基于圓跡SAR的建筑物輪廓信息提取

劉 燕譚維賢林 赟洪 文

①(中國科學院電子學研究所微波成像技術國家重點實驗室 北京 100190)

②(空軍裝備研究院 北京 100085)

基于圓跡SAR的建筑物輪廓信息提取

劉 燕*①②譚維賢①林 赟①洪 文①

①(中國科學院電子學研究所微波成像技術國家重點實驗室 北京 100190)

②(空軍裝備研究院 北京 100085)

利用圓跡SAR對目標的全方位觀測的特點，該文提出一種基于圓跡SAR數據的建筑物輪廓信息提取以及所處地面的高度估計的方法。首先，通過雷達立體測量的方法粗估計出目標建筑物所處地面的海拔高度。然后，以該高度為基準上下一定范圍內劃分多個成像平面層，在各個成像平面上對建筑物進行圓跡SAR成像。最后，在圓跡SAR圖像中選擇建筑物二次反射亮線構成封閉線框的一副圖像，從該幅圖像中提取建筑物在水平面的輪廓信息，同時將該圖像對應的成像平面高度確定為目標建筑物所在地面的高度。P波段機載圓跡SAR實測數據驗證了該方法的有效性。

圓跡SAR；建筑物輪廓；信息提取；二次反射

1 引言

合成孔徑雷達(SAR)具有全天時全天候，高分辨大區域成像的能力，在遙感領域得到了廣泛的應用。傳統SAR模式下的雷達平臺的飛行軌跡為直線或是近似直線，在這種成像幾何下，SAR 圖像存在由于迭掩、透視縮短和陰影等固有變形現象以及僅能獲取觀測對象在某小范圍方向上的后向散射的問題。為了進一步拓展SAR的應用，圓跡SAR 作為一種新的高分辨率成像模式于20 世紀90 年代中期被提出[1]。圓跡SAR模式觀測幾何下，雷達通過對觀測場景的360°觀測，能夠獲取目標全方位的散射特征，同時其理論分辨率可以達到亞波長量級，這極大地拓展了傳統SAR成像系統的性能和應用領域，近十余年來圓跡SAR得到了廣泛的研究和應用[2?9]。

圓跡SAR的多角度成像幾何通常采用正射成像的方法得到不同360°全方位觀測的結果。若成像時所參考的數字高程模型 (Digital Elevation Model,DEM)數據與實際不符，回波在圖像上的體現為朝觀測方向發生偏移。在高分辨率SAR圖像中，對于建筑物目標而言，由建筑物的墻面和地面形成的二面角造成的強反射，即二次反射效應[10,11]，是一個非常重要的特征。在圓跡SAR情況下，所有的建筑物可以被360°的觀測(被遮擋的建筑物除外)，在不被遮掩的情況下，建筑物的每個墻面都可以產生較強的二次反射效應。使用圓跡SAR對建筑物進行成像，若將成像平面設在其建筑底部，二次反射效應形成的亮線將形成一個閉合的線框(例如矩形線框)，從而可以準確地得到建筑物的位置和面積信息[3]。在對圓跡SAR數據進行成像過程中，當不清楚建筑物所處地面的準確高度時，會將成像平面設在其它高度上，從而二次反射效應產生的亮線會發生偏移其真實位置(這里需要說明的是：對于散射特性是各項同性的散射體，當成像平面高度不對時，有可能圖像會在各個方向上都有旁瓣[3]；對于建筑墻面而言，其二次反射效應的方向性很強[11]，所以當成像高度與建筑物所處地面的高度不同時，二次反射效應產生的亮線的位置僅僅會沿與墻面垂直的方向發生移動)。因此，當建筑物所處地面的高度未知時，很難得到正確的建筑物輪廓，這極大地影響了高分辨率圓跡SAR的成像效果[3]。

利用圓跡SAR對建筑物進行全方位觀測時二次反射效應形成的亮線將形成一個閉合線框的特征(在沒有遮擋的情況下)，本文提供了一種獲取建筑物輪廓信息以及估計建筑物所處地面高度的方法。該方法包括：粗估計出目標建筑物所處地面的海拔高度；以該高度為基準上下一定范圍內劃分多個成像平面層，在各個成像平面上對建筑物進行圓跡SAR成像；在圓跡SAR圖像中選擇二次反射亮線構成封閉區域且不相交的一副圖像，從該圖像中提取建筑物輪廓信息，并將該圖像對應成像平面的高度確定為目標建筑物所處地面的高度。通過P波段的圓跡SAR實測數據對該方法進行了驗證，實驗結果說明了該方法的有效性和可行性。

2 圓跡SAR二次反射亮線位置分析

使用圓跡SAR對建筑物進行成像，若將成像平面設在其建筑物所在地面，由于雷達是360°觀測，每個墻面都會產生一條二次反射亮線，那么二次反射效應形成的亮線將形成一個閉合的多邊形線框，如圖1所示。從該多邊形線框可以準確地得到建筑物的位置和面積信息。

圖1 二次反射效應形成的亮線將形成的閉合的多邊形線框圖示

然而，在實際圓跡SAR成像過程中，我們并不清楚建筑物所在地面的準確高度，有可能將成像平面設在其它高度上，從而二面角效應產生的亮線會發生偏移其真實位置。對于建筑墻面而言，其二次反射效應的方向性很強，所以當成像平面高度與建筑物所在地面高度不同時，二次反射效應產生的亮線的位置僅僅會沿與墻面垂直的方向發生移動。圖2展示了二次反射效應產生的亮線位置隨成像平面高度的變化情況。圖2(a)展示了建筑物單側墻面的二次反射亮線隨著成像平面高度的變化，其中，矩形代表建筑物的一個切面，O表示雷達平臺的零多普勒位置，A, B, C代表左邊墻面產生的二次反射亮線在不同成像平面處的位置，有X表示墻面到雷達的水平距離，H為建筑物所在地面到雷達的垂直距離。從圖2(a)可以看出，當成像平面低于實際建筑物所在地面高度時，亮線沿墻面法線方向朝外平移；當成像平面高于實際平面高度時亮線就沿墻面法線方向朝內平移。ΔX1為成像平面高度低于成像平面Δh1時二次反射亮線向外平移的距離，ΔX2為成像平面高度高于成像平面Δh2時二次反射亮線向外平移的距離。根據以及勾股定理，可以得到

可以解得

以及

圖2 建筑物二次散射亮線隨成像平面高度的變化示意圖

從式(2)與式(3)可以看出，由于成像平面與建筑物所在地面高度的誤差與二次反射亮線的位移量成正比。那么，在正射面上，當成像平面低于實際平面高度時，如圖2(b)所示，亮線朝四周擴散，不再閉合；當成像平面高于實際平面高度時，如圖2(c)所示，各個亮線會發生交叉。

從圖1和圖2看出，只有在成像平面與建筑物所在地面高度一致的情況下，二次反射亮線才會構成閉合的線框。因此，在實際成像過程中，可以將建筑墻面二次反射亮線構成閉合線框作為成像平面與建筑物所在地面高度一致的判斷依據，從而獲取準確的建筑物輪廓信息。

為了便于分析，在圓跡二次反射亮線位置分析中采用了標準長方體作為目標建筑物模型。實際上，除非建筑物上(例如建筑頂部)存在一些特殊的二面角結構，在絕大多數情況下，都可以將二次反射亮線構成閉合線框作為成像平面與建筑物所在地面高度一致的判斷依據。這是由于，即使建筑物存在不等高、非規范矩形、凸凹結構、表面粗糙等情況，對于建筑物側面墻體與地面構成的二面角所產生的二次反射亮線而言，都符合圖1和圖2所示的亮線位置隨成像平面高度的變化規律。當建筑物上(例如建筑頂部)存在一些特殊的二面角結構時，在成像平面低于地面時，即使由建筑側面與地面構成的二面角產生的二次反射亮線不再閉合，由于建筑物上的二面角產生的二次反射的存在，整個建筑產生的二次反射亮線也有可能構成封閉的“胖”輪廓，例如圖3所示。但在實際中，這種恰好滿足成像面低于地面時得到封閉的“胖”輪廓的建筑結構并不屬于建筑結構的主流。因此，對于絕大多數類型的建筑物而言，上述分析都是適用的。

圖3 成像平面低于建筑物所在地面時，二次反射亮線在成像平面上的位置顯示。底層建筑物側面產生的二次反射亮線用黑色線段表示；第2層建筑物側面產生的二次反射亮線用紅色線段表示

3 基于圓跡SAR數據的建筑物輪廓信息提取

基于第2節的分析，給出一種基于圖像能量的判斷建筑物地面高度和確定建筑物距離方位維輪廓的方法。首先，通過立體測量的方法粗估計出目標建筑物所在地面的高度；然后，在以該高度為中心的成像范圍中劃分多個高度層，針對各個高度層對建筑物分別進行圓跡SAR成像；最后，在各個高度層對應的圓跡SAR圖像中，選擇二次反射亮線構成封閉區域且不相交的一幅圖像，從該幅圖像中獲取建筑物距離方位維輪廓信息，并將該圖像的成像平面高度確定為目標建筑物所在地面的高度。所提方法流程如圖4所示。下面對該方法的各個步驟進行詳細介紹。

步驟1 粗估計出目標建筑物所在地面的高度H0。理論驗證和機載實驗數據的研究表明，圓跡SAR具有3維成像能力[12]。在進行圓跡SAR 2維成像時，位于成像參考平面外的目標在不同方位角度觀測時，將投影到成像平面的不同位置，因此可以通過立體像對的方法對場景的高程進行測量。采用立體像對法進行高程測量的方法如下：首先，將360°雷達平臺軌跡圓環劃分為多段圓弧，對每段圓弧分割為多個子孔徑；然后，利用子孔徑圖像間的相似性，通過相關系數最大法，在其他子孔徑圖像上尋找與中心圖像匹配的像素點，得到二者的位置偏移；最后，通過該位置偏移提取出地面場景的數字高程DEM，即目標建筑物所在地面的高度[12]。立體測量方法的高程估計精度與高分辨率圓跡SAR精確成像所需的高程精度相比略顯粗糙[12]，但該方法粗估計出的高程可以作為目標建筑物所在地面一個初始估計高度，可以有效降低本文方法的運算量。

圖4 基于圓跡SAR數據的建筑物地面高度估計流程圖

步驟2 以步驟1粗估計出的目標建筑物所在地面高度為基準上下一定范圍內劃分多個成像平面層，在各個成像平面上對建筑物進行圓跡SAR成像。 通常選擇以H0為基準上下2～4倍高程估計精度的高度范圍作為成像平面的高度范圍，其中，所述立體測量精度與用來提取DEM的子孔徑圖像之間的方位角度差以及子孔徑圖像之間配準精度有關。不同波段圓跡SAR立體測量的精度是不同的。在X波段，圓跡SAR立體測量精度可以達到1～2 m；在P波段，可以達到3～5 m。在所述高度內按照一定間隔劃分得到多個成像平面高度(劃分間隔參考全孔徑合成角度下的圓跡SAR高程精度[13])，在各個成像平面上對目標區域進行圓跡SAR成像。

步驟3 在多幅高度層圓跡SAR成像后圖像中，選擇二次反射亮線構成封閉區域且不相交的一副圖像。該方法包括如下子步驟：

(1)亮點檢測與聚類： 恒虛警(Constant False Alarm Rate, CFAR)方法[14,15]是檢測SAR圖像上強散射目標(亮點)的一種常用方法，在SAR圖像人造目標檢測方面得到了廣泛的應用。該方法的應用前提是目標像素灰度高于背景且相對于背景具有較強的對比度。由于建筑物二次反射亮線相對與其他背景目標而言具有較強的對比度，因此本文采用CFAR來對其進行亮點檢測，并將圖像二值化，對亮點賦值1，對背景點賦值0。對圖像上的亮點進行連通性分析，去除小的連通區域，合并鄰近的連通區域。

(2)對亮點包圍區域的背景點進行加權求和，在各個高度層的成像平面中，將背景點權值和最大的成像平面判斷為二次反射亮線構成封閉區域且不相交的圖像。

基于如下規則對亮點包圍區域的背景點進行加權求和，其中該規則包括如果一個背景點四周被亮點包圍，則給該背景點賦予較高權值；如果背景點被亮點部分包圍，則給該背景點賦予較低權值；如果背景點只有一側有亮點，則給該背景點賦予零權值。

權值和F(hn)如式(4)所示：

其中Sm表示第m個亮點連通區域，M表示第n層圖像第1標記點連通區域的個數。T(xi,yj)表示Sm區域中的(xi,yj)位置處的亮點的權值。

式(5)中，通常選a1=2, a2=1。

(3)選擇背景點權值和最大的圖像判斷為二次反射亮線構成封閉區域且不相交的圖像，將判斷出的二次反射亮線構成封閉區域且不相交的圖像對應的高度層的高度確定為所述目標建筑物的底部高度，即如式(6)所示。

4 P波段圓跡SAR實驗

本文采用中科院電子所P波段圓跡SAR數據對本文提出的方法進行驗證。本次P波段圓跡SAR試驗參數如下：脈沖重復頻率PRF=3000 Hz，工作波長=0.5 m，帶寬=200 MHz，飛行半徑≈3000 m，平臺高度≈3000 m。選取一個建筑群中的兩個建筑物作為實驗目標，它們分別是圖5所示光學圖像中紅色虛線圈中的目標建筑物1和黃色虛線圈中的目標建筑物2。

圖5 目標區域的光學照片

采用立體像對測量估計出的DEM作為成像參考DEM，對目標區域進行圓跡SAR成像，成像結果如圖6所示。圖6紅色線圈中為目標建筑物1的輪廓，黃色線圈中為目標建筑物2的輪廓。對比圖5和圖6，可以看出，由于立體像對測量估計出DEM的高程精度有限，很難得到準確的建筑物輪廓。

根據本文提出的方法，首先，通過立體像對測量的方法，估計出目標區域的大致高度(約為460 m)，立體像對測量精度為5 m；接著,選取高程成像范圍為[455 m, 475 m]，根據全孔徑下計算出的高程分辨率對高度進行等間隔劃分；最后，對各個高度層采用BP方法進行2維成像，得到一系列成像平面上的圓跡SAR圖像。

我們首先采用本文方法估計出目標建筑物地平面的高度，然后根據該高度選取了3個成像平面的圖像來驗證本文第2節的分析。圖7為3個不同高度層處目標建筑物1的成像結果，紅圈內為目標建筑物1的墻面二次反射產生的亮線。圖7(a)為當成像平面高度等于建筑底部地面時的成像結果，可以看到，紅圈內二面角效應產生的亮線構成了一個閉合的矩形線框；圖7(b)為當成像平面高度低于建筑底部地面時的成像結果，可以看到，紅圈內的二次反射亮線相對于圖7(a)中閉合的矩形線框向四周擴散；圖7(c)為當成像平面高度高于建筑底部地面時的成像結果，可以看到，紅圈內的二次反射亮線相對于圖7(a)中閉合的矩形線框向內平移，呈交叉狀。圖7所示目標建筑物1在不同高度層的成像結果與本文的分析保持一致。

圖6 基于立體像對測量方法估計出的DEM對目標區域的圓跡SAR成像結果

圖8展示了圖7所示的3個高度層下紅圈內的亮點連通域，圖中除了深藍色表示背景點外，其他每種顏色代表了一個亮點連通區域，可以看出圖8(a)中(成像平面高度等于建筑底部地面情況下)亮點連通區域內部背景點最多。

去除小的亮點連通區域后，對不同高度層亮點連通區域內部背景點進行加權求和(根據式(4))，權值和曲線如圖所示。從圖9可以看出，在成像平面高度為464.5 m時，亮點連通區域內部背景點的權值和最大，該權值和隨著成像平面高度遠離該高度而下降。圖10為在成像平面高度為464.5 m時，紅圈內目標建筑物1的成像結果。可以看到，二次反射亮線構成了閉合的矩形線框，從該圖像中可以獲取目標區域建筑物1的輪廓信息。

對于側面有凹凸結構的目標建筑物2而言，采用本文方法可以得到類似的實驗結果。圖11為背景點權值和曲線，從圖中可以看出，在成像平面高度為463.8 m時，亮點連通區域內部背景點的權值和最大。圖12為在成像平面高度為463.8 m時，目標建筑物2的成像結果，可以看到，二次反射亮線構成了閉合的線框，從該圖像中可以獲取目標建筑物2的輪廓信息。

圖7 目標建筑物1在不同成像高度層成像所得到的二面角效應的亮線位置(距離方位維)

圖8 不同成像高度層成像所得到亮點連通區域

圖9 目標建筑物1在不同高度層亮點連通區域內背景點權值和曲線

圖10 權值和最大處的高程對 應的目標建筑物1成像結果

圖11 目標建筑物2在不同高度層亮 點連通區域內背景點權值和曲線

圖12 權值和最大處的高程對應的目標建筑物2成像結果

5 結束語

本文利用圓跡SAR全方位觀測的優勢，提出了一種基于圓跡SAR數據的建筑物輪廓信息提取以及所處地面的高度估計的方法，這為一些人造目標(如坦克等目標)的精確重建提供了一種思路和方法，并進一步說明了圓跡SAR成像技術的應用價值。

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劉 燕： 女，1982年生，博士后，研究方向為圓跡SAR成像處理.

譚維賢： 男，1981年生，副研究員, 研究方向為雷達成像.

林 赟： 女，1983年生，助理研究員，研究方向為圓跡SAR成像處理.

洪 文： 女，1964年生，研究員，博士生導師，研究方向為SAR成像、極化SAR成像處理.

An Approach of the Outlines Extraction of Building Footprints from the Circular SAR Data

Liu Yan①②Tai Wei-xian①Lin Yun①Hong Wen①

①(National Key Laboratory of Science and Technology on Microwave Imaging, Institute of Electronics, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100190, China)

②(Air Force Equipment Research Institute, Beijing 100085, China)

Take the advantage of all-directional observation of circular SAR, an approach of the outlines extraction of building footprints from the circular SAR data is presented, while the approach can also be used for estimating the ground altitude around the building. The proposed approach is as follows: firstly, the rough altitude of the ground around the building is estimated by radargrammetric Digital Elevation Model (DEM) extraction, secondly, image planes are set in certain range where the estimated altitude is in the middle, and circular SAR image of the building is obtained on each image plane. Finally, one image is selected where a closed polygon frame is formed by the double bounce scattering bright lines from the building, and the outlines of building footprints are extracted from the image, while the altitude corresponding to the imaging plane is defined as the altitude of the ground around the target building. The proposed method is validated by the circular SAR data processing by the experimental SAR airborne system at P bands.

Circular SAR; Outlines of building; Information extraction; Double bounce scattering

TN957.52

： A

：1009-5896(2015)04-0946-07

10.11999/JEIT140717

2014-05-27收到，2014-08-25改回

國家自然科學基金青年基金(61201404)和國家自然科學基金面上項目(61372186)資助課題

*通信作者：劉燕 liuyan_1028@163.com