SAR图像建筑物三维信息提取方法研究

SA R图像建筑物三维信息提取方法研究邹斌,许可,张腊梅,李慧君(哈尔滨工业大学信息工程系,黑龙江哈尔滨150001)摘要:为了能够从单一SAR图像中提取出建筑物的三维信息,基于SA R成像原理提出了从图像中建筑物叠掩和阴影区域计算平面矩形屋顶尺寸以及高度的方法。

针对SA R平面矩形屋顶建筑物仿真图像,利用灰度直方图信息定位建筑物二次散射区域,通过线灰度累加分割出叠掩和阴影区域,再采用恢复公式计算屋顶尺寸和高度。

实验结果表明,对于具有明显几何形变的平面矩形屋顶建筑物单一SAR图像,此方法有效恢复屋顶尺寸和高度,提高了建筑物检测识别的准确度和精度。

关键词:合成孔径雷达;特征提取;建筑物提取;三维信息中图分类号:T N958文献标识码:A文章编号:1672-2337(2009)02-0095-07Study on Extraction Methods of Three-DimensionInformation of Buildings in SAR ImagesZOU Bin,XU Ke,ZH ANG La-m ei,LI H u-i jun(De par tmen t of I nf ormation Eng inee ring,H arbin I nstitute of T echnolog y,H arbin150001,Ch ina)Abstract:In or der to ex tr act three-dimensio n infor mat ion o f buildings in single SA R images,a w ay t o compute the r oof dimension and heig ht is pr oposed.Based o n SAR imag ing principle,this method uses the infor mation of over lay and shadow ar eas o f building s in SA R images.I n SA R simulation images including buildings w ith flat and r ect ang le ro ofs,do uble scattering a rea o f building s can be o riented by g ray histog ram. T he ov er lay and shado w ar eas can be seg ment ed by g ray accumulat ion in lines,and the ro of dimensio n and height can be co mputed by reco very fo rmula.T he ex per iment results pr ove that this w ay can r eco ver the ro of dimensio n and height effect ively in sing le SAR imag es,including building s w ith f lat and rectang le r oofs which have geo met ric distor tio ns.T he accuracy o f detecting and recog nizing buildings in SA R imag es can be im-pr oved.Key words:synthet ic aper ture radar(SA R);feature ext ractio n;building ex traction;thr ee-dimension infor mation1引言合成孔径雷达(SAR)是一种利用微波进行感知的主动传感器,与光学、红外等其他传感器相比,SAR成像不受天气、光照等条件的限制,具有全天时、全天候、多波段、多极化工作方式、可变侧视角和穿透能力强等特点。

SAR遥感成像系统与其他遥感成像系统特别是与光学遥感成像系统相比,生成的二维图像具有很多明显的差异,SAR图像反映的是地面微波后向散射特性,而且SAR图像和光学遥感图像成像过程不在同一个平面内。

与光学图像相比,SAR图像视觉可读性较差,并且受到相干斑、叠掩、阴影、透视收缩、迎坡收缩等几何形变的影响,使得SAR图像信息处理更加困难。

因此,目标不变特征提取困难,增加了目标识别的难度。

在SAR图像中对于建筑物的提取和识别可以精确导航、制导、侦察以及打击军事目标,也可服务于城市规划、城市开发和城市管理等领域,一些学者对此作了一定的研究。

Tupin等通过SAR 立体像对提取出建筑物的高度和边缘,并与光学第2期2009年4月雷达科学与技术Radar Sci ence and Technol ogyV ol.7N o.2A pr il2009收稿日期:2008-10-20;修回日期:2008-12-26基金项目:国家自然科学基金(No.60672091,60872098)图像融合获取屋顶信息[1-2];Simonetto等根据SAR图像中建筑物L型二面角散射亮线来检测和重建矩形建筑物[3];Thiele等利用三角形屋顶在SAR图像中呈现双平行亮线的特点,结合多视角高分辨率干涉合成孔径雷达(InSAR)高程数据对屋顶进行重建[4];Jahang ir等通过分析多幅不同视角的SAR图像中建筑物的阴影区域来估算出建筑物的尺寸[5];Tison等利用InSAR对建筑物的阴影进行提取,反演建筑物的形状[6]。

徐华平等对InSAR数据处理流程及地形高度信息的获取方法进行了详细阐述[7]。

但是以上一些提取和识别方法都结合多种数据源,或者有多幅不同成像参数下的SAR图像进行分析处理,这些方法对于原始数据和先验知识的要求很高,当缺乏必要的信息来源时,方法将不再适用;此外,这些方法对于多种数据源的处理使得系统的实时性变差,也无法更好地适应对实时性要求较高的应用。

由于SAR 图像本身相干斑以及建筑物区域形变的影响,对于单一SA R图像中的建筑物信息的提取,国内外的研究很少。

本文针对单一SAR图像中平面矩形屋顶建筑物的成像区域进行分析,通过成像原理恢复建筑物高度,进一步推导出屋顶长和宽的计算公式,利用建筑物二次散射亮线定位建筑物区域,结合叠掩、阴影区域实现了建筑物三维信息的提取。

此方法基于单一SA R图像,降低了提取识别过程中对于数据来源的苛刻要求,同时也提高了系统的实时性性能,对于提高SAR图像中建筑物目标实时识别的准确度和精度具有一定的意义。

2SAR成像基本原理及成像特点2.1SAR二维成像原理SAR通常将实际三维空间进行二维成像,如图1所示,为正侧视条带模式,条带场景的中心线为基准线,载机飞行方向与该基准线构成一个平面,即数据录取平面,条带内的目标成像就成为二维平面的问题。

合成孔径雷达是基于距离测量的探测器,发射线性调频信号实现距离向的高分辨率,利用回波的多普勒相位变化合成等效的大孔径天线来获取高的方位向分辨。

SAR在飞行过程中发射微波脉冲,接收由地面目标散射回来的回波,雷达回波在接收机里经处理后,得到回波信号,包含反映目标散射特性的幅度信息,以及反映目标至雷达天线之间距离及目标自身特性的相位信息。

图1合成孔径雷达成像示意图2.2SAR成像特点由于SAR成像原理与其他成像方式的不同, SAR图像也有其固有的几何特点。

SAR图像主要的几何特点为斜距与地距、透视收缩、叠掩和阴影。

图2为SAR图像几何特点示意图。

图2SA R图像几何特点示意图斜距与地距SAR图像上目标沿距离向的距离有两种显示方式:一种为地距显示,另一种为斜距显示。

地距显示的图像中各地物之间的相对距离与其对应的地面距离成比例,图像比例尺是一个常数,而斜距显示则完全是地物到雷达天线的距离在图上的表示,比例尺不是常数。

透视收缩当局部区域的斜率小于入射角时,斜升区域在斜距图像中将会缩小,这就是透视收缩,如图2中3点到4点的区域。

这将使得迎着雷达一面的斜升区域反射回来的能量在图像上集中于较小的区域之内,因此表现为该地区的亮度96雷达科学与技术第7卷第2期比周围地区的更亮。

叠掩 当地面上迎着雷达一面的斜坡斜率大于入射角时,将会出现顶点返回的信号比从底点返回的信号更早到达雷达接收机的情形,从而产生叠掩现象。

如图2中1点和2点在SAR 图像中将会出现互相倒置的情形。

在叠掩区域的多个位置处的目标回波可能会同时到达雷达接收机,在SAR 图像上将表现为更亮的区域。

阴影 当背着雷达一面的斜坡斜率大于入射角时,该区域将没有信号返回雷达接收机上,从而在雷达图像中形成阴影现象。

如图2中2点到3点之间的区域,由于雷达波束不能照射到该地区,表现为一个暗区。

2.3 建筑物的二次散射单次散射,即入射电磁波照射到墙壁或地面,直接散射回去。

二次散射为入射波照射到与地面垂直的墙壁上,一部分直接反射回去,另一部分先由墙壁反射到地面,再由地面反射到SA R 。

在一些特定的环境中,二次反射对回波有很强的贡献,如场景中包含墙壁与SAR 飞行方向平行的建筑物结构时[8-9]。

图3为二次散射几何原理示意图。

图3 建筑物的二次散射示意图考虑电磁波从B 点直接反射回来,以及电磁波从A 到O,再反射回SAR 的二次散射。

不难证明两者路程相等:从图中可以得到DA+AO =2BC ,因为BM=AM=OM ,所以AO=2BM ,DA=2CM 。

可以证明,该结论对任何入射点、入射角及建筑物高度都成立。

因此,所有二次散射都与从B 点的一次散射有相同的路径。

在后向散射图上,所有的二次散射都被叠加到B 点对应的位置上。

因此在SAR 图像上平行于方位向具有一定长度并与地面垂直的墙壁由于二次散射作用会产生一条平行于方位向的亮线。

3 SA R 图像中典型建筑物三维信息提取原理一般情况下,普通建筑物的墙面都垂直于地面,当雷达波束照射于建筑物成像时,会在图像上产生叠掩和阴影现象。

本文主要讨论平面矩形屋顶的建筑物,SAR 飞行方向与建筑物的一条底边平行。

如图4所示,AB CD 为一建筑物,上方为建筑物斜距成像示意图,下方为地距成像示意图,可见楼顶A 点成像早于楼底B 点,这种成像与航摄相片中的成像正好相反。

一般来说,当雷达波束的俯角与迎坡坡度角之和大于90b 时,才会出现叠掩。

由于普通建筑物墙面坡度角为90b ,所以满足产生叠掩的条件,都会产生叠掩现象,雷达图像叠掩区域为图4中斜线区域。

雷达波束对建筑物除了会造成叠掩外,还会对背坡墙面形成阴影,雷达阴影的形成与俯角和坡度有关,由于墙面垂直于地面,因此大于雷达波束俯角,必然产生阴影。