等信息已知。基于铁塔的这些特征，一方面可以充分利用这些先验知识提高铁塔目标识别的效率与速度；另一方面，铁塔的结构相对于车辆、坦克、建筑物等面状目标更加复杂，相对于道路、桥梁、机场等线状目标更为精细，使得铁塔目标识别的难度增大。
技术实现要素：
为解决上述现有技术中铁塔目标识别的难度增大的问题，本发明的目的是提供一种输电杆塔位置提取方法及系统，本发明提供的技术方案所提取的峰值精确地对应于目标区域的局部亮点，且其空间分布与目标的轮廓相符。铁塔的塔基和横担被清晰提取出来，能确定杆塔位置信息。
本发明的目的是采用下述技术方案实现的：
本发明提供一种输电杆塔位置提取方法，其改进之处在于：
通过卫星拍摄输电通道区域获取输电杆塔的目标区域图像，并生成对应的差分干涉相位图；
基于合成孔径雷达技术提取所述差分干涉相位图中输电杆塔的位置。
进一步地：所述通过卫星拍摄输电通道区域获取输电杆塔的目标区域图像，并生成对应的差分干涉相位图，包括：
将获取输电杆塔的目标区域图像生成干涉组合网络；
计算干涉组合网络中干涉像对的相关系数；
基于所述干涉像对的相关系数计算得到的相干矩阵；
基于所述相干矩阵选取干涉像对；
根据合成孔径雷达干涉测量处理方法将所述干涉像对生成至少两幅干涉相位图；
利用外部数字高程模型DEM或干涉像对生成的外部数字高程模型DEM在所述干涉相位图上做差分运算，生成差分干涉相位图。
进一步地：所述获取输电杆塔的目标区域图像生成干涉组合网络，包括：
从获取的输电杆塔的目标区域图像N+1景合成孔径雷达影像中两两配对形成N(N+1)/2个干涉像对；
根据所述N(N+1)/2个干涉像对生成干涉组合网络，N表示除标准影像外获取的雷达影像数目；N≥1。
进一步地：所述计算干涉组合网络中干涉像对的相关系数用下式表示：
其中：γ表示干涉像对的相关系数；<>表示平均，s1和s2表示干涉像对的两幅影像，*表示共轭。
进一步地：所述基于所述干涉像对的相关系数计算得到的相干矩阵用下式表示：
其中，[γ]表示相干矩阵；γi,j表示第i和j幅影像干涉像对的相关系数；i＝1,2,...,N；j＝1,2,...,N。
进一步地：所述根据合成孔径雷达干涉测量处理方法将所述干涉像对生成至少两幅干涉相位图，包括：
将干涉像对中的两幅影像导入轨道进行粗定位和前置滤波预处理；
将处理后的两幅影像进行配准后生成干涉相位图；
对每个干涉像对依次进行上述操作，生成至少两幅干涉相位图。
进一步地：所述外部数字高程模型DEM，用下式表示：
其中：h表示高程模型DEM，λ表示雷达波长，R表示PSC点的斜距，θ表示PSC点的入射角，B表示垂直基线长度，φh表示干涉像对两幅影像之间的相位差值。
进一步地：在所述基于合成孔径雷达技术提取差分干涉相位图中输电杆塔的位置之前，还包括：
选取差分干涉相位图中的永久散射体候选点；
计算每个永久散射体候选点上的线性形变速度和高程误差；
将大气扰动相位从除永久散射体候选点外的差分干涉相位图中移除；
在移除大气扰动相位后的差分干涉相位图中利用整体相关系数选择永久散射体。
进一步地：所述选取差分干涉相位图中的永久散射体候选点，包括：
在所述差分干涉相位图中逐个干涉像对进行幅度值分析，计算每个干涉像对的幅度平均值和标准偏差，与预先设定的评价指标和阈值进行对比；
当每个干涉像对的幅度平均值和标准偏差大于预先设定的评价指标和阈值时，选定为永久散射体候选点；否则，干涉像对不作为永久散射体候选点。
进一步地：所述计算每个永久散射体候选点上的线性形变速度和高程误差，包括：
根据选取的永久散射体候选点建立相邻永久散射体候选点之间的差分相位模型；
对于每一对相邻的永久散射体候选点，得到非线性方程组；
通过周期图方法搜索方程组的解－相邻永久散射体候选点之间的线性形变速度差和高程模型DEM误差的差异，并计算整体相关系数；
采用相位解缠算法得到离散网格中每个永久散射体候选点上的线性形变速度和高程模型DEM误差。
进一步地：所述相邻永久散射体候选点之间的差分相位模型用下式表示：
其中：Δφdiff表示差分相位，λ表示雷达波长，T、ΔRnon-linear、ΔφAPS、Δφnoise分别表示时间基线，非线性形变，大气因素造成的相位变化以及噪声造成的相位变化；Δv和Δh作为线性形变速率和高程模型DEM误差的估计值；R表示永久散射体候选点的斜距，θ表示永久散射体候选点的入射角，B表示垂直基线长度，h表示高程模型DEM。
进一步地：所述非线性方程组用下式表示：
其中：Δφdiff,k表示差分相位，W{}表示相位解缠算子；表示第k个PSC点的空间基线，Δφres,k表示残余相位误差，T和k分别表示时间基线和第k个永久散射体候选点；分别表示两个永久散射体候选点的斜距和入射角均值；Δv、Δδh和Δφres,k分别为两个永久散射体候选点之间的线性形变速率差、DEM误差之差和残差相位之差。
进一步地：所述整体相关系数用下式表示：
其中，γtotal，l为第l个干涉像对去除参考球面和地形相位后的整体相关系数，近似于相干系数估值γl，Z为以待估像元为中心的窗口大小；z为窗口内像元的索引号；和分别为根据第l个干涉像对轨道参数和成像参数以及外部DEM计算得到的参考椭球面和地形相位分量；IMl表示主影像视线方向，ISl表示从影像视线方向；i,j分别表示复数单位。
进一步地：所述将大气扰动相位从除永久散射体候选点外的差分干涉相位图中移除包括：
在每个永久散射体候选点上使用三角窗滤波器对时间域进行滤波，提取时间域的高频成份；
在每个干涉像对上对空间域进行滤波，提取空间域的低频成份；
根据所述高频成份和低频成分得到永久散射体候选点上的大气扰动相位；
利用插值方法来估算所有干涉对上所有的像素点上的大气扰动相位；
将计算出来的大气相位从差分干涉相位图中移除。
进一步地：所述在移除大气扰动相位后的差分干涉相位图中利用整体相关系数选择永久散射体包括：
保留整体相干系数大于设定阈值的永久散射体候选点作为永久散射体。
进一步地：所述基于合成孔径雷达技术提取差分干涉相位图中输电杆塔的位置包括：
通过基于峰值密度的门限检测去除来自杂波区域的峰值，在通过数据处理后的差分干涉相位图中提取输电杆塔的位置。
进一步地：在通过数据处理后的差分干涉相位图中提取输电杆塔的位置，包括：对差分干涉相位图中的每一个像素xi，j，取其周围一定区域作为检测窗口，根据检测窗口的统计特性确定一个阈值T，所述阈值T用于筛选差分干涉相位图的影像中输电杆塔位置点。
本发明还提供一种输电杆塔位置提取系统，其改进之处在于：
生成模块，用于获取输电杆塔的目标区域图像，并生成对应的差分干涉相位图；
提取模块，用于基于合成孔径雷达技术提取所述差分干涉相位图中输电杆塔的位置。
进一步地：所述生成模块，包括：
第一形成子模块，用于将获取输电杆塔的目标区域图像生成干涉组合网络；
预估子模块，用于预估干涉组合网络中干涉像对的相关系数；
选取子模块，用于基于所述干涉像对的相关系数计算得到的相干矩阵；
第二形成子模块，用于基于所述相干矩阵选取干涉像对；
第三形成子模块，用于根据合成孔径雷达干涉测量处理方法将所述干涉像对生成至少两幅干涉相位图；
第四形成子模块，用于利用外部数字高程模型DEM或干涉像对生成的外部数字高程模型DEM，生成差分干涉相位图。
与最接近的现有技术相比，本发明提供的技术方案具有的有益效果是：
本发明提供的技术方案通过卫星拍摄输电通道区域获取输电杆塔的目标区域图像，并生成对应的差分干涉相位图；基于合成孔径雷达技术提取所述差分干涉相位图中输电杆塔的位置。所提取的峰值精确地对应于目标区域的局部亮点，且其空间分布与目标的轮廓相符。铁塔的塔基和横担被清晰提取出来，能确定杆塔位置信息。
附图说明
图1是本发明提供的一种输电杆塔位置提取方法的流程图；
图2是本发明提供的干涉组合网络示意图；
图3是本发明提供的生成干涉图的流程图；
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的详细说明。
以下描述和附图充分地示出本发明的具体实施方案，以使本领域的技术人员能够实践它们。其他实施方案可以包括结构的、逻辑的、电气的、过程的以及其他的改变。实施例仅代表可能的变化。除非明确要求，否则单独的组件和功能是可选的，并且操作的顺序可以变化。一些实施方案的部分和特征可以被包括在或替换其他实施方案的部分和特征。本发明的实施方案的范围包括权利要求书的整个范围，以及权利要求书的所有可获得的等同物。在本文中，本发明的这些实施方案可以被单独地或总地用术语“发明”来表示，这仅仅是为了方便，并且如果事实上公开了超过一个的发明，不是要自动地限制该应用的范围为任何单个发明或发明构思。
实施例一、
以特高压输电铁塔为例，对SAR卫星图像研究特高压铁塔的目标特征。
特高压输电铁塔为角钢和构件组成的网状体，塔身和横担的材料都为金属，这种特征使得特高压铁塔在SAR卫星图像中有很强的后向散射特性。由于铁塔的横担为南北方向，与SAR平台飞行方向一致，使得铁塔目标的结构在图像上非常清晰，尤其是横担部分亮度极高。总体而言，铁塔横担的亮度高于铁塔主体结构的亮度，其原因在于横担的结构较为密集，雷达有效反射截面远大于铁塔主干的反射面积。部分铁塔塔基与地面形成角反射效应，产生强回波，在图像上形成亮区域。因此，高分辨率SAR卫星图像中特高压铁塔的目标特性反映为一系列亮点、具有一定宽度的亮线组合而成的和塔形相应的几何结构。总之，在高分辨率SAR卫星图像上特高压输电铁塔以结构信息表现，而不再是点目标形式，因此，通过其几何形状结构、空间拓扑关系、纹理特征等信息的提取来分析其毁损状态具有可行性。
杆塔在雷达图像中的特点可以总结为以下两点：①杆塔材料一般为金属材料，在SA R图像中有很强的后向散射特性，在图像上表现为较亮区域。②杆塔方向与与SAR平台飞行方向一致,使得铁塔目标的结构在图像上非常清晰,尤其是横担部分亮度极高。
本发明提供的一种输电杆塔位置提取方法的流程图如图1所示，包括：
一、获取输电杆塔的目标区域图像，并生成对应的差分干涉相位图；
(1)差分干涉相位图生成：获取输电杆塔的目标区域图像生成干涉组合网络，根据传统的小基线子集方法，在常规的时间基线、空间基线的垂直分量和多普勒质心频率差三个相干性影响因子的基础上，增加了时间基线的季节性变化、降水量两个影响因子，用于计算干涉像对的相关系数；然后根据计算得到的相干矩阵，选取具有高相干性的像对参与后续的时间序列形变反演。将构成干涉组合网络的干涉像对根据合成孔径雷达干涉测量处理方法生成若干幅干涉相位图。利用外部DEM或者相干性较好的若干干涉像对生成的DEM，消除地形相位，生成差分干涉相位图。
所述获取输电杆塔的目标区域图像生成干涉组合网络，包括：
从获取的输电杆塔的目标区域图像N+1景合成孔径雷达影像中两两配对形成N(N+1)/2个干涉像对；
根据所述N(N+1)/2个干涉像对生成干涉组合网络，N表示除标准影像外获取的雷达影像数目；N≥1。
计算干涉组合网络中干涉像对的相关系数用下式表示：
其中：γ表示干涉像对的相关系数；<>表示平均，s1和s2表示干涉像对的两幅影像，*表示共轭。
所述基于所述干涉像对的相关系数计算得到的相干矩阵用下式表示：
其中，[γ]表示相干矩阵；γi,j表示第i和j幅影像干涉像对的相关系数；i＝1,2,...,N；j＝1,2,...,N。
所述根据合成孔径雷达干涉测量处理方法将所述干涉像对生成至少两幅干涉相位图，包括：
将干涉像对中的两幅影像导入轨道进行粗定位和前置滤波预处理；
将处理后的两幅影像进行配准后生成干涉相位图；
对每个干涉像对依次进行上述操作，生成至少两幅干涉相位图。
进一步地：所述外部数字高程模型DEM，用下式表示：
其中：h表示高程模型DEM，λ表示雷达波长，R表示PSC点的斜距，θ表示PSC点的入射角，B表示垂直基线长度，φh表示干涉像对两幅影像之间的相位差值。
二、对所述生成的差分干涉相位图进行数据处理，包括：
(2)选择永久散射体候选点：挑选具有稳定散射特性的地面目标作为永久散射体候选点，是永久散射体算法中非常重要的一步，关系后续形变分析的准确性。直接利用SAR干涉相位图来选择相位稳定的散射点误差较大，而幅度离散度与相位发散程度有一定的关系，在幅度离散度小于0.25时，可以利用幅度离散度来估计相位发散的程度。为了对同一地面目标点在不同SAR影像上的幅度值进行比较，需要将各影像进行辐射校正。逐个像元地进行幅度值的分析，计算每个像元的幅度平均值和标准偏差的比值，并选取合适的评价指标和阈值，筛选出永久散射体候选点。这种方法受影像数量的影响较大，在影像数量较少时，不能正确地对幅度稳定性进行统计，产生较大的误差。
所述选取差分干涉相位图中的永久散射体候选点，包括：
在所述差分干涉相位图中逐个干涉像对进行幅度值分析，计算每个干涉像对的幅度平均值和标准偏差，与预先设定的评价指标和阈值进行对比；
当每个干涉像对的幅度平均值和标准偏差大于预先设定的评价指标和阈值时，选定为永久散射体候选点；否则，干涉像对不作为永久散射体候选点。
进一步地：所述计算每个永久散射体候选点上的线性形变速度和高程误差，包括：
(3)形变和高程误差的估计：在选出的PSC点上，差分干涉相位可以表示成形变相位、高程误差相位、轨道误差相位、大气扰动相位和噪声相位之和。假定地表形变以线性形变为主，而高程误差相位与高程误差成线性关系。但是由于此时每个PSC点上的差分干涉相位为缠绕相位，且在不同的差分干涉图上存在着相位漂移，无法直接解算每个PSC点上的方程计算出线性形变速度和DEM误差。此时需要构建Delaunay三角网连接PSC点，建立相邻PSC点之间的差分相位模型，降低非线性形变和大气扰动相位的影响。对于每一对相邻的PSC点，可以得到若干个方程，构成一个非线性的方程组，可以通过周期图等方法来搜索方程组的解－相邻PSC点之间的线性形变速度差和DEM误差的差异，并计算整体相关系数，采用相位解缠算法得到离散网格中每个PSC点上的线性形变速度和DEM误差。PSC点表示点状稳定散射体，PS点表示永久散射体。PSC是PS点的候选点。
根据选取的永久散射体候选点建立相邻永久散射体候选点之间的差分相位模型；
对于每一对相邻的永久散射体候选点，得到非线性方程组；
通过周期图方法搜索方程组的解－相邻永久散射体候选点之间的线性形变速度差和高程模型DEM误差的差异，并计算整体相关系数；
采用相位解缠算法得到离散网格中每个永久散射体候选点上的线性形变速度和高程模型DEM误差。
所述相邻三角网连接PSC点之间的差分相位模型用下式表示：
其中：Δφdiff表示差分相位，λ表示雷达波长，T、ΔRnon-linear、ΔφAPS、Δφnoise分别表示时间基线，非线性形变，大气因素造成的相位变化以及噪声造成的相位变化；Δv和Δh作为线性形变速率和DEM误差的估计值；R表示PSC点的斜距，θ表示PSC点的入射角，B表示垂直基线长度，h表示高程模型DEM。
进一步地：所述非线性方程组用下式表示：
其中：Δφdiff,k表示差分相位，W{}表示相位解缠算子；表示第k个PSC点的空间基线，Δφres,k表示残余相位误差，T和k分别表示时间基线和第k个PSC点；分别表示两个PS点的斜距和入射角均值；Δv、Δδh和Δφres,k分别为两个PSC点之间的线性形变速率差、DEM误差之差和残差相位之差。
进一步地：所述整体相关系数用下式表示：
其中，γtotal，l为第l个干涉像对去除参考球面和地形相位后的整体相关系数，近似于相干系数估值γl，Z为以待估像元为中心的窗口大小；z为窗口内像元的索引号；和分别为根据第l个干涉像对轨道参数和成像参数以及外部DEM计算得到的参考椭球面和地形相位分量；IMl表示主影像视线方向，ISl表示从影像视线方向；i,j分别表示复数单位。
通过周期图等方法来搜索方程组的解－相邻PSC点之间的线性形变速度差和DEM误差的差异表示为：
Δv(x,y)表示两点之间的相对性变速率；Δε(x,y)表示两点之间的相对高程误差；γ表示的是时域相干系数。为第k景差分干涉图中的模型残差。
(4)大气相位校正：在估计出每个PSC点上的线性形变速度和DEM误差并移除这部分相位之后，剩余的相位由非线性形变相位、大气扰动相位和噪声相位组成，其中大气相位和非线性形变相位在时间域和空间域具有不同的分布特征：非线性形变在空间域的相关长度较小，而在时间域具有低频特征；大气扰动在空间域的相关长度较大，在时间域呈现一个随机分布，可以理解为一个白噪声过程。因而大气相位可以根据其在时间域的高通和空间域的低通特性，在每个PSC点上使用三角窗滤波器对时间域进行滤波，提取时间域的高频成份，在每个干涉像对上对空间域进行滤波，提取空间域的低频成份，从而得到PSC点上的大气扰动相位。利用Kriging插值方法来估算所有干涉像对上所有的像素点上的大气扰动相位，并将计算出来的大气相位从差分干涉相位图中移除。
(5)PS点上形变和高程误差的重估计：在移除大气扰动相位之后，利用整体相关系数来选择永久散射体，保留整体相干系数大于一定阈值的PSC点作为PS点。在保留下来的PS点上重新建立方程组计算出线性形变速度和DEM误差，通过Kriging插值得到形变时间序列图和修正后的DEM。
基于合成孔径雷达技术提取差分干涉相位图中输电杆塔的位置，包括：
(6)由峰值检测得到潜在目标区域后发现，图像中比较亮的像素不仅包括目标像素，还包括杂波像素。一般而言，SAR卫星图像上目标区域的峰值总要比杂波区域的峰值稠密，因此，可通过基于峰值密度的门限检测方法来去除来自杂波区域的峰值，最后在通过数据处理后的差分干涉相位图中提取输电杆塔的位置，包括：对差分干涉相位图中的每一个像素xi,j,取其周围一定区域作为检测窗口，根据检测窗口的统计特性确定一个阈值T，所述阈值T用于筛选差分干涉相位图的影像中输电杆塔位置点。
实施例二、
基于同样的发明构思，本发明还提供一种输电杆塔位置提取系统，包括：
生成模块，用于获取输电杆塔的目标区域图像，并生成对应的差分干涉相位图；
提取模块，用于基于合成孔径雷达技术提取所述差分干涉相位图中输电杆塔的位置。
进一步地：所述生成模块，包括：
第一形成子模块，用于将获取输电杆塔的目标区域图像生成干涉组合网络；
预估子模块，用于预估干涉组合网络中干涉像对的相关系数；
选取子模块，用于基于所述干涉像对的相关系数计算得到的相干矩阵；
第二形成子模块，用于基于所述相干矩阵选取干涉像对；
第三形成子模块，用于根据合成孔径雷达干涉测量处理方法将所述干涉像对生成至少两幅干涉相位图；
第四形成子模块，用于利用外部数字高程模型DEM或干涉像对生成的外部数字高程模型DEM，生成差分干涉相位图。
本发明针对采动区地质灾害条件下输电线路广域监测应用的现状和需求，研究利用高分辨率SAR技术对特高压输电线路及铁塔进行广域监测的可行性，融合特高压输电线路的GIS数据，利用高分辨率SAR影像中铁塔目标检测及识别技术进行了特高压输电铁塔形变监测研究。
本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，这些未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，均在申请待批的本发明的权利要求保护范围之内。