一種星載SAR立體測量輔助的干涉相位圖解纏繞方法
一種星載sar立體測量輔助的干涉相位圖解纏繞方法
技術領域
1.本發明屬于圖像處理技術領域，具體涉及一種星載sar立體測量輔助的干涉相位圖解纏繞方法。
背景技術：
2.dem是描述地球表面形狀的三維數字模型，由一系列包含有地理平面坐標和高程的數據集組成，在科學研究、經濟建設和軍事領域都居于重要的應用價值。某些特定的應用場合如地震形變提取、地形監測中，高分辨率高精度dem顯得尤為重要，但是通常其提取非常復雜。in-sar（interferometric synthetic aperture radar，in-sar）由于其全天時、全天候的工作特性，且作為一種主動式傳感器，成為高校準確獲取dem的方法之一。在山區等地表起伏較大的復雜地形區域，雷達的干涉相位圖將產生密集的條紋，將纏繞相位恢復成絕對相位的過程，即相位解纏繞過程，可能會由于劇烈的相位梯度變化出現大量斷層錯誤，嚴重影響由相位圖生成的dem數據精度。
3.目前在相位解纏繞過程中避免錯誤的方法主要分為兩類，基于輔助dem的相位解纏繞方法與多基線干涉解纏繞方法。其中基于輔助dem的相位解纏繞的方法采用其他方式獲取的dem數據，將dem數據轉換到sar圖像坐標系下經，在和sar圖像配準后，與干涉圖做差分，形成差分干涉圖來降低解纏繞難度。但這種方法容易受到配準精度影響、分辨率較低、轉換耗時，差分后會帶來地形連續性問題，并且dem數據與sar圖像采集時間差較大，在發生較大的地形變化時該方法將無法提供正確的參考地形，導致解纏繞出現錯誤。而基于多基線干涉的解纏繞方法則是通過對待處理區域進行多次不同基線的飛行，獲取具有不同模糊高度的干涉數據，增加了解纏繞積分的梯度變化范圍。但該方法需要對同一地區掃描多次，成本較高，時間跨度大，對于星載sar系統多次重軌航過通常需要數月時間。并且數據采集較大的時間跨度可能會發生地形的起伏變化，因而導致多基線解纏繞方法中重要的相位約束條件喪失，導致解纏繞錯誤。因此如何高效、準確的進行相位解纏繞依舊需要進一步研究。
技術實現要素：
4.本發明的目的在于解決傳統干涉相位解纏繞容易出現錯誤的問題，基于條帶模式sar數據，通過將干涉處理流程中主、輔圖像精細匹配獲得的立體測量偏移量轉換為立體測量相位，充分利用該結果形成差分干涉圖，輔助干涉相位解纏繞的過程，并重新確定差分干涉圖解纏繞權重，盡可能減少由于解纏繞錯誤引發的相位斷層，顯著提升解纏繞相位質量。
5.為達到上述目的，本發明采用的技術方案為：一種基于星載sar立體測量輔助的干涉相位圖解纏繞方法，包括如下步驟：步驟101、將主、輔圖像精細配準得到的立體測量像素偏移量轉換為立體測量相位，并對立體測量相位和干涉相位圖進行去平地；步驟102、對去平地后的干涉相位圖進行濾波，并利用立體測量相位與濾波的干涉
相位圖差分形成小梯度差分干涉相位圖；步驟103、利用共變性計算方式重新確定差分干涉相位圖的解纏繞權重；步驟104、利用所述步驟103中得到的解纏繞權重對差分干涉相位圖進行解纏繞，并將立體測量相位和差分干涉相位圖解纏繞結果求和，重建解纏繞的干涉相位圖。
6.進一步地，所述步驟101具體為：利用相干性計算主、輔圖像像素塊之間的精細偏移量，即立體測量像素偏移量，結合sar幾何關系，將所述立體測量像素偏移量轉換為立體測量相位，并利用去平地方法，同時去除立體測量相位和干涉相位圖中的平地效應。
7.進一步地，所述步驟102具體為：首先對去平地的干涉相位圖進行濾波處理，隨后將去平地的立體測量絕對相位與經過濾波和去平地的干涉相位圖做差，并重新纏繞，得到僅有相位信息的差分干涉圖，從而減小干涉圖的相位變化梯度，降低解纏繞難度。
8.進一步地，所述步驟103中的所述共變性計算方式為：計算差分干涉相位圖中每個點的共變性都在以該點為中心的一個ω
×
ω的大小的窗口內計算，其中ω為大于3的整數，是方形計算窗口的長度和寬度，將該共變性作為差分干涉相位圖的解纏繞權重ω
col
：其中，φ
diff
為差分干涉相位圖，集合w為窗口內除了中心點以外的點，p
?
為集合w中的點，φ
p
?
為集合w中每個點的相位值，wrap(x)表示將相位x纏繞在[-π,π)之間，表示自然常數e的jφ
p
?
次方，j為虛數單位，arg(
?
)表示取復數的相位。
[0009]
進一步地，所述步驟104包括：利用所述步驟103中的解纏繞權重ω
col
，對差分干涉相位圖進行相位解纏繞，解纏繞過程為將差分干涉相位圖轉換為差分干涉絕對相位圖，隨后將立體測量相位和差分干涉相位圖解纏繞結果求和，得到重建的解纏繞的干涉相位圖。
[0010]
本發明實現了準確的相位解纏繞，與已有的技術相比，具有如下顯著效果：（1）本發明的立體測量偏移量來自于數據本身精細配準的過程，不需要外部輔助信息，包括并不局限于輔助dem，來輔助解纏繞，因此避免了地面發生劇烈形變后，輔助信息過于陳舊帶來的誤差和輔助信息與干涉圖進行配準帶來的誤差。
[0011]
（2）本發明能夠減少原始干涉相位圖的梯度，降低了相位解纏繞的復雜度，并且利用共變性重新確定了解纏繞的權重，使得差分干涉相位圖解纏繞過程可以沿著高質量路徑進行解纏繞，因此大幅度減少了由于解纏繞錯誤引發的相位斷層，顯著提升解纏繞相位質量。
附圖說明
[0012]
圖1是本發明的一種星載sar立體測量輔助的干涉相位圖解纏繞方法流程圖；圖2是本發明的in-sar干涉測量與立體測量模型；圖3是本發明中的立體測量偏移量圖；圖4是本發明中的方法對干涉相位解纏繞的結果圖；
圖5是直接利用最小費用流方法對干涉相位解纏繞的結果圖；圖6是本發明中的方法對干涉相位解纏繞結果的誤差圖；圖7是直接利用最小費用流方法對干涉相位解纏繞結果的誤差圖。
具體實施方式
[0013]
為了使本發明的目的、技術方案及優點更加清楚明白，以下結合附圖及實施例，對本發明進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發明，并不用于限定本發明。此外，下面所描述的本發明各個實施方式中所涉及到的技術特征只要彼此之間未構成沖突就可以相互組合。
[0014]
如圖1所示，本發明的一種星載sar立體測量輔助的干涉相位圖解纏繞方法包括如下步驟：步驟101：將主、輔圖像精細配準得到的立體測量像素偏移量轉換為立體測量相位，并對立體測量相位和干涉相位圖進行去平地。
[0015]
具體的，經過對sar圖像采用精細配準的流程，包括并不局限于基于相干系數的精配準等方法，可以得到分辨率低于干涉圖的立體測量偏移量，如圖3所示，通過插值處理得到分辨率和干涉圖一致的立體測量偏移量，其中插值方法包括并不局限于最近鄰插值、二次樣條插值等。根據圖2所示幾何關系，通過立體測量分辨率和干涉相位模糊高度的轉換關系，從而將立體測量偏移量轉換為立體測量相位：：：其中，ρ為sar主圖像距離向采樣分辨率，h
amb
表示模糊高度，
?hstereo
表示計算得到的立體測量相對高度，θm為主圖像下視角，
?
θ為主、輔圖像之間的下視角差，rm、rs分別為主、輔圖像的斜距，為主圖像每個像素的偏移量，b
len
為基線總長度，b
perp
為垂直基線長，λ為雷達發射電磁波波長。上述公式僅針對于重軌干涉sar的情況。
[0016]
上述情況為重復軌道干涉的情況，對于雙基干涉sar的情況下，將立體測量偏移量轉換為立體測量相位的表達式則表示為：
隨后利用sar系統精確的軌道信息，采用軌道法估計平地效應，由于立體測量相位和干涉相位圖的平地效應是一致的，因此分別對立體測量相位和干涉相位圖采用相同的方法進行去平地處理。
[0017]
步驟102：對去平地干涉相位圖進行濾波，并利用立體測量相位與濾波的干涉相位圖差分形成小梯度差分干涉相位圖。
[0018]
具體為：采用干涉相位圖濾波算法對去平地的干涉相位圖進行濾波處理，濾波方法包括并不局限于goldstein、nl-sar、nl-insar等干涉相位圖濾波方法。隨后對經過去平地和濾波處理的干涉相位圖和立體測量相位進行差分處理，得到差分干涉相位圖φ
diff
：其中，φ
flt
為經過去平地和濾波處理的干涉相位圖，arg(
?
)表示取復數的相位。
[0019]
步驟103：利用改進的共變性計算方式重新確定差分干涉相位圖的解纏繞權重。
[0020]
具體為：提出了一種改進的共變性計算方式，計算差分干涉圖中每個點的共變性都以該點為中心的一個ω
×
ω的大小的窗口內計算，其中ω為整數，是方形計算窗口的長度和寬度，通常取大于3的整數，將該修改的共變性作為差分干涉相位圖的解纏繞權重ω
col
：其中，集合w為窗口內除了中心點以外的點，p
?
為集合w中的點，φ
p
?
為集合w中每個點的相位值，wrap(x)表示將相位x纏繞在[-π,π)之間，表示自然常數e的jφ
p
?
次方，j為虛數單位。
[0021]
步驟104：利用所述步驟103中得到的解纏繞權重對差分干涉相位圖進行解纏繞，并將立體測量相位和差分干涉相位圖解纏繞結果求和，重建解纏繞的干涉相位圖。
[0022]
具體為：利用解纏繞方法，以步驟103中計算ω
col
值作為解纏繞權重，對差分干涉相位圖φ
diff
進行解纏繞，得到解纏繞的絕對差分相位。由于原始干涉相位與解纏繞相位與差分干涉圖解纏繞相位相差的值為立體測量相位，因此將差分干涉圖解纏繞結果與立體測量結果加和得到重建的，高準確度解纏繞干涉相位。解纏繞方法包括并不局限于最小費用流方法、枝切法等。解纏繞過程將差分干涉相位圖φ
diff
轉換為差分干涉絕對相位圖。
隨后將立體測量相位和差分干涉相位圖解纏繞結果求和，得到重建的解纏繞的干涉相位圖：下面結合具體實施例對本發明的技術方案作進一步詳細說明。
[0023]
實施例1本實施例采用alos衛星sar傳感器（palsar）科羅拉多峽谷地區的實測數據驗證本發明的技術方案。圖3是本發明中的立體測量偏移量圖；圖4為本發明中立體測量偏移量輔助下利用最小費用流方法對干涉相位解纏繞的結果圖，圖5為傳統方法利用最小費用流方法對干涉相位解纏繞的結果圖。圖6為本發明利用最小費用流方法對干涉相位解纏繞的誤差圖。圖7為本發明中的利用最小費用流方法對干涉相位解纏繞的誤差圖。實施例中，本發明的相位解纏繞方法同樣采用最小費用流算法。可以看出，相比于傳統的方法，解纏繞干涉相位圖結果和參考標準相位的均方根誤差(root mean square error, rmse)由直接解纏繞方法的28.81 rad，降低到本方法的2.60 rad。存在模糊高度偏差的區域由72.77%降低至9.51%，準確度提升顯著。
[0024]
以上所述，僅為本發明的部分實施例而已，并非用于限定本發明的保護范圍。本領域的技術人員容易理解，以上所述僅為本發明的較佳實施例而已，并不用以限制本發明，凡在本發明的精神和原則之內所作的任何修改、等同替換和改進等，均應包含在本發明的保護范圍之內。
技術特征：
1.一種基于星載sar立體測量輔助的干涉相位圖解纏繞方法，其特征在于，包括如下步驟：步驟101、將主、輔圖像精細配準得到的立體測量像素偏移量轉換為立體測量相位，并對立體測量相位和干涉相位圖進行去平地；步驟102、對去平地后的干涉相位圖進行濾波，并利用立體測量相位與濾波的干涉相位圖差分形成小梯度差分干涉相位圖；步驟103、利用共變性計算方式重新確定差分干涉相位圖的解纏繞權重；步驟104、利用所述步驟103中得到的解纏繞權重對差分干涉相位圖進行解纏繞，并將立體測量相位和差分干涉相位圖解纏繞結果求和，重建解纏繞的干涉相位圖。2.根據權利要求1所述的一種基于星載sar立體測量輔助的干涉相位圖解纏繞方法，其特征在于，所述步驟101具體為：利用相干性計算主、輔圖像像素塊之間的精細偏移量，即立體測量像素偏移量，結合sar幾何關系，將所述立體測量像素偏移量轉換為立體測量相位，并利用去平地方法，同時去除立體測量相位和干涉相位圖中的平地效應。3.根據權利要求2所述的一種基于星載sar立體測量輔助的干涉相位圖解纏繞方法，其特征在于，所述步驟102具體為：首先對去平地的干涉相位圖進行濾波處理，隨后將去平地的立體測量相位與經過濾波和去平地的干涉相位圖做差，并重新纏繞，得到僅有相位信息的差分干涉相位圖，從而減小干涉相位圖的相位變化梯度，降低解纏繞難度。4.根據權利要求3所述的一種基于星載sar立體測量輔助的干涉相位圖解纏繞方法，其特征在于，所述步驟103中的所述共變性計算方式為：計算差分干涉相位圖中每個點的共變性都在以該點為中心的一個ω
×
ω的大小的窗口內計算，其中ω為大于3的整數，是窗口的長度和寬度，將該共變性作為差分干涉相位圖的解纏繞權重ω
col
：其中，φ
diff
為差分干涉相位圖，集合w為窗口內除了中心點以外的點，p'為集合w中的點，φ
p'
為集合w中每個點的相位值，wrap(x)表示將相位x纏繞在[-π,π)之間，表示自然常數e的jφ
p'
次方，j為虛數單位，arg(
?
)表示取復數的相位。5.根據權利要求4所述的一種基于星載sar立體測量輔助的干涉相位圖解纏繞方法，其特征在于，所述步驟104包括：利用所述步驟103中的解纏繞權重ω
col
，對差分干涉相位圖進行相位解纏繞，解纏繞過程為將差分干涉相位圖轉換為差分干涉絕對相位圖，隨后將立體測量相位和差分干涉相位圖解纏繞結果求和，得到重建的解纏繞的干涉相位圖。
技術總結
本發明涉及一種基于星載SAR立體測量輔助的干涉相位圖解纏繞方法，包括：據SAR幾何關系，將主、輔圖像精細配準得到的立體測量像素偏移量轉換為立體測量相位，并對立體測量相位進行去平地；對去平地干涉圖進行濾波，并利用去平地立體測量相位與濾波后的去平地干涉圖差分，形成小梯度差分干涉圖；利用改進的共變性重新確定差分干涉圖的解纏繞權重，并利用該權重進行相位解纏繞；根據差分干涉圖解纏繞結果與立體測量結果重建干涉相位，得到解纏繞錯誤大幅度減少的干涉絕對相位圖。本發明盡可能減少由于解纏繞錯誤引發的相位斷層，顯著提升解纏繞相位質量。解纏繞相位質量。解纏繞相位質量。
