专利名称：基于sar图像和dem数据的图像配准方法
技术领域：
本发明属于图像处理技术领域，涉及图像配准，特别是ー种地面目标定位和配准方法，可用于SAR图像中的地面目标定位和SAR影像的几何校正处理过程的预处理环节。
背景技术：
合成孔径雷达SAR技术以其高分辨率、全天候、全天时的工作能力以及对目标的识别特性，在军事、地形测绘、海洋监测等方面发挥着日益重要的作用。图像配准是将来自同一区域、在相同时间或不同时间、不同传感器或不同视点所获取的遥感数字图像在空间上进行对准。利用SAR图像和数字高程模型DEM数据库的图像配准，可以对图像的像素进行精确的地理定位，SAR图像和DEM数据的图像配准过程就是对SAR图像中目标进行定位的过程。在对SAR图像中目标进行定位吋，目前有3种定位方法基于多项式模型的定位方法、基于共线方程模型的定位方法和基于距离-多普勒RD原理的定位方法。一.基于多项式模型的定位方法。这种方法是通过构建多项式模型对目标进行定位，多项式模型用一组多项式对输入空间和输出空间的变换进行简单的函数逼近，是ー种基于平面的变换。通过在地形图上和卫星遥感影像上选取參考点并读取其地理坐标和影像坐标，用最小二乗法建立两者的多项式变换关系，然后将图像坐标系中的象素以此关系转换到地图坐标系中从而实现对地定位。多项式模型定位方法不依赖于卫星传感器成像系统本身，它要求选择參考点，以定出一系列多项式系数，因此与卫星轨道、传感器姿态等參数全然无关。该方法操作简单且原理清晰，但在实际应用上具有明显的局限性，特别是在宽阔的洋面上，或是在一望无际的沙漠里，或是在有大片浓云覆盖的地区，很难找到用于图像定位的可靠的參考点，因此也就很难谈得上有多少定位精确度。ニ.基于共线方程模型的定位方法。这种方法是通过构建共线方程模型进行目标定位，共线方程模型的基本思想是将侧视SAR图像看成是ー个中心投影遥感器获取的等效图像，然后借用光学遥感的中心投影方式进行校正，从而把SAR的距离投影和侧视几何成像转化为中心投影的透视关系。该方法是建立在影像坐标和地面坐标严格变换关系的基础上的，是对成像空间几何形态的直接描述，因而，从理论上讲比多项式方法更严密些。对于诸如Landsat、SPOT等卫星的TM光学成像机理而言，共线方程模型无疑在理论上很好地反映了中心投影的透视几何关系。但是对于SAR成像而言，虽然也可以将距离投影转换为中心投影，仿照摄影測量中惯用的共线方程来表达，但共线方程只是ー个虚构的中心投影构像模型，并不能真实地反映出SAR距离投影的几何形态，即位于传感器所发出之探測波的同一波前球面上的所有地物点将成像于同一点。因此SAR不适用共线方程的概念。三.基于距离-多普勒RD原理的定位方法。这种方法是1982年首先由Curlander等人提出的，此方法利用地球物理模型方程、SAR多普勒方程、SAR斜距方程对图像像素进行定位，并于1989年完成了 SAR图像自动校正地理编码后处理系统。该系统可以对SAR图像进行精确定位，精度可以达到±200m。距离-多普勒RD原理主要是根据合成孔径雷达SAR的成像原理，这样点目标的空间定位由两方面来決定ー是根据目标回波时间的长短来确定点目标到雷达的距离，ニ是根据目标回波的多普勒特性。如图I所示，在SAR的照射区域内，分布着等时延的同心圆束和等多普勒频移的双曲线束，图中S是卫星位置，D是星下点，P是地面目标点，0是地球中心。点目标必定在等时延的同心圆束和ー个等多普勒曲面的交线上，如果预先知道点目标所在的约束平面，如地表面，则像点的空间位置可以唯一确定。根据距离向上回波信号的时延和方位向上的多普勒频移这两个信息来确定点目标位置的方法，就是距离-多普勒RD定位方法。根据RD原理，列出RD方程组如下I)多普勒频率方程
权利要求
1.一种基于SAR图像和DEM数据的图像配准方法，包括如下步骤 (1)查找SAR图像的所带头文件，得到地面目标点所在区域的平均高程值，作为高程值h的初始值； (2)将初始值h分别代入由距离-多普勒RD原理确定的斜距方程、多普勒频率方程及地球模型方程中，将这3个方程联立，用最速下降法求解出地面目标点的位置矢量Rt= (xt, yt, zt),其中，xt> yt、zt分别是球心坐标系中地面目标点的X轴坐标、Y轴坐标、Z轴坐标； (3)将计算得到的位置矢量Rt=(xt，yt,zt)转换为大地坐标系中对应的纬度B、经度L和高程值h'； (4)根据纬度B和经度L查找数字高程模型DEM数据库中对应的高程值h"； (5)将数字高程模型DEM数据库中对应的高程值h"与计算得到的高程值h'做差并求绝对值，再与所设定的阈值e=0. 3作比较，如果该绝对值大于阈值e，则令h=h"，返回步骤(2)，如果该绝对值小于等于阈值e，则停止迭代，计算得到的高程值h'就是地面目标点的高程值，所对应的纬度B和经度L就是地面目标点的经纬度； (6)对所得地面目标点的纬度B和经度L进行线性修正，得到修正后的纬度B'和经度じ，以消除系统误差ガ=ぶ一0.001*1-—こ一;j/こ +0.002*1 /.—ニ I/- ， Z, = Z + 0.001*(/-l)/r+0.001*lf — ノ.)/エ+0.0065*[こ-|/-l| J/-, 其中，r是SAR图像的总行数，C是SAR图像的总列数，i是地面目标点所在行号，j是地面目标点所在列号； (7)根据修正后的经度和纬度，得到地面目标点在大地坐标系中的位置。
2.根据权利要求I所述的基于SAR图像和DEM数据的图像配准方法，其中步骤(2)所述的用最速下降法解方程组，按如下步骤进行 2a)确定非线性方程组为 fi=R/ =I Rs-Rt I = [ (Rs-Rt) (Rs-Rt)]1/2， Z=_l|V.R = -R) 其中，も、f2分别是由RD原理确定的斜距方程和多普勒频率方程，f3是地球模型方程，R'是斜距，Rs、Rt分别是卫星平台和地面目标点的位置矢量，入是雷达波长，V是速度矢量，R是位置矢量，vs、vt分别是卫星平台和地面目标点的速度矢量，vt= 6XRt，是地球自转角速度，Re是平均赤道半径，Rp是极轴半径且Rp= [(1-f) (Re+h)]2，平坦度因f=l/298. 255，h是SAR图像中地面目标点所在区域的平均高程值； 2b)给定ー组值( , y0, Ztl)，作为步骤2a)中非线性方程组解的初始值，分别得到f\、f2和f3的值，将所得值代入目标函数F ( , y0, z0)，计算目标函数值3 F — ，ァ0，み)=〉:Z 5其中，F是目标函数值； 2c)若目标函数值F〈e，则( %, Ztl)T为非线性方程组的ー组实根，停止计算，否则继续执行下面的计算步骤，其中，e是设定的阈值，其值为0.3; 2d)计算目标函数F (Xci, y0, z0)在点(Xci, y0, z0)处的偏导数
3.根据权利要求I所述的基于SAR图像和DEM数据的图像配准方法，其中步骤(3)所述的坐标系转换，按如下步骤进行 3a)将大地坐标系中的BLh'转换到球心坐标系中的xtytzt
全文摘要
本发明公开了一种基于SAR图像和DEM数据的图像配准方法，主要解决现有技术对SAR图像中地面目标点的定位精度不高和在实际工程中实现难的问题。其实现过程为根据距离-多普勒RD原理及地球模型方程，用最速下降法求解出地面目标点在球心坐标下的经度L，纬度B和高程值h′，并将其值转换到大地坐标系；查找数字高程模型DEM数据库中与B、L对应的高程值h″，将|h′-h″|与设定的阈值ε比较，若|h′-h″|>ε，则令h=h″，返回重新解方程组，若|h′-h″|≤ε，停止迭代，则h′就是地面目标点的高程值，所对应的纬度B和经度L为地面目标点的经纬度；对经纬度进行线性修正消除系统误差，得到最终的地面目标点定位结果。本发明具有运算量小、定位精度高的优点，可用于实际工程中对SAR图像中地面目标点的定位。
文档编号G01S7/02GK102654576SQ201210151299
公开日2012年9月5日 申请日期2012年5月16日 优先权日2012年5月16日
发明者于昕, 何焱, 吴建设, 尚荣华, 朱建益, 李阳阳, 焦李成, 白朝晖, 赵建 申请人:西安电子科技大学