一種基于建筑物多次散射的陣列SAR點云三維重建方法
一種基于建筑物多次散射的陣列sar點云三維重建方法
技術領域
1.本發(fā)明涉及合成孔徑雷達信號處理技術領域，具體涉及一種基于建筑物多次散射的陣列sar點云三維重建方法。
背景技術：
2.sar成像系統(tǒng)具有全天時、全天候、可穿透的工作特性，在遙感觀測、地形測繪等領域具有重要應用價值。隨著地理信息大數(shù)據(jù)的快速發(fā)展，三維高分辨率成像系統(tǒng)得到越來越多的重視。陣列sar系統(tǒng)在獲取目標散射體的高程信息同時還能夠得到散射體在高程向上的分布，對復雜地形形成的疊掩區(qū)域依然具有三維重建能力，可以實現(xiàn)城市復雜目標三維重建，獲得了國內外的廣泛關注。
3.然而由于陣列sar散射機理較為復雜，陣列sar點云中存在大量的干擾點，導致陣列sar點云應用受到限制，因此點云后處理和目標提取成為陣列sar信號處理的研究熱點。
4.目前陣列層析sar信號處理，尤其是復雜城市區(qū)域信號處理面臨較大困難。復雜城市環(huán)境由不同種類、形狀的建筑物、不同面積的綠化地、基礎設施(道路橋梁等)和城郊區(qū)復雜結構組成，一直以來是遙感測量和分析的困難問題。
5.國內外研究大多集中在陣列sar三維成像技術高度向成像算法，主要包括傅里葉變換算法、譜估計算法、壓縮感知算法等。上述方法為三維成像算法，不能解決多次散射問題。針對多次散射問題，目前研究多關注二次散射，沒有考慮三次散射，并且只局限于散射抑制，而沒有充分利用散射信息。
技術實現(xiàn)要素：
6.有鑒于此，本發(fā)明提供了一種基于建筑物多次散射的陣列sar點云三維重建方法，能夠實現(xiàn)多次散射信息的再利用，提高三維重建能力，解決陣列sar城區(qū)三維點云中存在明顯的多次散射干擾的問題。
7.為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術方案為：
8.本發(fā)明一種基于建筑物多次散射的陣列sar點云三維重建方法，通過陣列sar獲取建筑物三維點云數(shù)據(jù)；對建筑物側面進行平面擬合，定位建筑物位置；在陣列sar點云中估計建筑物高度和寬度，根據(jù)雷達觀測視角計算建筑物陰影區(qū)；在計算出的建筑物陰影區(qū)中檢測多次散射點，然后關于建筑物側面進行對稱位移，得到建筑物結構信息和散射信息；基于建筑物結構信息和散射信息實現(xiàn)三維成像。
9.其中，根據(jù)雷達觀測視角計算建筑物陰影區(qū)的具體計算公式為l＝w+h*tanθ，其中l(wèi)為建筑物陰影區(qū)，h和w分別為建筑物高度和寬度，θ為下視角。
10.其中，在計算出的建筑物陰影區(qū)中檢測多次散射點，然后關于建筑物側面進行對稱位移。
11.其中，基于建筑物結構信息和散射信息，對建筑物進行建模，并將散射信息貼于模型上，得到三維成像結果。
12.其中，采用最小二乘法對建筑物側面進行平面擬合。
13.有益效果：
14.1、本發(fā)明采用陣列sar技術，通過在交軌向依次增加多個天線，形成陣列天線結構，具有高度向分辨能力，從而達到目標場景的三維成像效果。本發(fā)明在高建筑的陰影里面檢測散射點，然后關于高建筑側面進行對稱位移，不僅可以避免多次散射干擾，有效抑制多次散射干擾，而且實現(xiàn)了三次散射信息的再利用，獲取了更多建筑物散射信息，可使建筑物三維成像結果更加精細。
15.2、本發(fā)明通過在陣列sar點云中估計建筑物高度，根據(jù)觀測幾何計算陰影范圍；在計算出的陰影范圍中檢測散射點，實現(xiàn)建筑物陰影區(qū)的準確獲取，有效抑制多次散射干擾。
16.3、本發(fā)明通過對建筑物進行建模，并將散射信息貼于模型上，得到三維成像結果，三維成像結果較為清晰地反映了建筑物結構信息和側面、樓頂紋理信息，更易于應用推廣。
附圖說明
17.圖1為建筑物二次散射示意圖。
18.圖2為建筑物三次散射示意圖。
19.圖3為陣列sar點云中多次散射干擾圖。
20.圖4為本發(fā)明流程示意圖。
21.圖5為本發(fā)明建筑物成像幾何示意圖。
22.圖6為本發(fā)明點云后處理結果圖。
23.圖7為本發(fā)明三維成像結果圖。
具體實施方式
24.下面結合附圖并舉實施例，對本發(fā)明進行詳細描述。
25.由于陣列sar波長與建筑物表面粗糙度接近，建筑物對雷達波的鏡面散射較強，因此成像中存在明顯的散射干擾。圖1為二次散射(abcd)，圖2為三次散射(abcba)。由于陣列sar信號模型是基于單次散射構建的，因此建筑物多次散射在陣列sar點云中會形成干擾點，二次散射會形成較強的角反射干擾，三次散射會形成鏡像干擾。如圖3所示為實際多發(fā)多收陣列sar點云。由于雷達從左上側觀測，建筑物右下側部分區(qū)域為陰影區(qū)域，因此該區(qū)域不存在可觀測散射體。然而，由圖3中可以看到建筑物右下側存在兩處較為密集的點云，一處為二次散射形成，另一處為三次散射形成。二次散射主要由高建筑側面和矮建筑樓頂形成，兩簇二次散射點云關于該二面角的棱對稱；三次散射主要由高建筑側面和矮建筑形成，三次散射形成點云為矮建筑關于高建筑側面的鏡像。需要說明的是，三次散射觀測到了矮建筑的背陰面，該信息在單次散射點云中觀測不到。二次散射點云具有對稱分布特性，可以在信號處理過程中消除。三次散射點云多位于高建筑的陰影里，而且位置與實際目標關于高建筑側面對稱。
26.基于上述分析，本發(fā)明為一種基于建筑物多次散射的陣列sar點云三維重建方法，在高建筑的陰影里面檢測散射點，然后關于高建筑側面進行對稱位移。該方法不僅可以避免多次散射干擾，而且實現(xiàn)了三次散射信息的再利用，已有技術局限于剔除散射信息，沒有實現(xiàn)點云散射信息的再利用。本發(fā)明方法具體流程如圖4所示，包括如下步驟：
27.步驟1，通過陣列sar獲取建筑物三維點云數(shù)據(jù)；
28.其中，陣列sar通過對建筑物層析向的信號聚焦獲取建筑物三維點云數(shù)據(jù)，陣列sar技術是對傳統(tǒng)insar技術的進一步拓展，通過在交軌向依次增加多個天線，形成陣列天線結構，具有高度向分辨能力，從而達到目標場景的三維成像效果。
29.步驟2，對建筑物側面進行平面擬合，定位建筑物位置；在陣列sar點云中估計建筑物高度和寬度，根據(jù)雷達觀測視角計算建筑物陰影區(qū)，具體計算公式為
30.l＝w+h*tanθ
31.其中l(wèi)為建筑物陰影區(qū)，h和w分別為建筑物高度和寬度，θ為下視角。本發(fā)明建筑物成像幾何示意圖如圖5所示。
32.其中，采用最小二乘法對建筑物側面進行平面擬合。具體地最小二乘法平面擬合主要是通過已知點云數(shù)據(jù)的坐標值xi、yi和zi來擬合平面，利用xi、zi擬合得到的函數(shù)值與實際值yi之差的平方最小。其中xi、yi、zi分別表示方位向、距離向和高度向點云坐標。根據(jù)數(shù)據(jù)點(xi，yi，zi)，將平面方程記為f(x，z)＝p
t
(x，z)a。其中p
t
和a分別為平面方程的基函數(shù)和系數(shù)，可取由最小二乘法的定義可得：
[0033][0034]
為得到j(a)中對平面方程的系數(shù)最小的結果，可將式(1)改為
[0035][0036]
為求出式(2)的解，定義其中p是一個n
×
3矩陣，y是所有已知點yi的坐標值，故(2)改寫為矩陣形式：
[0037][0038]
根據(jù)式(3)可求出擬合的平面方程系數(shù)a。
[0039]
步驟3，在計算出的建筑物陰影區(qū)中檢測散射點；
[0040]
由于三次散射點云多位于建筑物陰影區(qū)，因此在建筑物陰影區(qū)檢測散射點。
[0041]
步驟4，關于建筑物側面進行對稱位移，得到建筑物結構信息和散射信息；
[0042]
由于三次散射點云位置與實際目標關于建筑物側面對稱，因此將關于建筑物側面進行對稱位移。利用本發(fā)明方法進行陣列sar點云后處理結果如圖6所示，可以看到點云后處理之后建筑物右下側陰影區(qū)域已無多次散射干擾，而前側矮建筑不僅實現(xiàn)了前側面重建而且實現(xiàn)了背陰的后側面重建，獲得了更為精確的建筑物結構信息和散射信息。
[0043]
步驟5，基于建筑物結構信息和散射信息，對建筑物進行建模，并將散射信息貼于模型上，得到三維成像結果。
[0044]
對建筑物進行建模，并將散射信息貼于模型上所得的三維成像結果如圖7所示，可以看到三維成像結果較為清晰地反映了建筑物結構信息和側面、樓頂紋理信息，更易于應用推廣。
[0045]
綜上所述，以上僅為本發(fā)明的較佳實施例而已，并非用于限定本發(fā)明的保護范圍。凡在本發(fā)明的精神和原則之內，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發(fā)明的
保護范圍之內。
