基于圆周SAR确定建筑物地平面高度的方法

摘要

本发明提供了一种基于圆周SAR确定建筑物地平面高度的方法。该方法包括：步骤A，粗估计出目标建筑物地平面高度H

说明书

技术领域

本发明涉及一种基于圆周SAR的建筑物地平面高度确定方法及轮廓 成像方法。其中，建筑物地平面指的是建筑物四周的地面。而建筑物地平 面高度指的是建筑物四周地面的海波高度。

背景技术

合成孔径雷达(SAR)在遥感领域得到了广泛的应用。在SAR图像 中，由于雷达传感器的斜距成像特点，使得典型的城市结构受到叠掩、二 次反射和阴影的影响。二次反射效应在建筑物SAR图像中是一个重要的 特点，这类二次反射表明存在一个建筑物，并且二次反射效应的位置正对 应该建筑物的一侧墙体，二次反射效应可以作为通过SAR(1NSAR)信号 进行建筑物检测和重建的一个重要特征。然而，二次反射效应取决于建筑 物的高度(建筑越高二次反射越强，反之亦然)和方位角(建筑墙面和 传感器方位向之间的夹角)。如果建筑墙面与传感器飞行方向平行，或夹 角小于10度的近平行，则后向散射极强(二次散射效应在建筑物朝向传 感器一侧的墙体几乎平行于SAR方位向的时候有非常强的反射信号，此 外，在方位角较小的范围内二次散射强度迅速衰减，而在方位角比较大的 地方衰减缓)，对于传统的采用直线SAR建筑物成像方法而言，如果传感 器飞行方向与建筑墙面之间的夹角较大，那么二次散射效应不是很明显。 由于SAR图像上的建筑物方位角都是不同的，因此，采用直线SAR进行 基于二次反射效应的建筑物检测技术是具有局限性的。

在圆周SAR情况下，所有的建筑物可以被360度的观测(被遮挡的 建筑物除外)，因此建筑物外侧的每个墙面都可以产生较强的二次散射效 应，这对建筑物轮廓信息的获取是十分有利的。使用圆周SAR对建筑物 进行成像，若将成像平面设在其建筑底部，二次散射效应形成的亮线将形 成一个闭合的多边形线框，从而可以准确的得到建筑物的位置和面积信息。 然而，在实际圆周SAR成像过程中，在不借助辅助高程信息(如通过INSAR 或是Lidar得到DEM、DSM)情况下，由于并不清楚建筑物地平面的准确 高度，有可能将成像平面设在在其它高度上，从而二面角效应产生的亮线 会发生偏移其真实位置。对于建筑物外侧的墙面而言，其与地面形成的二 次散射的方向性很强，所以当成像高度与建筑底部高度不同时，二次散射 产生的亮线的位置会沿与墙面垂直的方向发生移动。另外，例如通过 INSAR或是Lidar得到DEM、DSM，LIDAR获得的高程数据精度较高， 但离散的高程点不利于精确定位建筑物的边，并且获取代价较高；INSAR 能够获取连续的地面高程信息，但是对于建筑物来说，SAR图像自身的一 些技术难题如阴影和叠掩问题不易解决，从而影响了INSAR测量。

在实现本发明的过程中，申请人发现现有技术确定建筑物地平面高度 的方法需要通过辅助手段例如干涉SAR(INSAR)或机载Lidar(Light  Detection And Ranging)的方式获得精确的建筑区域的高程信息，同时基 于圆周SAR数据的立体测量方法测高精度大于2m，精度也有限。

发明内容

(一)要解决的技术问题

鉴于上述技术问题，本发明提供了一种基于圆周SAR确定建筑物地 平面高度的方法。

(二)技术方案

根据本发明的一个方面，提供了一种基于圆周SAR确定建筑物地平 面高度的方法。该方法包括：步骤A，粗估计出目标建筑物地平面高度 H₀；步骤B，选择以H₀为中心的成像范围，在该成像范围中划分多个高 度层，针对各个高度层对建筑物分别进行圆周SAR成像；步骤C，在多 幅高度层圆周SAR成像后图像中，选择二次散射亮线构成封闭区域且不 相交的一副图像；以及步骤D，将二次散射亮线构成封闭区域且不相交的 图像对应的高度层的高度确定为目标建筑物的底部高度。

(三)有益效果

从上述技术方案可以看出，本发明基于圆周SAR确定建筑物地平面 高度的方法利用圆周SAR对目标的全方位观测的优势，无需辅助手段， 仅从圆周SAR图像中通过判断建筑物的各个外墙与地面形成的二次散射 亮线是否形成闭合的多边形，就可以得出建筑底部地面的高程信息。

附图说明

图1示出了二次散射亮线在圆周SAR图像中的位置与成像平面高度 之间的关系；

图2a-2c分别示出了成像平面与建筑物地平面一致、成像平面低于建 筑物地平面、成像平面高于建筑物地平面时图像中反映建筑物二维轮廓的 亮线的位置；

图3为根据本发明实施例基于圆周SAR确定建筑物地平面高度的方 法的流程图；

图4为图3所示方法步骤C中确定第一标记点连通区域的示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实 施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。需要说明的是，在附图或 说明书描述中，相似或相同的部分都使用相同的图号。附图中未绘示或描 述的实现方式，为所属技术领域中普通技术人员所知的形式。另外，虽然 本文可提供包含特定值的参数的示范，但应了解，参数无需确切等于相应 的值，而是可在可接受的误差容限或设计约束内近似于相应的值。实施例 中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，仅 是参考附图的方向。因此，使用的方向用语是用来说明并非用来限制本发 明的保护范围。

针对现有技术中基于直线SAR的成像技术的局限性，本发明提出可 以使用圆周SAR成像技术来对建筑物进行成像。在圆周SAR情况下，所 有的建筑物可以被360度的观测(被遮挡的建筑物除外)，因此建筑物的 每个墙面都可以产生较强的二次散射效应，这对建筑物检测和重建是十分 有利的。使用圆周SAR对建筑物进行成像，若将成像平面设在其建筑底 部，二次散射效应形成的亮线将形成一个闭合的图形(例如矩形)，从而 可以准确地得到建筑物的位置和面积信息。然而，在实际圆周SAR成像 过程中，并不清楚建筑物地平面的准确高度，有可能将成像平面设在其它 高度上，从而二面角效应产生的亮线会发生偏移其真实位置。这里需要说 明的是如果散射体的散射特性是各项同性(如轮拨球)，那么如果成像平 面高度不对，那么有可能图像会在各个方向上都有旁瓣。对于建筑墙面而 言，其二次散射效应的方向性很强，所以当成像高度与建筑物地平面高度 不同时，二面角效应产生的亮线的位置仅仅会沿与墙面垂直的方向发生移 动。

图1示出了二次散射亮线在圆周SAR图像中的位置与成像平面高度 之间的关系。在图1中，O表示雷达探测器的位置(零多普勒位置)，0 为雷达探测器的入射角，H为雷达探测器距离地面的垂直高度，A点为建 筑物的墙面与地面的夹角，B点为在建筑物底面的成像平面低于实际平面 时检测到的建筑物的墙面与地面的夹角，C点为在建筑物底面的成像平面 高于实际平面时检测到的建筑物的墙面与地面的夹角，Δh₁是成像平面低 于实际平面时成像平面与实际平面之间的高度差，Δh₂是成像平面高于实 际平面时成像平面与实际平面之间的高度差，X是O点与建筑物墙面之间 的水平距离，ΔX₁是A点与B点之间的水平距离，ΔX₂是A点与C点之 间的水平距离。

参考图1，由于|OA|＝|OB|＝|OC|，可以得到

(H-Δh)²+(X+ΔX)²＝H²+X²           (1)

$\left(\begin{array}{c}\mathrm{\Delta X}=\sqrt{H^2+X^2-{(H-\mathrm{\Delta h})}^2}-X\\ =\sqrt{X^2+2\mathrm{H\Delta h}-{\mathrm{\Delta h}}^2}-X\\ \approx \frac{H}{X}\mathrm{\Delta h}\end{array}\right)---\left(2\right)$

当成像平面高于实际平面高度时Δh＞0(即Δh₂)，ΔX＞0(即，ΔX₂)， 即亮线就沿墙面法线方向朝内平移，平移量与Δh成正比；当成像平面低于 实际平面高度时Δh＜0(即Δh₁)，ΔX＜0(ΔX₁)，即亮线就沿墙面法线方 向朝外平移。如图2a所示，如果将成像平面设在建筑物地平面，由于雷 达探测器是360度观测，由二次反射产生的亮线是闭合的，可以根据亮线 构成的矩形线框准确的得到建筑物的二维位置和轮廓信息(这里假设建筑 物沿高度的切面是矩形)。当成像平面低于建筑物地平面时，亮线就会朝 沿着墙面法线法向外平移，如图2b所示，亮线朝四周扩散，不再闭合。 当成像平面高于建筑物地平面时，亮线就沿墙面法线方向朝内平移，各个 亮线会发生交叉，如图2c所示。

根据圆周SAR建筑墙面的二次反射特性，在实际成像过程中，在建 筑的数字高程模型(DEM)未知的情况下，可以根据建筑墙面二次反射亮 线是否闭合来判断成像高度是否与底面一致，同时可以确定建筑物的具体 位置和占地面积。二次反射亮线的幅度值在建筑物散射特征中最为显著， 基于这一特性，本发明的实施方式提供了一种圆周SAR建筑物成像方法。

图3为根据本发明实施例基于圆周SAR确定建筑物地平面高度的方 法的流程图。如图3所示，根据本发明的一个实施方式，提供了一种基于 圆周合成孔径雷达(SAR)的建筑物地平面高度确定方法，该方法包括：

步骤A，粗估计出目标建筑物地平面高度H₀；

本步骤中，粗估计出目标建筑物地平面高度H₀可以采用本领域公知 的方法来初步估计目标建筑物的底部高度，例如：利用圆迹SAR的多角 度观测几何采用立体测量的方法粗估计目标建筑物的底部高度，即：将360° 雷达平台轨迹圆环划分为多段圆弧，对每段圆弧分割为多个子孔径，利用 子孔径图像间的相似性，通过相关系数最大法，在其他子孔径图像上寻找 与中心图像匹配的像素点，得到二者的位置偏移，进而提取地面场景的数 字高程DEM，即目标建筑物地平面高度H₀。该方法的具体步骤详见以下 参考文献1：Stephan Palm，Hélène M.Oriot，and Hubert M.Cantalloube. Radargrammetric DEM Extraction Over Urban AreaUsing Circular SAR  Imagery.[D].IEEE TRANSACTIONS ON GEOSCIENCE AND REMOTE  SENSING，vol.50，no.11，pp：935-952，NOV.2012。为使本申请重点突出以及 简要，对公知的方法不再赘述。

步骤B，选择以所述H₀为中心的成像范围，在该成像范围中划分多 个高度层，针对各个高度层对建筑物进行圆周SAR成像；

本步骤中，成像范围的选择可以基于不同因素，例如，粗估计出的目 标建筑物地平面高度H₀的准确度。例如，可以选择以所述H₀为中心高度 为粗估计H₀采用的立体测量的精度的4至8倍的范围作为成像范围。其 中，所述立体测量精度与用来提取DEM的子孔径图像之间的方位角度差 以及子孔径图像之间配准精度有关。不同波段其立体测量精度是不同的， 在X波段，圆周SAR立体测量精度可以达到1m-2m；在P波段，可以达 到3m-5m。

在选择的成像范围中可以将高度按照一定间隔进行划分，从而得到多 个高度层。相邻两个高度层之间的间隔Δh可以满足其 中，H表示雷达探测器与地面之间的高度，X表示雷达探测器在地面的投 影点与所述目标建筑物之间的水平距离，C表示光速，B表示雷达探测器 的发射带宽。

步骤C，在多幅高度层圆周SAR成像后图像中，选择二次散射亮线 构成封闭区域且不相交的一副图像；

这里，判断图像中二次散射亮线是否构成封闭区域且不相交为公知方 法。此外，此处给出一较为典型的方法，该方法包括：

子步骤C1，获取每个高度层的圆周SAR成像后的图像的权值和，其 中，获取一图像权值和的步骤包括：

子分步骤C1a，将图像中能量幅值高于预定阈值的像素定义为第一标 记点，将图像中能量幅值低于所述预定阈值的像素定义为第二标记点；

本子步骤中，预定阈值的确定可以采用多种方法，例如可以基于经验 值或典型值。例如可以采用横恒虚警CFAR检测来确定预定阈值。CFAR 方法是检测SAR图像上强散射目标的一种常用方法，在SAR图像人造目 标检测方面得到了广泛的应用。CFAR检测方法是一种像素级的目标检测 方法，其前提是目标像素灰度高于背景且相对于背景具有较强的对比度， 它通过单个像素灰度和某一门限的比较达到检测目标像素的目的。在给定 虚警率的情况下，预定阈值由杂波的统计特性决定。

其中，CFAR方法的一般过程为：根据统计检测理论，在给定的虚警 率条件下，首先根据目标所处周围背景杂波的统计特性自适应地求取检测 阈值，然后将待检测像素和自适应阈值进行比较，判断其是否为目标点。 通过参考窗口的滑动，实现对所有像素的自适应检测。目标周围背景杂波 的统计特性通常由目标像素周围参考窗口内的像素确定。

子分步骤C1b，在图像中选择至少一个感兴趣区域，其中该感兴趣区 域包含一定数量的所述第一标记点；

如果各个图像感兴趣区域个数不同(或是第二标记点的数目不同)， 这样的权值求和仍然是有意义的。这是由于，我们是基于一定的规则给感 兴趣区域中的第二标记点赋予权值的，第二标记点数目的多少并不能确定 权值的大小。

感兴趣区域的选择方法可以采用现有技术中已有的方法，例如标记提 取方法，其具体内容详见参考文件2(高分辨率SAR图像建筑物提取方法 研究[D]，湖南，国防科技大学研究生院，2009)。本领域技术人员可以理 解该阈值确定方法是示例性的，并不是限制性的。

在本发明的一个实施方式中，还提供了另一种感兴趣区域的选择方法， 其中，在图像中选择感兴趣区域可以包括：

具体来说，在特定实施中，可以使用像素窗口对图像进行扫描。像素 窗口的预定义大小可以为P×Q，P选自范围为2-4的整数值，Q选自范围 为2-4的整数值。例如像素窗口的大小可以例如是2×2、2×3、2×4、3 ×2、3×3、3×4、4×2、4×3、4×4。假设像素窗口扫描到某个区域(该 区域大小等于像素窗口大小，可以称为像素窗口区域)，如果在该区域内 有第一标记点，则该像素窗口分别沿着水平方向、竖直方向以及对角线方 向移动到与该区域相邻的像素窗口区域(该像素窗口区域与相邻的窗口区 域可以是边相邻或角相邻且不重叠)，如果在相邻的像素窗口区域存在第 一标记点，则在该相邻的像素窗口区域的基础上像素窗口移动到与该相邻 的像素窗口区域相邻的下一个像素窗口区域；如果在相邻的像素窗口区域 没有第一标记点，则不进行上述的移动处理，像素窗口移动到与该像素窗 口区域相邻的另一个像素窗口区域(例如，像素窗口区域可以有水平方向 的两个相邻像素窗口区域，竖直方向的两个相邻像素窗口区域，以及对角 线方向的四个相邻像素窗口区域)并重复上述操作。

在按照上述过程遍历了图像的像素后，可以得到至少一个第一标记点 连通区域，如图4中白色区域所示。从这些连通区域中选择像素个数大于 N个(N的取值范围可以为10-20)的连通区域。然后用面积最小的多边 形分别围住这些连通区域，将所围住的区域确定为感兴趣区域。

子分步骤C1c，基于规则给所述感兴趣区域中的第二标记点赋予权值， 其中该规则包括如果一个第二标记点四周被所述第一标记点包围，则给该 第二标记点赋予较高权值；如果一个第二标记点被所述第一标记点部分包 围，则给该第二标记点赋予较低权值；如果一个第二标记点只有一侧有所 述第一标记点，则给该第二标记点赋予零权值；

在本实施例中，按照以下公式给第二标记点取权值：

公式3中，T(x_i,y_j)表示S_m区域中的(x_i,y_j)位置处的第二标记点的权值， 通常选a₁＝2，a₂＝1。

子分步骤C1d，针对每个高度层的图像中至少一个感兴趣区域中的第 二标记点的权值进行求和，权值和F(h_n)如下式所示：

$F\left(h_n\right)=\underset{\underset{m=1,...,M}{x_i,y_j\in S_m,}}{\Sigma }T(x_i,y_j)---\left(4\right)$

其中：S_m表示第m个第一标记点连通区域，M表示第n层图像第一 标记点连通区域的个数。

子步骤C2，选择权值和最大的图像判断为二次散射亮线构成封闭区 域且不相交的图像。

需要说明的是，本步骤还可以用线段检测的方法来在多幅高度层圆周 SAR成像后图像中，选择二次散射亮线构成封闭区域且不相交的一副图像， 其具体内容详见参考文献3(F.Tupin，H.Maitre，J.-F.Mangin，J.-M.Nicolas， and E.Pechersky,“Detection of linear features in SAR images：Application to  road network extraction,”IEEE TRANSACTIONS ON GEO SCIENCE AND  REMOTE SENSING,，vol.36，no.2，pp.434-453,Mar.1998.)。

步骤D，将判断出的二次散射亮线构成封闭区域且不相交的图像对应 的高度层的高度确定为所述目标建筑物的底部高度，即如下式所示：

${\hat{h}}_n=\arg \left\{\underset{h_n}{\max }(F\left(h_n\right),n=\mathrm{1,2},...,N)\right\}---\left(5\right)$

其中，表示最终确定的建筑物地平面的高度，h_n表示第n高度层的 高度，N表示高度层数。

至此，已经结合附图对本实施例进行了详细描述。依据以上描述，本 领域技术人员应当对本发明基于圆周SAR确定建筑物地平面高度的方法 有了清楚的认识。

此外，上述对各元件和方法的定义并不仅限于实施方式中提到的各种 具体结构、形状或方式，本领域的普通技术人员可对其进行简单地熟知地 替换。

综上所述，本发明利用圆周SAR对目标的全方位观测的优势，无需 辅助手段，仅从圆周SAR图像中通过判断建筑物的各个外墙与地面形成 的二次散射亮线是否形成闭合的多边形，就可以得出建筑底部地面的高程 信息，与现有技术相比具有诸多优点。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行 了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而 已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修 改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。