中國(guó)科學(xué)院空天信息創(chuàng)新研究院胡玉新研究員團(tuán)隊(duì)在《電子與信息學(xué)報(bào)》發(fā)表最新文章：《面向目標(biāo)結(jié)構(gòu)信息保持的SAR真正射遙感影像生成方法》。

文章提出一種面向目標(biāo)結(jié)構(gòu)信息保持的SAR真正射影像(TDOM)制作方法，經(jīng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，相比于傳統(tǒng)SAR正射影像，所提方法能夠更好地保持目標(biāo)結(jié)構(gòu)信息，有效提升處理后SAR影像的目標(biāo)識(shí)別和判讀能力。

原文：胡玉新, 王峰, 焦念剛, 向俞明, 劉方堅(jiān). 面向目標(biāo)結(jié)構(gòu)信息保持的SAR真正射遙感影像生成方法[J]. 電子與信息學(xué)報(bào).預(yù)出版. doi:?10.11999/JEIT221341

論文原文：https://jeit.ac.cn/cn/article/doi/10.11999/JEIT221341

1 引言

SAR遙感影像的應(yīng)用大多基于正射影像進(jìn)行，在目標(biāo)識(shí)別和判讀應(yīng)用中，目標(biāo)結(jié)構(gòu)信息具有十分重要的意義?，F(xiàn)有SAR遙感影像正射校正基于物方-像方采樣進(jìn)行，但SAR疊掩現(xiàn)象引起的幾何畸變會(huì)干擾目標(biāo)固有結(jié)構(gòu)信息的提取。中科院空天院空間信息處理與應(yīng)用系統(tǒng)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室胡玉新研究團(tuán)隊(duì)提出一種面向目標(biāo)結(jié)構(gòu)信息保持的SAR真正射影像生成方法，可以更好地保持目標(biāo)結(jié)構(gòu)信息，提升目標(biāo)識(shí)別和判讀能力。

2 現(xiàn)有SAR衛(wèi)星影像正射校正存在問(wèn)題

數(shù)字正射影像(Digital Orthophoto Map, DOM)是絕大多數(shù)遙感領(lǐng)域的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，傳統(tǒng)的DOM生產(chǎn)過(guò)程又叫正射校正，一般只依賴數(shù)字高程模型(Digital Elevation Model, DEM)糾正地球表面的地形差，并未包含地表起伏物體的高程差，從而導(dǎo)致傳統(tǒng)的DOM在起伏目標(biāo)區(qū)域會(huì)存在傾斜或遮擋現(xiàn)象，這對(duì)SAR影像的精確應(yīng)用造成較大干擾。以導(dǎo)彈末端制導(dǎo)為例，為了實(shí)現(xiàn)目標(biāo)級(jí)甚至部件級(jí)精確打擊，需要獲得包含目標(biāo)精確結(jié)構(gòu)的基準(zhǔn)影像圖。

SAR影像采用直接校正法和間接校正法進(jìn)行正射校正處理。由于SAR影像成像的特殊性，當(dāng)目標(biāo)點(diǎn)頂部到接收機(jī)的回波距離小于目標(biāo)點(diǎn)底部到接收機(jī)的距離時(shí)，在SAR影像的圖像中顯示為頂部在前，底部在后的現(xiàn)象，出現(xiàn)該現(xiàn)象的區(qū)域通常稱為疊掩區(qū)域，常規(guī)正射處理在疊掩區(qū)域會(huì)出現(xiàn)“拉絲”現(xiàn)象，如圖1所示。

在亞米級(jí)高分辨率觀測(cè)條件下，目標(biāo)的空間結(jié)構(gòu)成為SAR影像應(yīng)用中不可忽略的重要信息，常規(guī)SAR正射處理已無(wú)法滿足高分辨率成像條件下目標(biāo)級(jí)精細(xì)化信息提取的應(yīng)用需求。尤其對(duì)于疊掩區(qū)域來(lái)說(shuō)，同一個(gè)像方點(diǎn)耦合了多個(gè)物方目標(biāo)點(diǎn)的反射波信息，進(jìn)一步增大了SAR影像與光學(xué)影像獲取目標(biāo)特征的差異性，嚴(yán)重限制SAR影像的應(yīng)用。

3?面向目標(biāo)結(jié)構(gòu)信息保持的SAR真正射處理方法

為了提升高分辨率SAR影像目標(biāo)級(jí)判讀分析能力，本文提出一種可保持目標(biāo)結(jié)構(gòu)信息的SAR真正射影像生成方法，其主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)如下：

(1) 針對(duì)SAR影像中存在的起伏目標(biāo)向近距端傾倒現(xiàn)象，結(jié)合SAR影像幾何構(gòu)象關(guān)系，提出一種保持目標(biāo)結(jié)構(gòu)信息的SAR影像真正射處理方法，有效提升SAR影像中目標(biāo)幾何結(jié)構(gòu)的可視化效果；

(2) 提出一種準(zhǔn)確提取像方影像中疊掩區(qū)域的方法，利用定位參數(shù)信息進(jìn)行像方-物方反投影，通過(guò)判斷同一像方坐標(biāo)在物方空間中的投影軌跡與DSM高程面交點(diǎn)數(shù)量，精確識(shí)別和標(biāo)注像方的疊掩區(qū)域；

(3) 基于疊掩區(qū)域同一像方點(diǎn)對(duì)應(yīng)多個(gè)物方高程面交點(diǎn)的特性，參照光學(xué)下視成像獲取地物信息原理提出“視線最短原則”，將雷達(dá)波與物方高程面交點(diǎn)的最高處作為唯一物方投影點(diǎn)，從而抑制疊掩現(xiàn)象造成的幾何畸變，恢復(fù)目標(biāo)自身結(jié)構(gòu)信息，得到類光學(xué)影像目視效果的SAR真正射影像。

本文所提出的面向目標(biāo)結(jié)構(gòu)信息保持的SAR真正射遙感影像生成方法如圖2所示，主要包含4個(gè)部分：定位模型修正，疊掩區(qū)域識(shí)別、疊掩區(qū)域映射和多視向疊掩補(bǔ)償。

(1)?定位模型修正

針對(duì)SAR影像與DSM數(shù)據(jù)間存在定位偏差的問(wèn)題，基于SAR成像模型，借助DSM數(shù)據(jù)地形信息生成模擬SAR影像，首先實(shí)現(xiàn)模擬SAR影像與真實(shí)SAR影像配準(zhǔn)，進(jìn)而修正SAR影像定位模型參數(shù)。

(2)?疊掩區(qū)域識(shí)別

如圖3所示，當(dāng)建筑物底部回波距離相較于頂端回波距離更長(zhǎng)時(shí)(CF段)，在SAR影像中頂部先成像并向近距點(diǎn)方向位移，在圖像距離方向產(chǎn)生頂?shù)椎怪矛F(xiàn)象，從而形成疊掩區(qū)域(cd段)。對(duì)于疊掩區(qū)域，來(lái)自物方目標(biāo)C'C段、CF段及FD'段回波都將映射在像方cd段中。因此，疊掩區(qū)域內(nèi)同一像方點(diǎn)(cd段)信號(hào)由多個(gè)物方點(diǎn)(C'C段、CF段及FD'段回波)回波映射得到，在計(jì)算像方-物方映射過(guò)程中，會(huì)有多個(gè)物方點(diǎn)對(duì)應(yīng)于同一像方點(diǎn)；相比之下，未發(fā)生疊掩現(xiàn)象的區(qū)域，則每個(gè)像方點(diǎn)坐標(biāo)只被一個(gè)物方點(diǎn)采樣。

利用疊掩區(qū)域的上述性質(zhì)，基于修正后的SAR影像的定位模型參數(shù)，在高精度高程數(shù)據(jù)輔助下對(duì)各像方點(diǎn)進(jìn)行多高程面的物方投影，形成單一像方點(diǎn)對(duì)應(yīng)的多高程面物方投影曲線，通過(guò)計(jì)算該投影曲線與高精度高程數(shù)據(jù)交點(diǎn)數(shù)量，即可識(shí)別SAR影像中像方疊掩區(qū)域。

(3) 疊掩區(qū)域映射

對(duì)于非疊掩區(qū)域，直接利用像方-物方的單一映射關(guān)系，即可得到物方的空間點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的單一像方坐標(biāo)；對(duì)于疊掩區(qū)域，由于同一像方坐標(biāo)會(huì)對(duì)應(yīng)多個(gè)物方點(diǎn)，因此需要在物方進(jìn)行“解混”，即將該像方坐標(biāo)歸位于對(duì)目標(biāo)結(jié)構(gòu)信息貢獻(xiàn)最大的物方點(diǎn)，從而恢復(fù)目標(biāo)結(jié)構(gòu)信息。

為了消除疊掩區(qū)域存在的目標(biāo)結(jié)構(gòu)混雜問(wèn)題，本文提出基于“視線最短原則”的像方-物方單映射解混方法，得到類光學(xué)可視化效果的SAR真正射影像。

如圖4所示，若沿線段AD方向進(jìn)行觀測(cè)，則物方點(diǎn)A,?B,?C,?D在真正射影像中只能看到A點(diǎn)的信息，來(lái)自其他物方目標(biāo)的信號(hào)完全被A點(diǎn)遮擋。

針對(duì)SAR影像中疊掩區(qū)域，為了清晰的表征目標(biāo)結(jié)構(gòu)特性，我們將疊掩區(qū)域的物方可視化位置確定為物方投影曲線與DSM高程面最高交點(diǎn)處；由于遮擋原因，與目標(biāo)起伏面形成二面角的地面區(qū)域包含有效信息較少，可視作類似光學(xué)影像中的陰影區(qū)域，不進(jìn)行填充。

受到定位模型擬合精度、高程數(shù)據(jù)精度以及噪聲等因素的影響，直接映射得到的SAR真正射影像會(huì)存在零散“空洞”像元，利用中值濾波算法可抑制這些“空洞”的影響，增強(qiáng)圖像可視化效果。

(4) 多視向疊掩補(bǔ)償

在SAR影像成像過(guò)程中，高程起伏導(dǎo)致的疊掩(如圖3中C’C部分)和遮擋(如圖3中DE部分)會(huì)引起單視SAR真正射影像存在觀測(cè)信息缺失問(wèn)題。為了增加影像信息的完整性，可利用多視向(觀測(cè)視角和觀測(cè)方向)影像在不同區(qū)域獲取信息的互補(bǔ)關(guān)系進(jìn)行補(bǔ)償。

具體來(lái)說(shuō)，對(duì)不同升/降軌、不同側(cè)視方向以及不同視角獲取同一地區(qū)多幅SAR影像，分別處理得到單視真正射影像，然后利用不同視向數(shù)據(jù)的有效數(shù)據(jù)區(qū)域填補(bǔ)無(wú)效數(shù)據(jù)區(qū)域，從而得到缺失信息補(bǔ)償?shù)腟AR多視向真正射影像。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

實(shí)驗(yàn)區(qū)選取為包含多種典型目標(biāo)的美國(guó)奧馬哈地區(qū)，DSM數(shù)據(jù)采用激光雷達(dá)點(diǎn)云數(shù)據(jù)采樣獲得，平面采樣間隔為0.5 m，高程精度為0.1 m；SAR影像包含高分三號(hào)聚束模式升軌和降軌影像各1景，標(biāo)稱分辨率為1 m，SAR數(shù)據(jù)詳細(xì)信息如下表1所示。

基于本文所提出的SAR真正射影像生成方法，分別對(duì)廠房建筑目標(biāo)區(qū)域、油罐目標(biāo)區(qū)域、體育場(chǎng)目標(biāo)區(qū)域以及摩天大樓目標(biāo)區(qū)域的處理效果進(jìn)行展示和分析。

(1)?廠房建筑目標(biāo)區(qū)域?qū)嶒?yàn)

圖5展示了以廠房為代表的規(guī)則建筑物的SAR真正射影像效果。傳統(tǒng)SAR正射影像制作方法生成的正射影像圖如圖5(a)、(b)所示，該影像中建筑物邊緣部分與地面相接處依然存在信號(hào)混雜，邊緣不清晰，建筑物結(jié)構(gòu)無(wú)法準(zhǔn)確識(shí)別。相比之下，真正射處理結(jié)果如圖5(c)和圖5(d)所示，真正射處理將墻面與地面形成的二面角區(qū)域的雷達(dá)反射波解混到建筑物頂部結(jié)構(gòu)中，有效抑制地面反射波對(duì)目標(biāo)結(jié)構(gòu)的影響，能夠清晰地分辨建筑物的俯視結(jié)構(gòu)信息。對(duì)于單視向的SAR影像來(lái)說(shuō)，在進(jìn)行真正射處理過(guò)程中，由于高層建筑物對(duì)于低層建筑物會(huì)產(chǎn)生類似光學(xué)的遮擋效應(yīng)，因此在單景真正射SAR影像中存在部分黑色陰影區(qū)域，一定程度上影響真正射SAR影像的視覺(jué)效果。圖5(e)展示了廠房建筑物采用升/降軌影像進(jìn)行雙視向補(bǔ)償后的SAR真正射影像，雙視向補(bǔ)償處理能夠部分補(bǔ)償單一視向真正射影像中缺失信息，得到更為完整的目標(biāo)結(jié)構(gòu)信息。通過(guò)上述處理，SAR真正射影像達(dá)到了與圖5(f)所示的光學(xué)影像類似的可視化效果，有利于目標(biāo)信息的識(shí)別和判讀。

(2)?油罐目標(biāo)區(qū)域處理效果

圖6展示了以油罐體為代表的圓柱形目標(biāo)結(jié)構(gòu)的SAR真正射影像與傳統(tǒng)正射影像之間的對(duì)比。觀察圖6(a)和(b)的結(jié)果可以看出，由于疊掩現(xiàn)象的存在，經(jīng)傳統(tǒng)正射校正處理之后，圓柱形罐體結(jié)構(gòu)在雷達(dá)波照射方向被拉長(zhǎng)，破壞了罐體固有的結(jié)構(gòu)信息；相比較之下，經(jīng)過(guò)本文提出方法所生成的單視向真正射影像(如圖6(c)和圖6(d)所示)能夠清晰地區(qū)分油罐本體結(jié)構(gòu)與地面區(qū)域，使得經(jīng)過(guò)校正的SAR真正射圖像中罐體目標(biāo)仍然呈現(xiàn)圓柱形結(jié)構(gòu)；雙視向補(bǔ)償真正射影像(圖6(e)所示)進(jìn)一步抑制了信息缺失問(wèn)題，與圖6(f)光學(xué)影像相比，具有極高的相似性。

(3)?體育場(chǎng)目標(biāo)區(qū)域處理效果

圖7展示了以體育場(chǎng)為代表的復(fù)雜建筑SAR真正射影像生成對(duì)比結(jié)果。從圖7(a)、(b)展示的傳統(tǒng)SAR正射影像中可以看出，對(duì)于非規(guī)則地物目標(biāo)，疊掩現(xiàn)象的存在會(huì)嚴(yán)重干擾目標(biāo)結(jié)構(gòu)信息的獲取，導(dǎo)致難以精細(xì)分辨目標(biāo)結(jié)構(gòu)。經(jīng)過(guò)本文所提方法得到真正射影像(如圖7(c)和(d)所示)能夠更好地反映目標(biāo)結(jié)構(gòu)特征，對(duì)于復(fù)雜地物具有較好的結(jié)構(gòu)信息恢復(fù)能力。雙視向補(bǔ)償影像(如圖7(e))可以進(jìn)一步恢復(fù)目標(biāo)結(jié)構(gòu)信息的完整性，達(dá)到與圖7(f)光學(xué)正射影像類似的呈現(xiàn)效果。

(4)?摩天大樓目標(biāo)區(qū)域處理效果

圖8展示了以摩天大樓為代表的劇烈起伏目標(biāo)SAR真正射影像生成對(duì)比結(jié)果。摩天大樓局部高差大且結(jié)構(gòu)復(fù)雜，圖8(a)和(b)所示SAR正射影像中存在明顯的疊掩現(xiàn)象，無(wú)法準(zhǔn)確提取目標(biāo)結(jié)構(gòu)信息。與光學(xué)正射影像(如圖8(f))相比，經(jīng)過(guò)本文方法得到SAR真正射影像(如圖8(c)和(d))，能夠更好地反映目標(biāo)結(jié)構(gòu)特征。經(jīng)雙視向信息補(bǔ)償后影像如圖8(e)所示，目標(biāo)結(jié)構(gòu)進(jìn)一步完善，但仍有部分缺失信息區(qū)域（圖示中全黑色部分)。這是由于所采用兩視向SAR影像獲取信息有限，無(wú)法完全補(bǔ)償起伏劇烈復(fù)雜建筑物所帶來(lái)的信息缺失。對(duì)于該問(wèn)題，采用多視向補(bǔ)償?shù)姆椒梢愿佑行У孬@取目標(biāo)結(jié)構(gòu)信息。

5 總結(jié)

針對(duì)傳統(tǒng)的SAR影像正射校正結(jié)果存在疊掩干擾以及結(jié)構(gòu)邊緣模糊等問(wèn)題，本文提出了一種面向目標(biāo)結(jié)構(gòu)信息保持的真正射SAR遙感影像生成方法。從SAR成像幾何原理出發(fā)，針對(duì)性解決高精度DSM與SAR影像對(duì)準(zhǔn)、像方疊掩區(qū)域提取以及疊掩區(qū)域物方結(jié)構(gòu)恢復(fù)等問(wèn)題。與傳統(tǒng)SAR正射影像相比，基于該方法生成的SAR 真正射影像能夠更加清晰的恢復(fù)目標(biāo)結(jié)構(gòu)信息，生成符合光學(xué)視覺(jué)特性的真正射SAR影像，有利于SAR目標(biāo)的準(zhǔn)確判讀和解譯。

???作者團(tuán)隊(duì)

胡玉新研究員團(tuán)隊(duì)

中國(guó)科學(xué)院空天信息創(chuàng)新研究院第八研究室

中國(guó)科學(xué)院空間信息處理與應(yīng)用系統(tǒng)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室

胡玉新研究員，現(xiàn)任中國(guó)科學(xué)院空天信息創(chuàng)新研究院副院長(zhǎng)，長(zhǎng)期從事衛(wèi)星地面系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究與研制建設(shè)工作，主持完成了遙感三十三號(hào)衛(wèi)星星座、高分四號(hào)、十一號(hào)、十二號(hào)、十三號(hào)等衛(wèi)星地面應(yīng)用系統(tǒng)等國(guó)家重大型號(hào)項(xiàng)目10余項(xiàng)。曾獲國(guó)家科技進(jìn)步一等獎(jiǎng)、中國(guó)科學(xué)院王寬誠(chéng)盧嘉錫青年人才獎(jiǎng)、中國(guó)科學(xué)院杰出成就獎(jiǎng)等多項(xiàng)獎(jiǎng)勵(lì)，相關(guān)成果發(fā)表論文50多篇?！笆濉币詠?lái)，先后被聘為態(tài)勢(shì)感知與運(yùn)行控制技術(shù)、衛(wèi)星地面應(yīng)用系統(tǒng)技術(shù)等領(lǐng)域?qū)＜摇?/p>

胡玉新研究員SAR精細(xì)化成像和處理團(tuán)隊(duì)

中國(guó)科學(xué)院空間信息處理與應(yīng)用系統(tǒng)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，是中科院在地理空間信息技術(shù)方向唯一的院級(jí)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，國(guó)內(nèi)規(guī)模最大的遙感衛(wèi)星地面系統(tǒng)建設(shè)團(tuán)隊(duì)，航天遙感系列衛(wèi)星地面系統(tǒng)建設(shè)的總體研制單位，國(guó)家高分專項(xiàng)（軍）地面系統(tǒng)建設(shè)的總體依托單位、國(guó)家高分專項(xiàng)（民）航空系統(tǒng)的總體研制單位。

團(tuán)隊(duì)長(zhǎng)期研究SAR精細(xì)化成像和處理技術(shù)，團(tuán)隊(duì)突破超高分辨星載SAR成像算法、超大寬幅星載SAR高精度輻射/幾何校正技術(shù)、星載SAR極化不平衡估計(jì)與補(bǔ)償技術(shù)、稀疏微波成像與SAR圖像質(zhì)量提升技術(shù)、多角度SAR成像與信息提取技術(shù)、SAR高精度定位模型技術(shù)、SAR影像聯(lián)合無(wú)控定位技術(shù)、多源SAR影像自動(dòng)匹配技術(shù)、SAR影像疊掩抑制技術(shù)以及多源SAR影像鑲嵌處理技術(shù)等系列關(guān)鍵技術(shù)，成果應(yīng)用于軍、民、商17型30余顆國(guó)產(chǎn)SAR衛(wèi)星地面處理與應(yīng)用系統(tǒng)研制建設(shè)，出版專著10余部，近五年發(fā)表相關(guān)高水平學(xué)術(shù)論文300余篇，包括多篇遙感領(lǐng)域頂級(jí)期刊，包括：IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing, ISPRS Journal of Photogrammetry and Remote Sensing等。

編輯 | 馬秀強(qiáng)

校對(duì) | 融媒體工作室

審核 | 陳倩

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