一种面向地基SAR间断测量的图像配准方法

一种面向地基sar间断测量的图像配准方法
技术领域
1.本发明涉及地基sar技术领域，具体涉及一种面向地基sar间断测量的图像配准方法。


背景技术：

2.滑坡灾害占我国地质灾害总数70％以上，对其开展监测预警是防灾减灾的重要环节。形变监测是滑坡预测预警的重要依据。基于微波遥感测量技术的星载/地基sar(合成孔径雷达)，在滑坡灾害监测领域得到了广泛的应用。星载sar覆盖范围广，但重访周期长，观测视角不灵活。地基sar是星载测量手段的有效补充，其测量速度快，监测点灵活，可以实现高精度、近实时的形变测量。
3.地基sar的测量模式可以分为两种：连续测量和间断测量。对于持续变形或者失稳后的滑坡，可以采用地基sar在固定的观测点，开展长达数月甚至数年的连续监测。对于有不稳定因素存在但变形缓慢(每年几厘米)的蠕变型滑坡，采用地基sar连续测量时，会造成人力、物力的极大浪费，可以灵活调整观测周期，定期开展形变测量，即间断测量。
4.采用地基sar进行间断监测时，每次测量时均需要对雷达进行安装，获取一定数量的雷达图像后，再拆卸雷达。反复的安装与拆卸雷达，导致多次测量时无法保证雷达位置和姿态完全不发生改变，不可避免的会导致重轨误差。对两幅间断测量图像进行干涉处理时，由于重轨误差会导致干涉图中像素点无法直接匹配，严重降低干涉图的相干性，无法实现差分干涉处理。
5.为保证基于地基sar间断测量技术实现形变测量的可行性，必须对间断测量地基sar图像进行高精度的配准，才能实现形变信息的准确提取。因此如何实现地基sar间断测量图像的准确配准，是目前亟待解决的问题。


技术实现要素：

6.有鉴于此，本发明提供了一种面向地基sar间断测量的图像配准方法，能够对重轨误差导致的距离向和方位向偏移量进行准确的建模，并基于插值实现间断测量图像的准确配准。
7.为达到上述目的，本发明的技术方案如下。
8.一种面向地基sar间断测量的图像配准方法，包括：
9.利用地基sar系统获取第一图像，构建参考坐标系o-xyz，然后沿着z轴提高地基sar的高度，获取第二图像；基于干涉测量，获取第一图像中参考点的三维坐标，并将第一图像作为间断测量的主图像；
10.将其他时间获取的一幅图像作为间断测量的辅图像，然后基于互相关系数法，获取所述主图像中参考点在所述辅图像中的同名点，并计算出每一个参考点与其同名点之间的距离向、方位向偏移量；
11.对所述距离向、方位向偏移量分别进行参数建模，构建线性方程组，然后采用最小
二乘法估计出模型系数，计算出准确的距离向、方位向偏移量；
12.获取所述辅图像中同名点的复信息，实现间断测量图像的准确配准。
13.本发明的有益效果：
14.本发明能够对重轨误差导致的距离向和方位向偏移量进行准确的建模，并基于插值实现间断测量图像的准确配准，从而保证对于间断测量模式下获取的雷达图像，基于差分干涉技术实现形变测量的可行性。
附图说明
15.图1为本发明实施例中面向地基sar间断测量的图像配准方法流程图；
16.图2为本发明实施例中地基sar干涉测量示意图；
17.图3为本发明实施例中参考点匹配示意图。
具体实施方式
18.下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。
19.如图1所示，本实施方式的一种面向地基sar间断测量的图像配准方法，具体包括：
20.步骤一、利用地基sar系统获取第一图像，构建参考坐标系o-xyz，然后沿着z轴提高地基sar的高度，获取第二图像；基于干涉测量，获取第一图像中参考点的三维坐标，并将第一图像作为间断测量的主图像；
21.本实施例中，假设地基sar的合成孔径中心位于原点o，孔径方向平行于x轴，y轴与x轴在水平面内垂直，z轴与x轴、y轴构成右手直角坐标系。然后在z轴正方向上提高雷达高度，在高度b上获取雷达图像2。b的典型取值范围是10cm至30cm。从图像1中选择出信噪比高于20db的像素点，作为干涉处理的参考点。对这两幅图像进行复共轭相乘，获取一幅干涉相位图。
22.对于监测区域中任意一个参考点，假设其与两次测量时雷达之间的距离分别为r和r(b)，如图2所示。该参考点的干涉相位与距离变化之间的关系为，
[0023][0024]
因此，该参考点的高程z可以表示为
[0025][0026]
假设一个参考点p在雷达图像1中的斜距为r
p
，方位角为θ
p
，基于式(2)获取其高度向坐标z
p
。根据地基sar成像几何，可以得到p的x
p
和y
p
坐标分别为
[0027][0028]
基于式(1)-式(3)，获取雷达图像1中所有参考点的三维坐标，并将雷达图像1作为间断测量的主图像。
[0029]
步骤二、将其他时间获取的一幅图像作为间断测量的辅图像，然后基于互相关系数法，获取所述主图像中参考点在所述辅图像中的同名点，并计算出每一个参考点与其同名点之间的距离向、方位向偏移量；
[0030]
在具体实施时，第一次干涉测量获取两幅图像后，间隔数周或者数月开展第二次测量，仅需要获取一幅图像，作为间断测量的辅图像。由于两次测量时无法保证地基sar的位置和姿态完全不发生改变，不可避免的会导致重轨误差。对于间断测量主图像中的一个参考点p1(r
p1
,θ
p1
)，假设其在间断测量辅图像中的同名点为p2(r
p2
,θ
p2
)。由于重轨误差的存在，导致p1和p2的斜距和方位角不同，它们在主图像、辅图像中的行、列坐标有差异，不能直接匹配起来。
[0031]
因此，为实现p1和p2的匹配，采用互相关系数法。以p1为中心，先在主图像中构建一个较小的l1×
l2的矩形窗，设为wm，然后在辅图像上构建一个较大的l3×
l4的矩形窗，设为ws。图3所示为参考点匹配示意图，在ws中选择出一个大小为l1×
l2的矩形窗，设为其中δθ和δr分别表示沿着方位向、距离向的偏移量，然后基于下式计算wm与的互相关系数γ
(δθ,δr)
。
[0032][0033]
其中，∑[]表示求和，*表示复共轭。
[0034]
在窗ws中沿着方位向、距离向调整偏移量δθ、δr，在每个偏移对上计算一次γ
(δθ,δr)
。在γ
(δθ,δr)
的取值达到最大时，以中心点作为参考点p1在辅图像中的同名点，如图中p2，记录互相关系数最大时的偏移量δθ
m1
和δr
m1
。实际处理中，为提高对δθ
m1
和δr
m1
的估计精度，可以对ws进行8倍或者16倍升采样。但由于匹配误差、噪声相位等的存在，δθ
m1
、δr
m1
的测量值与真实值之间会有较小的误差。
[0035]
步骤三、对所述距离向、方位向偏移量分别进行参数建模，构建线性方程组，然后采用最小二乘法估计出模型系数，计算出准确的距离向、方位向偏移量。
[0036]
在具体实施时，采用地基sar获取间断测量主图像时，其孔径中心的三维坐标位于原点o，孔径方向平行于x轴。假设获取辅图像时，雷达的位置和姿态发生了改变，孔径中心移动到o'(ε
x
,εy,εz)，孔径方向与x轴正方向的夹角为ε
α
，与x-y平面的夹角为ε
β
。以步骤二中所述同名点对p1和p2为例来分析重轨误差，理论情况下两点之间的斜距差δr和方位角差δθ分别为
[0037][0038]
[0039]
本实施例中，假设在主图像中获取到n个参考点q1(r1,θ1)、q2(r2,θ2)、
…
、qn(rn,θn)，在步骤1中，获取了所有参考点的三维坐标(x1,y1,z1)、(x2,y2,z2)、
…
、(xn,yn,zn)。在步骤二中，初步获取了所有参考点与同名点之间的偏移量(δr
m1
,δθ
m1
)、(δr
m2
,δθ
m2
)、
…
、(δr
mn
,δθ
mn
)。基于式(5)构建方程组，
[0040]
yr＝h
xyz
x
xyz
εr[0041][0042]
其中，yr是由参考点与同名点之间距离偏移量构成的列向量，h
xyz
是系数矩阵，x
xyz
是待估计的孔径中心误差列向量，εr表示误差向量。采用最小二乘法估计x
xyz
[0043][0044]
其中，
t
表示矩阵转置。代入式(7)，重新估计距离向偏移量yr[0045][0046]
其中是由距离向偏移量构成的列向量。
[0047]
参考式(7)-(9)，采用同样的方式重新估计方位向偏移量。首先构建线性方程组
[0048]yθ
＝h
αβ
x
αβ
ε
θ
[0049][0050]
采用最小二乘法，重新估计y
θ
[0051][0052][0053]
步骤四、采用空间插值法获取辅图像中同名点的复信息，实现间断测量图像的准确配准。
[0054]
所述步骤三中，估计出了主图像所有参考点与辅图像相应同名点的距离向偏移量和方位向偏移量根据第n个参考点qn在主图像中的坐标(rn,θn)，可以获取到其在辅图像中同名点的坐标为假设辅图像中(rn,θn)处像素点的复信息为in，现在插值获取处的复信息可以采用二维线性插值、sinc插值、克里金插值等，即为第n个同名点的复信息。
[0055]
经过上述处理，对于主图像中的所有参考点，获取了它们在辅图像中同名点的复信息，即实现了间断测量图像的配准。然后对每一个参考点与其同名点进行干涉处理，即可以实现间断测量图像的形变测量。
[0056]
综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。