一种基于成像面表征的极化sar地形辐射校正和几何纠正方法
【专利摘要】本发明涉及一种基于成像面表征的极化SAR地形辐射校正和几何纠正方法，该方法以SAR影像成像面的辐射值作为后向散射系数的表征,包括以下步骤：(1)获取区域内SAR影像、辐射定标文件外部DEM；(2)根据原始极化SAR影像的辐射定标文件进行辐射定标；(3)计算外部DEM的单元面积；(4)根据距离多普勒SAR定位模型生成SAR影像行列号查找表并计算等相位面的投影面积；(5)结合等相位面的投影面积和行列号查找表生成SAR模拟影像；(6)匹配真实SAR影像与模拟SAR影像,建立多项式纠正方程,精化行列号查找表；(7)根据基于SAR影像成像面的后向散射系数表达式对极化SAR影像进行地形辐射校正；(8)根据精化后的行列号查找表进行几何校正。提供的方案既可校正由于地形引起的极化SAR影像的辐射畸变,也可进行高精度的极化SAR影像几何定位和纠正。
【专利说明】—种基于成像面表征的极化SAR地形辐射校正和几何纠正方法
【技术领域】
[0001]本发明属于遥感影像处理领域，特别涉及包括真实孔径雷达和合成孔径雷达的侧视雷达遥感影像的地形辐射校正和几何校正方法。
【背景技术】
[0002]与传统的光学遥感数据相比，合成孔径雷达(Synthetic Aperture Radar,简称SAR)数据能够提供大量的地物散射特性和目标的极化信息，在目标检测、分解及参数反演等方面具有自身独特的优势。但是由于SAR本身成像特征及地形起伏的影响，使得SAR存在着严重的辐射畸变，导致目标物的后向散射系数存在严重误差。在SAR成像的过程中，多种系统与非系统因素都直接地或者间接地影响着后向散射系数。若利用后向散射系数定量研究某一种因素(粗糙度、生物量及土壤湿度等)的前提就是消除其他因素的影响，而地形效应就是其中必须需要消除的因素之一。因此，在应用SAR影像进行解译反演之前，SAR影像地形辐射校正是不可缺少的步骤，对于SAR影像的应用具有至关重要的作用。
[0003]目前，SAR地形辐射校正方法主要分为两个方法:(I)在地理空间坐标下，利用DEM(数字高程模型)数据求得各种校正参数进行地形辐射校正。首先将SAR影像进行几何校正，然后再利用各种参数进行地形辐射校正；(2)在SAR影像空间坐标下，利用DEM数据求得SAR像元所对应的散射积分面积进行地形辐射校正。首先利用DEM数据求得散射面积进行辐射校正，然后再进行几何校正。不论采用何种地形辐射校正，前提条件都是需要在高分辨率DEM数据支持下，才能取得较好的校正效果。
[0004]1989年，Freeman A等据地形起伏区域的成像特点，提出一种本地入射角校正方法。但由于该方法没有考虑地形起伏对散射单元面积的影响，并没有取得很好的校正。1993年，Van ZylJJ提出利用入射角来进行地形辐射校正，结合入射角、方位向、坡向、距离向坡度和方位向坡度的关系来计算每个地面单元的散射面积。但是该方法仅是论证地形起伏对散射面积的影响，并没有将SAR影像亮度值与后向散射系数结合起来。1996年，Ulander提出一种投影角校正方法，利用成像面法线与地面法线之间的夹角计算地面单元散射面积。但该方法校正后的SAR影像会表现出一定的模糊性，丢失许多纹理信息。2010年，陈尔学等利用严密几何定位模型并结合本地入射角和投影角计算地面散射面积进行地形辐射校正，取得较好的效果。以上校正方法均是地理空间坐标下，该系列方法并没有考虑到实际成像机制，仅能在地形起伏较小的区域能够取得较好校正效果。
[0005]1998年，David Small首先提出在SAR影像空间坐标下的方法。它在定位过程中计算每个SAR像元所对应的地面散射积分面积。但是该方法没有考虑到实际的SAR成像机制，仅计算地面散射积分面积，而没有计算等相位面积分面积。对于地形起伏较大区域无法取得较好效果。2010年，David Small再一次提出散射积分面积的方法，在定位过程中计算SAR所对应的等相位面散射积分面积。这种方法虽然符合实际的SAR成像机理，但并没有给出具体的推导过程与理由。而且在校正过程中也没有利用匹配算法对模拟SAR影像进行精化，对缺少控制点数据和状态参数误差较大的SAR影像无法取得很好效果。
【发明内容】
[0006]本发明的目的在于解决现有的地形辐射校正和几何纠正方法的不足，提出一种基于成像面表征的极化SAR地形辐射校正和几何纠正方法，推导出以成像面作为后向散射系数表征的表达式，符合实际的SAR成像机理，克服了由于SAR成像和地形导致的SAR影像严重的辐射畸变，同时通过匹配真实SAR影像与模拟SAR影像，建立精确的多项式纠正方程，大大提高几何纠正精度，最终能够生成经过地形辐射校正后的地理编码极化SAR产品，能够广泛应用于基于SAR影像的地物解译和参数反演。
[0007]本发明的技术方案具体如下面所描述:一种基于成像面表征的极化SAR地形辐射校正和几何纠正方法用于针对极化SAR影像的地形辐射校正和几何纠正，包括:1)获取区域内极化SAR影像、辐射定标文件或者定标参数，外部DEM (数字高程模型);2)根据原始极化SAR影像的辐射定标文件进行辐射定标；3)计算外部DEM的单元面积；4)根据距离多普勒SAR定位模型生成SAR影像行列号查找表并计算等相位面的投影面积；5)结合等相位面的投影面积和行列号查找表生成SAR模拟影像；6)匹配真实SAR影像与模拟SAR影像，建立多项式纠正方程，精化行列号查找表；7)根据基于SAR影像成像面的后向散射系数表达式对极化SAR影像进行地形辐射校正；8)根据精化后的行列号查找表进行几何纠正。
[0008]进一步地，优选的方法是，所述步骤(1)中，所述获取的极化SAR影像是机载或者星载的极化SAR数据，所述极化状态为HH、HV、VH、VV中的一种或多种，所述HH表示水平发射/水平接收状态，所述HV表示水平发射/垂直接收状态，所述VH表示垂直发射/水平接收状态，所述W表示垂直发射/垂直接收状态，所述极化SAR影像具有相应的辐射定标文件或者定标参数，获取的外部DE M文件的单元分辨率和极化SAR影像的分辨率处于同一数量级。
[0009]进一步地，优选的方法是，所述步骤(2)中，利用极化SAR影像参数文件中给出的辐射定标因子，对极化SAR影像中的每个通道的数据进行绝对辐射定标，将每个像素的像元值(DN)转换为基于SAR影像成像面的后向散射系数β °。
[0010]进一步地，优选的方法是，所述步骤(3)中，近似计算DEM单元的曲面面积大小，即通过计算DEM单元的四个角点连接形成两个相邻三角形的面积之和，近似得到DEM单元的实际曲面面积。
[0011]进一步地，优选的方法是，所述步骤(4)中，用极化SAR影像参数文件构建的距离多普勒SAR定位模型计算每个DEM单元所对应的初始SAR影像坐标，保存到和DEM同样大小的初始行列号查找表中。行列号查找表以复数形式进行存储，其中每个像元的实部与虚部分别对应原始SAR影像的行号和列号。同时，在定位过程中，利用式(I)计算每个DEM单元的投影角，生成与DEM数据同样大小的投影角文件。
【权利要求】
1.一种基于成像面表征的极化SAR地形辐射校正和几何纠正方法，用于针对极化SAR影像的地形辐射校正和几何纠正，包括下列步骤:1)获取区域内极化SAR影像、辐射定标文件或者定标参数，以及外部DEM ；2)根据原始极化SAR影像的福射定标文件或者定标参数进行辐射定标；3)计算外部DEM单元面积，DEM单元即DEM数据中每个像元代表实际地面，因DEM数据中无法表示实际地面曲面，只能利用两个相邻的三角形表示地面面积；4)根据距离多普勒SAR定位模型生成SAR影像行列号查找表并计算等相位面的投影面积；5)结合等相位面的投影面积和行列号查找表生成SAR模拟影像；6)匹配真实SAR影像与模拟SAR影像，建立多项式纠正方程，精化行列号查找表；7)根据基于SAR影像成像面的后向散射系数表达式对极化SAR影像进行地形辐射校正；8)根据精化后的行列号查找表进行几何纠正。
2.根据权利要求1所述的基于成像面表征的极化SAR地形辐射校正和几何纠正方法，其特征在于:步骤I)中，所述获取的极化SAR影像是机载或者星载的极化状态的SAR数据，所述极化状态为HH、HV、VH、VV中的一种或多种，所述HH表示水平发射/水平接收状态，所述HV表示水平发射/垂直接收状态，所述VH表示垂直发射/水平接收状态,所述W表示垂直发射/垂直接收状态，所述极化SAR影像具有相应的辐射定标文件或者定标参数，获取的外部DEM文件的单元分辨率和极化SAR影像的分辨率处于同一数量级。
3.根据权利要求1所述的基于成像面表征的极化SAR地形辐射校正和几何纠正方法，其特征在于:步骤2)中，利用极化SAR影像参数文件中给出的辐射定标因子，对极化SAR影像中的每个极化通道的数据进行绝对辐射定标，将每个像素的像元值转换为基于SAR影像成像面的后向散射系数β°。
4.根据权利要求1所述的基于成像面表征的极化SAR地形辐射校正和几何纠正方法，其特征在于:步骤3)中，近似计算DEM单元的曲面面积大小，即通过计算DEM单元的四个角点连接形成两个相邻三角形的面积之和，来近似得到DEM单元的实际曲面面积。
5.根据权利要求1所述的`基于成像面表征的极化SAR地形辐射校正和几何纠正方法，其特征在于:步骤4)中，利用极化SAR影像参数文件构建的距离多普勒SAR定位模型计算每个DEM单元所对应的初始SAR影像坐标，保存到和DEM同样大小的初始行列号查找表中；行列号查找表以复数形式进行存储，其中每个像元的实部与虚部分别对应原始SAR影像的行号和列号；同时，在定位过程中，利用式(I)计算每个DEM单元的投影角，生成与DEM数据同样大小的投影角文件， ,HmΦ = arccos( _ ^ )⑴
n.m Φ为投影角，向量W为成像面的法线，向量/i为地面单元的法线； 然后，结合生成的投影角文件，利用公式(2)计算每个DEM单元在等相位面Y上的投影面积，生成等相位面的投影面积文件，
dyDEM(i, j) = do DEM(i, j).Sin(J) (i, j) (2) 其中，(i，j)表不DEM影像的行列号,d σ是SAR影像像兀对应的实际地面面积,d Y是平面波等相位面散射单元，是行列号为(i，j)的DEM像元对应的投影角。
6.根据权利要求1所述的基于成像面表征的极化SAR地形辐射校正和几何纠正方法，其特征在于:步骤5)中，结合等相位投影面积文件和初始行列号查找表，利用式(3)计算初始模拟SAR影像，像元值为所对应的初始等相位面散射积分面积，
7.根据权利要求1所述的基于成像面表征的极化SAR地形辐射校正和几何纠正方法，其特征在于:步骤6)中，由于极化SAR影像参数的精度低，DEM生成的模拟影像与真实SAR影像之间存在偏移，利用匹配算法，求得初始模拟SAR影像与真实SAR影像之间的偏移量，建立两者之间的多项式纠正方程，精化行列号查找表；然后结合等相位投影面积文件，重新得到与真实SAR影像相匹配的精化模拟SAR影像。
8.根据权利要求1所述的基于成像面表征的极化SAR地形辐射校正和几何纠正方法，其特征在于:步骤7)中，根据基于SAR影像成像面的后向散射系数表达式，对极化SAR影像进行地形辐射校正，如公式(4)，
9.根据权利要求1所述的基于成像面表征的极化SAR地形辐射校正和几何纠正方法，其特征在于:步骤8)中，根据精化后的行列号查找表，对地形辐射校正后的每个通道的极化SAR影像进行几何纠正，将SAR影像投影至地理空间坐标，得到经过地形辐射校正后的地理编码极化SAR产品。
【文档编号】G01S7/40GK103869296SQ201410038821
【公开日】2014年6月18日 申请日期:2014年1月26日 优先权日:2014年1月26日
【发明者】张继贤, 卢丽君, 刘文祥, 黄国满, 杨书成 申请人:中国测绘科学研究院