以下文章来源于电子与信息学报 ，作者胡玉新等
中国科学院空天信息创新研究院胡玉新研究员团队在《电子与信息学报》发表最新文章：《面向目标结构信息保持的SAR真正射遥感影像生成方法》。
文章提出一种面向目标结构信息保持的SAR真正射影像(TDOM)制作方法，经实验结果表明，相比于传统SAR正射影像，所提方法能够更好地保持目标结构信息，有效提升处理后SAR影像的目标识别和判读能力。
原文：
胡玉新, 王峰, 焦念刚, 向俞明, 刘方坚. 面向目标结构信息保持的SAR真正射遥感影像生成方法[J]. 电子与信息学报.预出版.
doi: 10.11999/JEIT221341
1 引言
SAR遥感影像的应用大多基于正射影像进行，在目标识别和判读应用中，目标结构信息具有十分重要的意义。现有SAR遥感影像正射校正基于物方-像方采样进行，但SAR叠掩现象引起的几何畸变会干扰目标固有结构信息的提取。中科院空天院空间信息处理与应用系统技术重点实验室胡玉新研究团队提出一种面向目标结构信息保持的SAR真正射影像生成方法，可以更好地保持目标结构信息，提升目标识别和判读能力。
2 现有SAR卫星影像正射校正存在问题
数字正射影像(Digital Orthophoto Map, DOM)是绝大多数遥感领域的数据基础，传统的DOM生产过程又叫正射校正，一般只依赖数字高程模型(Digital Elevation Model, DEM)纠正地球表面的地形差，并未包含地表起伏物体的高程差，从而导致传统的DOM在起伏目标区域会存在倾斜或遮挡现象，这对SAR影像的精确应用造成较大干扰。以导弹末端制导为例，为了实现目标级甚至部件级精确打击，需要获得包含目标精确结构的基准影像图。
SAR影像采用直接校正法和间接校正法进行正射校正处理。由于SAR影像成像的特殊性，当目标点顶部到接收机的回波距离小于目标点底部到接收机的距离时，在SAR影像的图像中显示为顶部在前，底部在后的现象，出现该现象的区域通常称为叠掩区域，常规正射处理在叠掩区域会出现“拉丝”现象，如图1所示。
图1 SAR影像正射校正存在的叠掩区域拉丝现象示意图
在亚米级高分辨率观测条件下，目标的空间结构成为SAR影像应用中不可忽略的重要信息，常规SAR正射处理已无法满足高分辨率成像条件下目标级精细化信息提取的应用需求。尤其对于叠掩区域来说，同一个像方点耦合了多个物方目标点的反射波信息，进一步增大了SAR影像与光学影像获取目标特征的差异性，严重限制SAR影像的应用。
3 面向目标结构信息保持的SAR真正射处理方法
为了提升高分辨率SAR影像目标级判读分析能力，本文提出一种可保持目标结构信息的SAR真正射影像生成方法，其主要创新点如下：
(1) 针对SAR影像中存在的起伏目标向近距端倾倒现象，结合SAR影像几何构象关系，提出一种保持目标结构信息的SAR影像真正射处理方法，有效提升SAR影像中目标几何结构的可视化效果；
(2) 提出一种准确提取像方影像中叠掩区域的方法，利用定位参数信息进行像方-物方反投影，通过判断同一像方坐标在物方空间中的投影轨迹与DSM高程面交点数量，精确识别和标注像方的叠掩区域；
(3) 基于叠掩区域同一像方点对应多个物方高程面交点的特性，参照光学下视成像获取地物信息原理提出“视线最短原则”，将雷达波与物方高程面交点的最高处作为唯一物方投影点，从而抑制叠掩现象造成的几何畸变，恢复目标自身结构信息，得到类光学影像目视效果的SAR真正射影像。
图2 面向目标结构信息保持的SAR真正射影像生成方法流程图
本文所提出的面向目标结构信息保持的SAR真正射遥感影像生成方法如图2所示，主要包含4个部分：定位模型修正，叠掩区域识别、叠掩区域映射和多视向叠掩补偿。
(1) 定位模型修正
针对SAR影像与DSM数据间存在定位偏差的问题，基于SAR成像模型，借助DSM数据地形信息生成模拟SAR影像，首先实现模拟SAR影像与真实SAR影像配准，进而修正SAR影像定位模型参数。
(2) 叠掩区域识别
图3 SAR成像原理示意图
如图3所示，当建筑物底部回波距离相较于顶端回波距离更长时(CF段)，在SAR影像中顶部先成像并向近距点方向位移，在图像距离方向产生顶底倒置现象，从而形成叠掩区域(cd段)。对于叠掩区域，来自物方目标C'C段、CF段及FD'段回波都将映射在像方cd段中。因此，叠掩区域内同一像方点(cd段)信号由多个物方点(C'C段、CF段及FD'段回波)回波映射得到，在计算像方-物方映射过程中，会有多个物方点对应于同一像方点；相比之下，未发生叠掩现象的区域，则每个像方点坐标只被一个物方点采样。
利用叠掩区域的上述性质，基于修正后的SAR影像的定位模型参数，在高精度高程数据辅助下对各像方点进行多高程面的物方投影，形成单一像方点对应的多高程面物方投影曲线，通过计算该投影曲线与高精度高程数据交点数量，即可识别SAR影像中像方叠掩区域。
(3) 叠掩区域映射
对于非叠掩区域，直接利用像方-物方的单一映射关系，即可得到物方的空间点所对应的单一像方坐标；对于叠掩区域，由于同一像方坐标会对应多个物方点，因此需要在物方进行“解混”，即将该像方坐标归位于对目标结构信息贡献最大的物方点，从而恢复目标结构信息。
图4 复杂建筑物SAR影像叠掩区域示意图
为了消除叠掩区域存在的目标结构混杂问题，本文提出基于“视线最短原则”的像方-物方单映射解混方法，得到类光学可视化效果的SAR真正射影像。
如图4所示，若沿线段AD方向进行观测，则物方点A, B, C, D在真正射影像中只能看到A点的信息，来自其他物方目标的信号完全被A点遮挡。
针对SAR影像中叠掩区域，为了清晰的表征目标结构特性，我们将叠掩区域的物方可视化位置确定为物方投影曲线与DSM高程面最高交点处；由于遮挡原因，与目标起伏面形成二面角的地面区域包含有效信息较少，可视作类似光学影像中的阴影区域，不进行填充。
受到定位模型拟合精度、高程数据精度以及噪声等因素的影响，直接映射得到的SAR真正射影像会存在零散“空洞”像元，利用中值滤波算法可抑制这些“空洞”的影响，增强图像可视化效果。
(4) 多视向叠掩补偿
在SAR影像成像过程中，高程起伏导致的叠掩(如图3中C’C部分)和遮挡(如图3中DE部分)会引起单视SAR真正射影像存在观测信息缺失问题。为了增加影像信息的完整性，可利用多视向(观测视角和观测方向)影像在不同区域获取信息的互补关系进行补偿。
具体来说，对不同升/降轨、不同侧视方向以及不同视角获取同一地区多幅SAR影像，分别处理得到单视真正射影像，然后利用不同视向数据的有效数据区域填补无效数据区域，从而得到缺失信息补偿的SAR多视向真正射影像。
4 实验结果
实验区选取为包含多种典型目标的美国奥马哈地区，DSM数据采用激光雷达点云数据采样获得，平面采样间隔为0.5 m，高程精度为0.1 m；SAR影像包含高分三号聚束模式升轨和降轨影像各1景，标称分辨率为1 m，SAR数据详细信息如下表1所示。
表1 SAR影像详情表
基于本文所提出的SAR真正射影像生成方法，分别对厂房建筑目标区域、油罐目标区域、体育场目标区域以及摩天大楼目标区域的处理效果进行展示和分析。
(1) 厂房建筑目标区域实验
图5 厂房建筑区域SAR影像传统正射结果与真正射结果对比
图5展示了以厂房为代表的规则建筑物的SAR真正射影像效果。传统SAR正射影像制作方法生成的正射影像图如图5(a)、(b)所示，该影像中建筑物边缘部分与地面相接处依然存在信号混杂，边缘不清晰，建筑物结构无法准确识别。相比之下，真正射处理结果如图5(c)和图5(d)所示，真正射处理将墙面与地面形成的二面角区域的雷达反射波解混到建筑物顶部结构中，有效抑制地面反射波对目标结构的影响，能够清晰地分辨建筑物的俯视结构信息。对于单视向的SAR影像来说，在进行真正射处理过程中，由于高层建筑物对于低层建筑物会产生类似光学的遮挡效应，因此在单景真正射SAR影像中存在部分黑色阴影区域，一定程度上影响真正射SAR影像的视觉效果。图5(e)展示了厂房建筑物采用升/降轨影像进行双视向补偿后的SAR真正射影像，双视向补偿处理能够部分补偿单一视向真正射影像中缺失信息，得到更为完整的目标结构信息。通过上述处理，SAR真正射影像达到了与图5(f)所示的光学影像类似的可视化效果，有利于目标信息的识别和判读。
(2) 油罐目标区域处理效果
图6 油罐区域SAR影像传统正射结果与真正射结果对比
图6展示了以油罐体为代表的圆柱形目标结构的SAR真正射影像与传统正射影像之间的对比。观察图6(a)和(b)的结果可以看出，由于叠掩现象的存在，经传统正射校正处理之后，圆柱形罐体结构在雷达波照射方向被拉长，破坏了罐体固有的结构信息；相比较之下，经过本文提出方法所生成的单视向真正射影像(如图6(c)和图6(d)所示)能够清晰地区分油罐本体结构与地面区域，使得经过校正的SAR真正射图像中罐体目标仍然呈现圆柱形结构；双视向补偿真正射影像(图6(e)所示)进一步抑制了信息缺失问题，与图6(f)光学影像相比，具有极高的相似性。
(3) 体育场目标区域处理效果
图7 体育场区域SAR影像传统正射结果与真正射结果
图7展示了以体育场为代表的复杂建筑SAR真正射影像生成对比结果。从图7(a)、(b)展示的传统SAR正射影像中可以看出，对于非规则地物目标，叠掩现象的存在会严重干扰目标结构信息的获取，导致难以精细分辨目标结构。经过本文所提方法得到真正射影像(如图7(c)和(d)所示)能够更好地反映目标结构特征，对于复杂地物具有较好的结构信息恢复能力。双视向补偿影像(如图7(e))可以进一步恢复目标结构信息的完整性，达到与图7(f)光学正射影像类似的呈现效果。
(4) 摩天大楼目标区域处理效果
图8 摩天大楼区域SAR影像传统正射结果与真正射结果
图8展示了以摩天大楼为代表的剧烈起伏目标SAR真正射影像生成对比结果。摩天大楼局部高差大且结构复杂，图8(a)和(b)所示SAR正射影像中存在明显的叠掩现象，无法准确提取目标结构信息。与光学正射影像(如图8(f))相比，经过本文方法得到SAR真正射影像(如图8(c)和(d))，能够更好地反映目标结构特征。经双视向信息补偿后影像如图8(e)所示，目标结构进一步完善，但仍有部分缺失信息区域（图示中全黑色部分)。这是由于所采用两视向SAR影像获取信息有限，无法完全补偿起伏剧烈复杂建筑物所带来的信息缺失。对于该问题，采用多视向补偿的方法可以更加有效地获取目标结构信息。
5 总结
针对传统的SAR影像正射校正结果存在叠掩干扰以及结构边缘模糊等问题，本文提出了一种面向目标结构信息保持的真正射SAR遥感影像生成方法。从SAR成像几何原理出发，针对性解决高精度DSM与SAR影像对准、像方叠掩区域提取以及叠掩区域物方结构恢复等问题。与传统SAR正射影像相比，基于该方法生成的SAR 真正射影像能够更加清晰的恢复目标结构信息，生成符合光学视觉特性的真正射SAR影像，有利于SAR目标的准确判读和解译。
❖ 作者团队
胡玉新研究员团队
中国科学院空天信息创新研究院第八研究室
中国科学院空间信息处理与应用系统技术重点实验室
胡玉新研究员，现任中国科学院空天信息创新研究院副院长，长期从事卫星地面系统关键技术研究与研制建设工作，主持完成了遥感三十三号卫星星座、高分四号、十一号、十二号、十三号等卫星地面应用系统等国家重大型号项目10余项。曾获国家科技进步一等奖、中国科学院王宽诚卢嘉锡青年人才奖、中国科学院杰出成就奖等多项奖励，相关成果发表论文50多篇。“十三五”以来，先后被聘为态势感知与运行控制技术、卫星地面应用系统技术等领域专家。
胡玉新研究员SAR精细化成像和处理团队
中国科学院空间信息处理与应用系统技术重点实验室，是中科院在地理空间信息技术方向唯一的院级重点实验室，国内规模最大的遥感卫星地面系统建设团队，航天遥感系列卫星地面系统建设的总体研制单位，国家高分专项（军）地面系统建设的总体依托单位、国家高分专项（民）航空系统的总体研制单位。
团队长期研究SAR精细化成像和处理技术，团队突破超高分辨星载SAR成像算法、超大宽幅星载SAR高精度辐射/几何校正技术、星载SAR极化不平衡估计与补偿技术、稀疏微波成像与SAR图像质量提升技术、多角度SAR成像与信息提取技术、SAR高精度定位模型技术、SAR影像联合无控定位技术、多源SAR影像自动匹配技术、SAR影像叠掩抑制技术以及多源SAR影像镶嵌处理技术等系列关键技术，成果应用于军、民、商17型30余颗国产SAR卫星地面处理与应用系统研制建设，出版专著10余部，近五年发表相关高水平学术论文300余篇，包括多篇遥感领域顶级期刊，包括：IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing, ISPRS Journal of Photogrammetry and Remote Sensing等。
转自：“测绘学术资讯”微信公众号
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