SAR三维立体重建实验报告

1、SAR立体三维重建 西南父通大学 姓名 * 学号 * 班级 * 指导教师:* 精选文库 1、 方法； 实验目的 理解基于合成孔径雷达立体像对的灰度信息进行三维重建的基本原理与 19 2、 法； 3、 理解 SAR 传感器几何模型及基于地面控制点（ Ground Control Points, GCPs) 4、 几何模型精化的原理与方法； 通过真实 SAR 像对的数据处理，掌握 SAR 立体三维重建的基本流程。 实验数据说明 本实验采用 ERDAS IMAGINE 软件的示例数据， RADASAT 影像 StereoSAR_Ref.img和 StereoSAR_Match.img,这两景影像分别

2、拍摄于 1996 年 9 月 24 日和 1996 年 9 月 17 日。 3 实验原理 经过试验九的操作，使我们对InSAR提取测区DEM有了一定的掌握。而摄 影测量中我们也学习了基于立体像对制作测区三维景观图， 因此在此次实验中我 们利用摄影测量的原理基于 SAR 影像进行三维重建。 3.1 SAR立体图像的获取 立体图像在摄影测量中称为立体相对。 所谓立体相对是由不同摄站摄取的具 有一定重叠的两张相片。 因此雷达立体图像也可以定义为： 由天线位置探测获取 的具有一定影像重叠的两幅雷达图像 1。 雷达立体图像的获取方式有两种： 同侧立体观测和异侧立体观测。 前者是指 飞行器沿着不同的航线飞

3、行（两次飞行方向可以相同或者相反） ，雷达从地物的 了解ERDAS IMAGINE的基本功能，熟练掌握StereoSAR模块的使用方 一侧对同一地区成像，同侧立体观测有可分为同一高度和不同高度两类；异侧立 体观测是指雷达从地物的两侧分别对同一地区成像。 图3.1-1雷达立体图像获取方式 异侧立体观测获取的雷达立体图像视差明显， 基高比（摄影基线与航高之比） 大，有利于提高地物目标点高程的测量精度。 但是地形起伏较大的地区，目标地 物在立体像对的两幅图像上的相应影像不仅颜色差异很大，而且由于地形起伏引 起的几何变形差异也很大。因为高出地面地物目标的左侧向着左航线的雷达天 线，有效反射面积大，影像

4、为浅色调；而对于右航线，该地物目标左侧反射信号 弱或者为盲区，所以影像为深色调。同理，地物目标右侧在两幅图像上的色调与 地物目标左侧色调刚好相反，由于异侧飞行所获取的雷达立体图像， 使一幅图像 上的阴影位于地物目标的一侧，而另一幅图像上的阴影在地物目标的另一侧， 这 就给立体观察与测量带来了极大的困难。 另外，采用斜距显示的雷达图像由于地 形起伏的影响，同一地物目标在立体像对的两幅图像上的变形差异也很大。因此, 异侧（对侧）获取的雷达立体图像，只适于平坦或丘陵而不适合山地的立体观察与 测量2 0 同侧同高度或者不同高度获取的雷达立体图像， 视差和基高比虽然比异侧获 取的雷达立体图像要小，但两幅

5、图像上相应影像的色调和图像变形差异较小， 只 要对雷达工作参数进行适当选择，还是能获得较好的立体效应的，故在丘陵地、 山地一般都采用同侧获取雷达立体图像进行地物目标的三维定位和立体测图 2 0 3.2 SAR立体图像的视差 SAR立体图像的视差指高出某一基准面的地物目标在两幅图像上的位移差。 摄影测量中称之为立体像对的左右视差， 是地物目标点高差的反应，由左右视差 可以推算出地物目标点间的高差。 雷达图像有地距显示和斜距显示两种方式，因 此视差(AP)与高差(Ah)的关系相应地有两种表达方式3。 1、地距显示图像的视差与高差关系 对于地距显示的雷达图像，视差(P)与高差(h )的关系为: h

6、m p/(ctg mctg ) (式 3.2- 1) 为像比例 式中，和分别为天线S和S扫描至地物目标A的视角，m 尺分母。 2、斜距显示图片的视差与高差关系 h m p / (cos mcos ) 3.2- 2) 从上面两式中可以看出，咼差不仅与视差有关，而且与视角也有关。就视差 而言，侧视观测的SAR立体图像的视差值比同侧观测的立体图的视差值要大， 3。 在图像清晰程度相当的情况下，视差值越大，立体观测效果就越好 3.3 SAR立体图像的基高比 摄影测量中的基高比指摄影基线 (立体像对的两个摄影站间的连线)与航高 之比，基高比反应了空间交会图像的好坏， 基高比越大，测定地物目标点的高程 精

7、度越高。同理，SAR图像的基高比指两幅图像获取时飞机或者卫星运行轨道 间的距离(B)与航高(H)之比。 对于地距显示的SAR立体图像，其基高比为: B ctg mctg (式 3.3-1) 对于斜距显示的SAR立体图像，其基高比为: COS mcos （式 3.3- 2) 无论是地距显示或者斜距显示的 SAR立体图像，异侧观测的SAR立体图像, 其基高比比同侧观测的SAR立体图像大。这就意味着由异侧观测的SAR立体图 像所测定的地物目标点的高程精度，比同侧观测方式测定的目标点的高程精度 咼。 3.4 SAR立体定位原理 利用SAR图像进行立体定位获取DEM通常有三种方法：距离-多普勒模型、 基

8、于摄影测量理论的等效共线方程模型和视差高程相关模型。在本次试验中我们 采用的是摄影测量的方式，即通过定向参数解算、立体交会等环节实心地面的点 的定位。 立体SAR图像定位是利用构成立体的两幅 SAR图像，依据相应的定向参数, 由同名像点交会计算出相应地面点的三维坐标。具体的定位流程如图所示: 图3.4-1立体SAR图像定位流程 其中: 1、定向参数通常由地面的控制点根据 SAR影像的成像模式来求解，在无法 获取地面控制点的情况下，可以通过轨道参数和SAR系统参数等获取定向参数 （本此实验中是利用地面控制点获取的定向参数，具体处理流程如图所示）。 图3.4-2定向参数解算流程 2、地面点的三维坐

9、标解算是根据 SAR成像模式，建立同名像点对应的关系, 具体流程如图所示： 图3.4-3地面点三维坐标解算流程 3.5影响SAR立体测量精度的因素 对于SAR立体测量的精度，其影响因素主要包括：定向参数的精度、近距 离边量测精度、同名点像点坐标测量精度、立体图像交会角、地形特征等等。 1、定向参数的精度 定向参数的精度主要取决于地面控制点的测量精度， 一般如果地面控制点的 测量精度高于所要求的精度，则引入地面控制点，否则直接利用传感器平台的轨 道参数及求解。 2、近距离边量测的精度 近距离边长的测量误差主要是对定向参数解算精度和前方交会精度产生影 响，从而影响SAR立体定位精度。 研究表明，一

10、条航线的近距离边长对一幅雷达影像方位向和距离向误差变化 影响很小，对航高的计算值影响相对较大，与此相关的雷达侧视角度和雷达立体 交会角对立体定位精度都有不同程度的影响。从理论上来讲，在近距离边长量测 误差相同的情况下，异侧立体定位精度比同侧立体高，且侧视角越小越利于高程 定位，但侧视角太小会使得雷达图像上存在失真而不利于同名点的量测，导致立 体定位精度降低。所以使用 SAR立体定位获取DEM，对SAR图像的质量、立 体交会角的要求比其他传感器图像都要高。 3、地形特征 地形的不同类型与 SAR 图像几何特征一样，对于雷达立体定位都是至关重 要的，地形特征也是影响雷达立体定位精度的一个重要因素。

11、 这里的地形特征主 要包括地形坡度因子(slope)和坡度朝向(aspect)。SAR图像获取时，对具有一定 坡度的地物目标， 在成像时有前坡和背坡两种情况， 并且与雷达迭掩、 雷达阴影 等 SAR 图像几何畸变特征密切相关。因此，坡度因子和和坡度朝向对雷达立体 定位的影响较为复杂，甚至能够引起严重的 SAR 图像畸变，使影像匹配变得更 加困难，从而降低立体定位精度。 4 实验过程 为了能够更好的理解，将ERDAS的IMAGINE StereoSAR DEM模块处理流 程展示如图所示： ERDAS IMAGINE StereoSAR DEM 流程图 图4-1 本次实验是在8.7版本上所进行的。

12、 4.1新建工程 在ERDAS的上方的工具栏中，依次点击：RadarllStereoSAR得到新建项目 界面如图所示: 1HAGIHE SttranS.A R EH* Ssteer 4 New orE xistng S leiAoS朗 PtivtK t 总 Mm Sicrew E listing I mag已 Laiei (NewVieweiJ Voctoi Laiief Newj Viewet) Q 匚P nie ( sjccJ Digitizing Tablet Cutrent Configuration) Digitizing Tablet (Nev? Configuration) Ke

13、yboard Only 冰! Cancel I Help 图4.2-2加载gcc文件 点击OK之后打开File name选择对话框，选择StereoSAR_USGS_Ref.gcc文 件（地面控制点信息）并打开。如下图所示: AJt 丘 p) - Inp u.t IrvM 0 旳 ade Regitlei CnttiAM 胸ch Oegiadi Hof/M UtHtf 汕 Thw： End T in# DlhCktl Lnea. Svnpin fiflhF恥 S/2妒喷 1 27.12 1 7.57 2sao Dale StjftTow End Time huistan Lmen. HghiP

14、Mh W1I7/1396 IK弼创 IK 4202 7 38 2600 2600 ieindl HHp I 图4.2-5 Input进度完成 点击Next进入裁剪步骤。 4.3裁剪 进入影像裁剪界面如图所示: flcfieniw V 5由tti FlW I 7* H Subw Dmct 电 De944f Ream M#C*t Hmjh A4lnct lqm 冃 otonrlEfl审 Cbfttw 图4.3-1裁剪界面 裁剪选项使得使用时直观的，没有必要对两幅影像的子集定义精确到相同的 区域，大致相同就可以了。该步骤是在两种情况下使用的: 是定义一个较小的 影像范围可以用来测试相关参数，进而进行

15、整景影像的计算；二是它可以用来限 制两幅影像的范围以及重叠区域。 限制输入的范围能够有效的节省数据空间。 里我们进行的是整幅影像，因此不必进行裁剪处理，直接点击执行按钮，得到两 幅影像的结果如图所示: / M 出 W * G： I： S rm H t # f 中s f 和 ；r SJ - 耗6 图 4.3-2 4.4滤波处理 由于SAR影像中含有较多噪声, jp u 亠.y* 3: / 2 Y 裁剪处理结果 对影像的配准有一定的影响，因此在配准 前需要进行滤波处理来提高配准精度。 在完成影像裁剪之后，在StereoSAR面板中点击Next按钮，进入Despeckle 工作模板如图所示: Fil

16、tff： |GamrnaMf E 旳/ F ： ：； +怯匕、班凰* Ue m bi d哦界：； + % t； 礼也迓 I弔疗秆I M JTi*kJ 叩 . K TS i W l-tsf n .1*4Gr *匕 FQ .M J I 具 rl 1乡Yd - 7. 紅/ v/ 込2刃 i為kn 齐讪. 2 口.亠伽占 c歸 :沽砂I 竺胁， .Wy- 4.4-2滤波结果 从理论上说，去噪操作具有两重性。一方面，影像噪声在影像上是不相关的, 因为它在两幅影像上都是随机分布的。 因此，它仅仅给影像自动相关计算制造麻 烦。斑点噪声的存在将使相关处理过程中出现假阳性(False positive)。另一方

17、 这有利于自动相 面，去噪算法的某些低通滤波特性可能会使像对的相似度提高, 4.5第一次降采样 降采样处理主要有以下几个目的: 1、降低影像分辨率，减少对系统资源的需求，从而从而在后续的处理步骤 中缩短处理时间，降低生成中间文件的大小。 2、如果输入影像是单视复影像(Si ngle Look Comp lex, SLC),图像在距离向 和方位向的分辨率是不一样的。如果想使影像在两个方向的分辨率一样，可以调 整y方向的尺度系数来实现。 3、第二，如果数据存储空间或者处理时间有限，降低分辨率可以在降低图 像大小的情况下处理整景影像。在这种情况下，将分辨率做 2倍或者3倍的采 样是适当的。需要注意的

18、是，为了得到最大的精度，推荐使用全分辨率的影像, 并对每个像素做相关匹配。 在降采样模板中，选中Degrade后可以设置X、YScale值（进行多视处理）， 由于本次实验的数据较小可以不进行此操作。选中Rescale to Un sig ned 8-bit后点 击执行，完成此步骤: hb. StereoSAE (2013330_3wei-ssp) - Degrade 1 PiriKefs Steps 匸丽Jl y Input Subset d Deipeckle Td Degrade Register Certstrain Match Degrade Height II SAR Pbne： R

19、ange pixel 和乂ing in me柜(轧 Azimuth piel spdcirg in ineteii： giOLTid 运0 255 Hext Save Hdp I zz. I R 日scate to Unwipi轡j g bit Output Reference Image： 20133340_3*?eiFl ef.rescale img eOutput Match I耐sje； 2013334O_3weiv1 rescale, img I 回 图4.5-1第一次降米样界面 降采样得到的结果如图所示: 吟 A z - - z 念 4_ 邛- 二丄 *=： It. H和焙 2 .

20、4 图4.5-2第一次降采样结果 精选文库 4.6影像匹配 配准操作通过仿射变换来旋转匹配影像使之与参考影像更好的对齐。目的是 调整影像使的影像视差主要分布在距离方向。这将使得匹配时匹配大大减少搜索 窗口的大小。这一步的一个输出是 X方向和丫方向的最大最小视差偏移（单位 为像素）。作业员必须记下这些值，用于在匹配时调整相关系数算子 （Correlator） 参数文件（.ssC。这些值对于相关系数算子来说是非常关键的，因此需要在配准 这一步正确的获取。 影像配准中连接点的选取主要有两个基本步骤。 首先，和其他影像到影像的 配准一样，连接点的均匀分布会得到较好的配准结果。其次，由于要得到 向和丫方

21、向的最大最小视差偏移量，所选的连接点应该在这些具有最大最小视 差偏移的地方。 在完成影像降级处理之后，在 StereoSAR面板中点击Next进入Register工 作模板如图所示: b StAR 333的- jEJsp) Rtfi st rt hocess Steps J Input J Sub?et / DespwcLle J T R电gp廈r CoTrthain Match H讪I JOeh.； - I Ma忙 hIrTMge 削Mne; 0 oooooooo 0.00000000 1 nfmnnn n nnnnnnna OiOOOOOOOO 1.0000000J 0 OOOMOOO 0

22、.00000009 l.QtmOJD ootioffluoa OIIOOOOCOOO UOOQOOIXIC* YcxX Const XX YY* Cofwt X*X Y-y X out -jj药 Sm/甘 I Help lO utput R elerence I mage2013334DL3weR ef.resc ima 图4.6-1影像匹配界面 然后点击Ml按钮，弹出匹配中同名点选择界面: 4 I：- Y J农 -r K 鼻q -小; i:胆涉 胆逅MS lOI J r fc.V -1 k； T 1 -! L；n L1 . .I ll -J Uf ,rEe f r K - 1 I Id yl

23、i- Hn a： i.i .-. r * I - ； 1 : NW F.4 LtaBJ . :5*: -* -.4 R h It Th m ri. Hl r Z二 诂i / R 旳nbdltoo tigigh llg旳g A陌g L jj 嘤 Wave 37 0 utpid Adsrenoe Imaar201333M)_3iofW_Klfl nq 201333W_ 3m械AO 翻曲 讯 图4.6-5解算结果 在执行完匹配后，还需要检查匹配的精度。将两幅影像首先进行保存。在 Register模板底部点击 按钮，打开1Mat_register.img配准影像。再在显示配 准影像的Viewer窗口中点击按