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多基线机载SAR 联合相位定标两步法
来源:一起赢论文网     日期:2019-01-10     浏览数:272     【 字体:

 ]提出的改进相位曲率自聚焦方法(Weighted Phase Curvature Autofocus,WPCA),及钟雪莲[12]提出的 MTPT(Multi-squint Techniquewith Point Targets)方法等。但前一类通过子孔径干涉相位估计 RME的方法不适用于非线性程度较高的 RME。后一类方法算法需要SAR 影像包含高信噪比散射目标,大大缩 小了 该方法的适用范围。随着SAR 系统的发展,多基线 SAR 系统由于能提供多余观测,丰富成像信息 等优点,已成为主流发展趋势。但是,由于不同影像包含不同的 RME,在利用多基线SAR 数据协同解算之前,必须对相位进行定标处理。由于上述两类方法只是用与单基线且存在不稳定性,难以满足多基线SAR 数据对高精度相位定标的需求。为解决该问题,Bianco[17]提出了一种基于永久散射体的多基线相位定标方法,该方法能有效校正多基线数据集的 RME,但由于在多基线定标的过程中均以主影像作为参照,因此定标后的 线 在的 RME。为解决上述问题,本文提出多基线干涉SAR 联合定标两部法:首先,利 用基于永久散射体的多基线相位定标方法将数据集参照主影像进行相位校正。之后,引入多项式模型,从多基线相位定标后的干涉相位中估计出残留的主影像 RME。新方法被应用于 E-SAR 数据集。1 基于 PS的多基线相位定标两步法1.1 基于 PS技术的多基线相位定标方法传统 线 制点[20],通过地面角反射器的高程信息,反解出相位误差,插值到整景影像后再进行校正。Bianco提出基于 PS多基线相位定标方法,利用 PS点代替地面的角反 标。PS点指的是在时序数据集中,相位幅度均保持相对稳定的像元点[17]。它要求像元点在整个多基线数据集中包含的相位误差较小,通过相位误差较小的PS点,就能较为准确的估计出该点对应的地面 高程,从而较为准确的估计出其对应的相位误差[16]。该方法首先要选出多基线数据集中的 PS候选点,可先计算配准后多基线数据集的每个像元对应的振幅离差因子 D(x,r)[17]:D(x,r)=u(x,r)σ(x,r). (1)式中:u(x,r)为整个数据集坐标(x ,r)下幅度的平均值,σ(x,r)为对应幅度的标准差。通过选定合适的振幅离差因子阈值,对于振幅离差因子大于确定阈值的像元被选为 PS候选点。对于选定的 PS候选点而言,其干涉相位由以下成分构成:φ =φmas-φsla =φflat+φtopo+φdef+φrme+φnoise.(2)式中:φflat表示平地相位,可利用成像几何参数估计得出;φdef表示形变相位,在时间基线很短的情况下,可忽略;φrme表 示 RME 引起 的相位误 差,φnoise表示系统热噪 声 等 随 机 噪 声;φtopo表 示 地 形 相 位,可 表示为φtopo = KzZreal.(3)式中:Zreal为雷达波在地表的相位中心高度,Kz表示干涉影像对应的相高转换参数:Kz =4πBcos(θ-α)λRsinθ. (4)式中:B 为对应基线 长度,R 为 对 应 主 影 像 斜 距,λ为波长,θ 和α 分别为局部入射角和基线倾角。因此,对于时间基线短,去 除平地效 应后的多基线数据集中基线 K 对应的干涉相位为φk = Kz,kZreal+φrme,k.(5)由上式可知,只要能求出地表相位中心Zreal,就可反解出 相 位 误 差φrme,k,完 成 相 位 定 标 工 作。而 根 据InSAR 测高原理可知,在多基线数据集中,即使轨道不同,干 涉 基 线 参 数 不 一 致,但 其 对 应 的Zreal一致,多基线数据给Zreal的求解提供多余观测,因此可采用 极 大 似 然 估 计 的 方 法 对 PS 候 选 点 的Zreal求解[17]:γk(x,r)= maxz1K|∑Kk=1exp[φK(x,r)-Kz,kZ]| .(6)式中:φK为多基线影像的相位;Z 为待求参数,搜索z,使γ最大的z 即为所求的Zreal;γ是该点在多基线数据集中相位稳定性的一个评价指标,γ 越接近于1,该点相位稳定性越高,求出来的Zreal越可靠,定标精度越高。通过设定γ 的阈值,最终选出高于γ 阈值的点为 PS点,利用 PS点解算的Zreal,通过式(4)反解出不同基线影像 PS点的相位误差,并将相位误差插值到整景影像 后 再进行相位 校正。该方法通过选取 PS点,通过在相位误差比较小的 PS点出估计出较为精准的地形高度,再利用地形高度反算出精准的相位误差,最后插值计算整景影像相位定标校正值。同时,利用 RME 在多基线数据集中呈现随机误差特性,探测多基线数据集中的 RME,但由于主影像中包含的 RME在各个干涉影像中是相·25· 测 绘 工 程                     第27卷数据集中不呈现随机误差特性,而呈现系统误差特性,因此,该方法存在局限性,无法剔除主影像 RME的影响。1.2 基于多项式拟合的相位定标方法综上所述,定标后的干涉相位中仍然会保留主影像中的 RME。在条带成像模式下,SAR 影像整个距离向 对 应 的 搭 载 平 台 运 动 参 数 是 一 致 的,而RME引起的相位波动可看成是搭载平台运动位置偏移量在雷达视线方向上的投影,这导致 RME 在距离向上会引起趋势变化的相位波动[14],而这种趋势变化,可采用一种高次线性多项式拟合的方法从干涉相位与外部 DEM 的差分相位的距离向中估计并抑制消除该部分 RME。采用的多项式表达为[19]φRME(x,y)=∑ni=0aiyi+ahh. (7)其中,n为多项式的阶数,ai和ah为模型的拟合参数,h 为 外 部 DEM 提 供 的 地 表 高 度。解 算 拟 合 参 数前,可考虑利用小波函数对定 标后相位滤 波,抑制地形残差等非线性相位成分对拟 合参数解算的影响,再利用最小二乘解出拟合 参数后,从 定标后相位中减去通过拟合参数计算的 RME,即可完成整个联合相位定标过程。多 项式拟合 的方法依赖于高精度的外部 DEM,而通过基于 PS的多基线的相位定标方法 估 计 出 的Zreal能 有 效 代 替 高 精 度 的 外 部DEM,因此,本文提出的联合定标方法具有不依赖高精度外部 DEM 的优点。整个联合定标两步方法流程如图1所示。图1 基于 PS的多基线相位定标两步法流程2 实验分析2.1 实验数据本文采用的 Biosar2008 数据为位 于 瑞 典 北 部Krycklan河流域的机载 E-SAR 数据,海拔高度 范围为114~405 m。其 中 本 文 选 用 了 获 取 于 2008-10-14的6景 p波段时序 SAR 数据,详细信息如表1所示。该SAR 数据经多视处理后大小为6 472像元×1 501像元,距离向空间分辨率2.12m,方位向空间分 辨 率 1.6 m。 图 2(a)为 数 据 获 取 区 域 的Google影像,示意实验区大概的地理位置及范围。图2(b)为数据获取区域的 Pauli基分解影像。表1 影像数据集概况影像ID 波段 极化方式 获取日期 干涉基线08biosar0103×1 P Ful  2008-10-14 InSAR Master 8mleft08biosar0105×1 P Ful  2008-10-14 InSAR Slave 16mleft08biosar0107×1 P Ful  2008-10-14 InSAR Slave 24mleft08biosar0109×1 P Ful  2008-10-14 InSAR Slave 32mleft08biosar0111×1 P Ful  2008-10-14 InSAR Slave 40mleft08biosar0101×1 P Ful  2008-10-14 InSAR Slave 0m第12期             贺文杰,等:多基线机载 SAR 联合相位定标两步法·35·图2 实验区示意图2.2 实验结果及分析本文在对 Biosar2008 数 据集的相 位 定 标 处 理中选定振幅离差因子 D>15的点为 PS候选点,相位稳定指标γ高于0.8的点为最终的 PS点。联合定标过程中采用了三次多项式拟合多基线定标后数据中的 RME,最终结果如图3所示。图3是各个定标 过 程 中,各 干 涉 对 的 干 涉 相 位 与 LIDAR 的DEM 生成的 地形相位 的差分 相 位 图。因 为 RME在距离向上存在趋势变化,因此会在干涉相位中产生方位向的相位条纹,很容易在差分相位中辨识出来,图3 定标过程中的差分相位·45· 测 绘 工 程                     第27卷多基线机载SAR 联合相位定标两步法贺文杰,朱建军,付海强,王会强(中南大学 地球科学与信息物理学院,湖南 长沙 410083)摘 要:多基线机载 SAR 数据相比单基线数据具有获取更丰富地表散射信息特点,已在地形测绘、植被监测领域广泛应用。在多基线数据应用前,需要对多基线数据集进行相位定标,校正数据集内由平台运动误差引起的相位偏差。本文提出一种多基线联合相位定标方法,解决传统永久散射体(Persistent Scatter,PS)相位定标方法无法剔除主影像残余运动误差(Residual Motion Errors,RME)的问题。利用德国宇航局机载 E-SAR 多基线数据对算法进行测试,试验结果表明,采用本文方法定标后,利用干涉相位估计的 DEM 的精度为2.30m,优于传统相位定标方法解算的4.47m,有效解决传统定标方法无法兼顾主影像运动误差的问题。关键词:相位定标;多基线;永久散射体;机载 SAR中图分类号:P228   文献标识码:A   文章编号:1006-7949(2018)12-0051-06Multi-baseline airborne SAR phase calibration with two-step methodHE Wenjie,ZHU Jianjun,FU Haiqiang,WANG Huiqiang(School of Geosciences and Info-Physics,Central South University,Changsha 410083,China)Abstract:The multi-baseline SAR datasets,due to theadvantages of providing redundant observation,hasbecome the mainstream trend of SAR system development.Prior to any data processing,it is necessary tocalibrate the phase information in the datasets in order to remove the phase errors like residual motionerrors,thermal noise and so on.This paper proposes a two-step method to solve the master image RMEremain problem caused by the traditional method.The new method applied to the phase calibration of Pband BioSAR2008datasets shows that the RMSE of DEM errors between the DEM made by LIDAR andthe other one inversed by interferometricphase can be 2.30 m with the proposed method,with thetraditional method as 4.47m,being the proposed method thus improved a lot.Key words:phase calibration,multi-baseline,persistent scatterer,airborne SAR收稿日期:2018-01-17基金 项 目:国 家 自 然 科 学 基 金 资 助 项 目 (41531068;41371335;41671356);高分辨率对地观测系统重大专项基金资助项目(民用部分)(03-Y20A11-9001-15/16)第一作者简介:贺文杰(1993-),男,硕士研究生通信作者简介:朱建军(1962-),男,教授,博导.  在机载SAR 系统中,由于飞机平台在飞行过程中受气流摄动影响,会产生轨迹偏离和姿态变化等运动误差。这种运动误差的补偿通常依赖于飞机的导航定向定位系统(POS),通过记录实时成像的位置参数及姿态参数,在成像过程中对SAR 影像进行运动补偿[1]。然而,现有导航设备精度指标无法满足运动补偿精度的需求,导致运动补偿后的 SAR影像 仍 包 含 残 余 运 动 误 差 (Residual Motion Er-rors,RME)。它会造成 SAR 影像出现散焦及相位波动[3],其在雷达视线方向投影产生的相位误差信号,如果不加以定标校正,将直接掩 盖掉观测对象的细节相 位 信 号,从 而 影 响 后 续 数 据 处 理 及 相 关应用。传统的 RME 估计方法可分为 两 类[2]:一类利用子视SAR 影像对应的 RME 不同,从子孔径的干涉相位中估计 RME。包括 Bullock[4-5]等提出的双天线数据估计 RME 的方法,利用干涉对配准误差估计 RME的方法[7-8],以及 Reigber[6,9]提出的多斜视子孔径估计 RME方法等。另一类基于单景SAR影像,利用自聚焦的方法估计 RME。包括 Canta-lloube[10]提出的利用孤立点目标进行相位跟踪估计标过程的差分相位图来评价其相位精度。图3(a)是定标前的差分相位,各干涉对均存在由 RME造成的相位条纹。图3(b)是采用 PS多基线相位定标方法提取的相位误差,它满足各个干涉对互不相同且方位向变化的相位条纹的特征,可推断出该相位误差多由 RME产生。图3(c)是多基线相位定标后数据集的差分相位,定标后数据集的相位精度较定标前有了较大的改善,但仍存在位置相同,变化特征一致相位条纹,可推断出其来源于主影像的 RME。传统多基线相位定标方法的实质是将各副影像参照主影像来校正各副影像中不同的相位误差,但主影像同样存在 RME 造成的相位误差,而主影像作为参考对象,其自身的相位误差利用该方法无法剔除,因此被保留在定标后的相位中。图3(d)是本文提出的联合相位定标后的差分相位,上述相位条纹已被很好的抑制,可看到被掩盖的地形残差的相位细节。为了更直观 的评定出两种相位定标方法的相位定标精度,本文通过定标后干涉相位相高转换后的 DEM 与实验区 LIDAR 生成 DEM 的地形残差的 RMSE来评定定标精度。各定标过程中的地形残差如图4所示,在不考虑相干性较低区域(取相干性>0.8)的 情 况 下,各 干 涉 对 定 标 前 后 与 LIDAR的 DEM 的 RMSE如表2所示。由图4(a)可知,定标前相位精度 较 低,直接利用干涉 相位进行 DEM反演,会存在数十米的误差,地表 起伏细节的相位信号被 RME 掩 盖。且 影 像 中 存 在 随 空 间 基 线 增大,残余运动误差导致的地形 残差变小的 现 象,这是由于残留运动误差引起的相位波 动量级一致的情况下,随空间基线 B 增大,相高转换参数Kz相应增大,因此,引起的误 差相位 转化成的地 形残差变小,基线较长的干涉对抗差能力强。图4(b)是经过多基线相位定标后的地形残差图,在该数据集的影像上半部分校正较好,可以看到地形残差的细节信息,但仍存在量级较大且位置、量级均相同的 RME,参照多基线相位定标过程,可知其由主影像的 RME导致。图4(c)是本文提出的联合相位定标方法处理后的地形残 差图,RME 导致的趋 势相位条纹被很好的抑制消除,地形残差信息保存相对完整。对照表2可知,提出的新方法在各个干涉对均有很好的效果,能极大提高多基线数据集的相位精度。图4 定标前后的 DEM 误差第12期             贺文杰,等:多基线机载 SAR 联合相位定标两步法·55·表2 各干涉对定标前后地形残差的 RMSE  m 干涉对编号 未定标 已有定标方法定标 联合相位定标0101-0103  15.45  4.99  3.210105-0103  14.23  5.37  3.800107-0103  6.10  4.62  2.600109-0103  6.22  4.52  2.400111-0103  6.08  4.47  2.303 结 论针对多基线相位定标后主影像 RME 的残留问题,本文提出了一种联合相位定标方法。该方法通过引入高次线性多项式从干涉相位与地形相位的差分相位中来拟合存在距离向趋势变化的主影像RME,校正残留的主影像 RME,且新方法具有不依赖于外部 DEM 的优点。实验表明,该方法能有效提高多基线数据集的相位 精度。但仍存在以下问题:在校正多基线数据集 RME 的同时会造成数据集中因 轨 道 位 置 变 化 而 产 生 的 相 位 差 异 信 号 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源集,当角色资源权限发生变化时,可以直接对其资源集进行服务的增删或对其中相关服务进行修改,而不需重新为角色分配成百上千个服务;研究一种固有权限与动态权限相结合的权限修改方法;同时将权限分配与部门所管辖区域关联起来,提出一种空间相 关 的 权 限 设 置 策 略。 本 文 以 襄 阳 市 “一 张图”空间信息云平台为例,详细说明本文权限管理策略的具体实现,依据该方法开发的权限管理软件模型的应用表明:本文提出的权限模型具有可实现性与可操作性,权限修改灵活,利于资源共享与协同办公。参考文献:[1] 田捷,侯海 波.基 于 WebGIS的 一 站 式 电 子 政 务[J].测绘科学,2003,28(1):33-35.[2] DONG W H,LIU J P,GUO Q S.Construction of E-Government GIS based on.Net platform and WebService[J].Journal of Liaoning Technical University,2007,67(2):921-923.[3] 菅建华,董志.政务电子地图服务平台的设计与实现[J].地理空间信息,2010,8(3):134-137.[4] 曹先革,杨金 玲,黄 声 享,等.基 于 WebGIS的 城 市 交通应急救 援 指 挥 系 统 设 计 与 实 现 [J].测 绘 工 程,2011,20(2):46-48.[5] 周海,李宏伟,杜泽欣,等.面向服务的城市管网综合管理系统设计[J].测绘工程,2015,24(3):69-73.[6] 金兵兵,马桂云,刘洋,等.“多规合一”信息平台设计及关键技术研究[J].测绘工程,2017,26(7):52-56.[7] FERRAIOLO D,CUGINI J,KUHN D R.Role-basedaccess control (RBAC):features and motivations[C]//Proceedings of 11th Annual Computer SecurityApplication Conference. 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