SAR圖像建筑物成像特性及重建研究方法

摘 要：基于SAR圖像中平面屋頂建筑物的成像機理，介紹SAR圖像中建筑物的信息獲取和重建方法，包括成像特性、建筑物平面長條屋頂的提取、建筑物高度計算。通過成像原理，利用建筑物二次散射亮線及疊掩、陰影區(qū)域定位建筑物屋頂區(qū)域，再結合疊掩、陰影區(qū)域反推出建筑物高度的計算公式，實現建筑物三維重建。

關鍵詞：合成孔徑雷達SAR；疊掩；陰影；建筑物提?。蝗S重建

中圖分類號：TP751文獻標識碼：A

Research Methods on the Reconstruction and Imaging Characteristics of Building from SAR Image

WANG Min， ZHOU Shudao， LIU Zhihua， HUANG Feng， LIANG Miaoyuan

(Institute ofMcteorology，PLA University of Science and Technology，Nanjing 211101，China)

Abstract:Introducing the research method of building information acquisition and reconstruction from SAR image， which based on the imaging mechanism of flat rectangular roof building in SAR， including imaging characteristics， building flat strip roof extraction， building height calculations. Through the imaging principle， using secondary scattering bright lines and layerover and shadow to locate the building roof region， combined with layerover and shadow region to calculate height， achieve three-dimensional reconstruction of the building.

Key words:synthetic aperture radar ; SAR；layerover; shadow; building extraction ; three-dimension reconstruction

1 引 言

近些年來城區(qū)建筑物信息提取和三維重建是一個SAR遙感的一個研究熱點^［1］，在SAR 圖像中對于建筑物的提取和識別可以精確導航、制導、偵察以及打擊軍事目標，也可服務于城市規(guī)劃、城市開發(fā)和城市管理等領域， 建筑物提取的信息一般包括建筑物位置、二維結構以及包括建筑物高度的三維信息等，然而在遙感圖像上準確地檢測到建筑物是一個難題，一些學者對此作了一定的研究。通常提取建筑物的方法有三種：利用單幅影像方法；利用數字高程模型方法；結合影像和DEM方法。

本文針對單一SAR圖像中平面矩形屋頂建筑物的成像特性、建筑物平面長條屋頂的提取、建筑物高度的計算作一詳細的介紹。通過成像原理、利用建筑物二次散射亮線及疊掩、陰影區(qū)域定位建筑物屋頂區(qū)域，再結合疊掩、陰影區(qū)域反推出建筑物高度的計算公式，從而實現建筑物三維信息的提取。

2 SAR圖像上建筑物成像特性

合成孔徑雷達是一種高分辨率相干成像雷達。合成孔徑技術的基本思想是用一個小天線沿著一條直線方向不斷移動，在移動中的每個位置上發(fā)射一個信號，接收相應發(fā)射位置的回波信號貯存下來。存貯時必須同時保存接收信號的振幅和相位。

2.1 SAR二維成像原理

SAR通常將實際三維空間進行二維成像， 用膠片記錄與飛行方向平行的條帶狀區(qū)域的雷達后向散射信號。如圖1所示的條帶模式，條帶場景的中心線為基準線，載機雷達飛行方向與該基準線構成一個平面，即數據錄取平面，條帶內的目標成像就是SAR二維成像平面。SAR通過天線向一側發(fā)射電磁波脈沖，回波按地物天線的遠近先后被散射返回到天線，再被依次記錄下來，同時通過飛行器的運動和記錄膠片(或磁帶) 的運動配合構成條帶影像的另一維。影像的灰度與后向散射波強度相關，反映地表的粗糙性及介電特性^［2］。

圖1 合成孔徑雷達成像示意圖

2.2 SAR圖像建筑物成像特性

合成孔徑雷達圖像上建筑物圖像有著明顯的特點，主要體現為帶有暗區(qū)的高亮度區(qū)域。這主要是由于建筑物特殊的幾何形態(tài)、材料和水平垂直結構的分布，建筑材料如磚石、水泥、鋼筋等的介電常數一般較大，并有墻壁與地面容易產生角反射作用，因此，建筑物的后向散射回波較強，甚至在部分區(qū)域形成白色亮班。另外由于距離向的側視測距機制， 普通建筑物的墻面都垂直于地面，當雷達波束照射于建筑物成像時，必然會在圖像上產生疊掩和陰影現象^［3］。可以歸納出SAR圖像上的人造建筑物具有以下一些與光學遙感圖像顯著不同的幾何特征^［4］: 斜距與地距、疊掩、陰影、多次反射、紋理等。為了說明這些基本現象在建筑物成像中的反映，以一個平頂的建筑物為例，根據SAR成像幾何來描述這些特征，場景細節(jié)見圖2。從傳感器發(fā)出射線到達建筑物，各個散射點按照回波到達接收SAR的順序出現在圖像中。1）斜距與地距

SAR 圖像上目標沿距離向的距離有兩種顯示方式:一種為地距顯示，另一種為斜距顯示。地距顯示的圖像中各地物之間的相對距離與其對應的地面距離成比例，圖像比例尺是一個常數，而斜距顯示則完全是地物到雷達天線的距離在圖上的表示，比例尺不是常數。圖2所示圖像為斜距顯示。

說明：L：疊掩；D：二次散射；BR：房頂后向散射；

T：三次散射；BG：地面后向散射； S：陰影

圖2 不同形狀建筑物的SAR圖像幾何特點

2）疊掩

當地面上迎著SAR一面的斜坡斜率大于入射角時，將會出現頂點返回的信號比從底點返回的信號更早到達SAR接收機的情形，從而產生疊掩現象。如圖2中的L。從圖上可以看出，波束與房頂面垂直或與房頂面入射角在20°內的近似垂直時，形成單反射效應，又因為其距離傳感器最近，所以其回波最先到達傳感器并被記錄。地面和垂直地面的墻面被輻射后，它們的后向散射被傳感器接收，形成疊掩效應，在時間上晚于建筑物房頂的回波，疊掩的亮度比周圍環(huán)境要亮，比單面反射效應和角反射效應的回波亮度要弱。在疊掩區(qū)域的多個位置處的目標回波（“L+BR+BG”、“L+BG”等）可能會同時到達雷達接收機，表現為多個部分散設的貢獻疊加，在SAR 圖像上該將區(qū)域亮度比較高。

3）陰影

當背著SAR一面的斜坡斜率大于入射角時，該區(qū)域將沒有信號返回SAR接收機上，從而在SAR圖像中形成陰影現象。如圖2中的S。由于雷達波束不能照射到該地區(qū)，表現為一個黑色暗區(qū)域。

4）多次反射

圖2中墻面與地面形成由二次反射構成的二面角反射，在SAR圖像中表現為在墻角位置的一條沿著方位向的亮線，如圖2中的D；另外，墻-地-墻的三面角結構也會形成三面角反射，回波較強，如圖2中的T。

5）紋理

高分辨率SAR圖像上眾多建筑物整齊排列，建筑物所體現出的高灰度像素點排列得也很整齊，表現出了明顯的特定紋理特征。因為角反射器現象較少受入射角的影響，這些紋理相對穩(wěn)定。

3 SAR圖像上建筑物屋頂的提取方法

根據建筑物的SAR成像機制和真實SAR圖像的觀察， 可以發(fā)現在條帶式高分辨率SAR 圖像上，長方體建筑物的像一般成條狀^［5］，多層建筑物的信息更為豐富，表現為具有一定寬度的直線型或L型的高亮目標，且可以清晰地觀測到陰影、疊掩以及角反射等信息。這使得基于單幅SAR圖像的建筑物檢測成為可能。與利用多種圖像信息的方法相比，單幅圖像檢測所要處理的數據大大減少，而且無需對不同圖像進行配準，有望更加簡單實用；此外，受成像條件等因素的限制，在某些情況下對于同一地區(qū)可能僅有單幅圖像可供分析。研究基于單幅SAR圖像的建筑物檢測具有十分重要的意義^［6］。而這一條狀像的幾何信息及位置信息與建筑物存在內在聯系， 因此重建的第一步是提取這些條狀建筑物像。

一般提取平面屋頂實驗的算法流程可以分為4個步驟。首先對原始圖像進行一定的預處理，主要是降低斑點噪聲的影響；然后對SAR圖像通過分析灰度直方圖信息來確定建筑物二次散射區(qū)域位置并將其分離出來，因為二面角形成的二次散射區(qū)域在圖像中相對于其他區(qū)域具有很高的亮度；第三步是建筑物疊掩以及陰影區(qū)域的定位，由于建筑物基本都是正東西向或正南北向的，而SAR飛行方向為正東西向，所以建筑物的疊掩都是正南北向的。在第二步分割出來的二次散射區(qū)域位置的基礎上，分別在距離向和方位向采用線灰度累加的方法，根據累加灰度值的差別確定疊掩區(qū)域以及陰影區(qū)域的位置；最后根據疊掩和陰影區(qū)域的位置，利用Hough變換得到長條矩形屋頂的規(guī)則輪廓^［7］，得到建筑物屋頂的位置和尺寸信息。

4 建筑物高度提取及計算

4.1 基于疊掩的高度計算^［8］

在圖中，P點為SAR位置，距離地面高度為H，目標建筑物實際高度為h，α為建筑物底邊B的入射角，α+β為建筑物頂部A 的入射角， B 點到SAR的距離BC為R。建筑物的邊AB 在斜距上為A″B″，表達式為

A″B″=AF=R－PA

=OB2+H2－OB2+(H－h(huán))2(1)

圖3 建筑物高度與疊掩的關系

一般情況下， 雷達高度H 遠大于建筑物高度h ，可以用AE近似替代AF， 有

A″B″=AF≈AE=hcos (α+β)(2)

H  h時，可以近似認為β≈ 0 ，這樣

A″B″≈hcos α (3)

這就是發(fā)生疊掩時，A點在斜距上發(fā)生的位移，即高度失真位移。

為了使用地距真實的表示目標位移的變化，設圖3中O點到B點的實際地面距離OB在地距圖像中的距離為O′B′， 它們之間有確定的常數關系λ， 所以有

O'B'=λ#8226;OB(4)

因為信號時延實際上與斜距成比例， 設斜距O″B″與地距距離O′B′之間的比例因

子為σ，可以寫成

O′B′=λ#8226;OB=σ#8226;(R－H)(5)

OB=R2－H2 (6)

于是可得

h=A′B′λcos αR－HR+H(7)

利用上式，基于距離向的疊掩區(qū)域長度A′B′以及雷達入射角α共同求得建筑物的真實高度。

4.2 基于陰影的高度計算

由于地形的影響，SAR圖像上陰影是常見的部分，表現為低亮度值，比較容易識別。當太陽光照射在物體的側面時，所產生的陰影反映了地物的側面形狀，另外，通過陰影的特征分析也可以確定建筑物的高度信息^［9-10］。根據太陽方位角和衛(wèi)星方位角以及位置的關系，建筑物高度和陰影的關系可以分為以下兩種情況。

4.2.1 太陽和雷達在建筑物的同側

在不考慮雷達方位角和太陽方位角的影響時，如圖4所示，可得如下公式

L2=S－L1=H/tan β－H/tan α(8)

H=L2tan αtan β/(tan α－tan β) (9)

其中，H為建筑物高度，S為建筑物陰影長度，L2為影像上陰影的長度，α為衛(wèi)星高度角，β為太陽高度角，γ為太陽方位角。

圖4 太陽高度角、衛(wèi)星高度角、陰影之間的關系

由于在數字影像中，陰影長度的計算是用像元的個數乘以該影像的分辨率得到的。在這種情況下，所得陰影的長度與影像采樣方向有很大關系。一般情況下，由于建筑物基本都是正東西向或正南北向的，即像元的排列是東西、南北方向排列的。在這種情況下，太陽方位角是影響測量長度與陰影實際長度差異的重要原因。在這種情況下，可以不考慮衛(wèi)星方位角對陰影測量的影響。如圖5所示。

圖5 太陽方位角和建筑物陰影之間的關系

由圖5可得出測量的陰影長度S 和陰影實際長度之間的關系為：

cos(γ-π)=S′/S=L′2/L2(10)

于是：

H=L2×tanα×tanβ/cos(γ-π)×(tanα-tan)β (11)

4.2.2 太陽和雷達在建筑物的異側

如果SAR與太陽照射方向相反，則可以看到影子的全部，這是L1=0，則

H=S×tan β(12)

由此可見，只要得到SAR數據參數和建筑物陰影長度，就可計算出建筑物高度。

4.3 建筑物的三維重建

在檢測到了建筑物屋頂平面，判斷出建筑物的基本位置之后，通過對建筑物的陰影或是疊掩信息反算出建筑物的高度，然后就可以生成一個簡單的三維圖。

5 結 論

在高分辨率的SAR圖像上，人工建筑物由多個純像元組成，反映了其成像電磁波特性，因此能夠更清楚地解譯建筑物特征，如疊掩、陰影、多次散射等，從而進一步提取建筑物的相關信息。本文介紹了SAR圖像上建筑物三維重建的基本方法，包括建筑物在SAR圖像上的成像特征、建筑物平面長條屋頂的提取、建筑物高度的計算。此一般方法能夠進行簡單建筑目標的自動高效重建， 適用于建筑物基本外形成條狀、分布不是很密集的地區(qū)。

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注：本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內容請以PDF格式閱讀原文