一种地形高程自适应的降维图像配准方法技术

本发明专利技术公开了一种地形高程自适应的降维图像配准方法，属于信号处理技术领域，适用于干涉合成孔径雷达InSAR图像的配准，其主要思路为：确定主图像和辅图像，然后确定主辅图像间的配准偏移量；根据所述主辅图像间的配准偏移量，建立配准偏移量拟合模型，得到配准偏移量拟合模型中的8个待确定拟合系数；求解配准偏移量拟合模型中的8个待确定拟合系数，进而确定最终配准偏移量拟合模型；根据最终配准偏移量拟合模型，得到辅图像中每个像素点相对于主图像的配准偏移量，然后对辅图像进行重采样，进而得到精确配准的图像。

【技术实现步骤摘要】
一种地形高程自适应的降维图像配准方法
本专利技术属于信号处理
，特别涉及一种地形高程自适应的降维图像配准方法，适用于干涉合成孔径雷达InSAR图像的配准。
技术介绍
干涉合成孔径雷达InSAR是一般SAR功能的延伸和发展，它利用多个接收天线或单个天线多次观测得到的回波数据进行干涉处理；由于InSAR能够增强SAR获取信息的能力，在军事、国民经济的各个领域有广阔的应用前景，因而获得了广泛重视。在星载InSAR高程测量中难以采用单航过方式，原因是航迹与场景的距离比较远，所以在星载InSAR干涉高程测量中目前广泛采用双航过的工作方式，即雷达卫星两次以基本相同的方向，不同的航迹通过同一地区的上空，将两次成像过程中雷达的回波数据和系统参数记录下来进行干涉处理；合成孔径雷达干涉测量地形高程时需要对同一场景获得两幅相干性很高的SAR图像，因此需要进行图像配准的步骤，使配准后的图像中的同一位置的像素对应地面同一小块区域，以保证两幅图像的相干性。配准的精度直接影响到两幅图像的相干性。以一个航过成像(称为主图像)的各像素为基准，将其像素对应的地面样点在另一个航过图像(称为辅图像)中的位置找出来，并将这一位置用偏移量表示，再根据偏移量，对辅图像的像素做位移，使其与主图像中同样位置的像素能对应于地面的同一点。配准处理分为粗配准和精配准；粗配准对辅图像做整体位移，不考虑局部性，精配准要考虑局部性，且要对辅图像进行插值，以达到高配准精度。图像的配准首先要确定一幅图像中的每一个像素在另外一幅图像中的位置，即配准的二维偏移量；在基线较短的情况下，对于一块比较小的平坦的成像场景，只要将一副像进行简单的二维平移就可以将两幅图像对应像素配准；而对于基线较长的或地面起伏剧烈的情况下，不同方位、距离的像素进行配准需要不同的平移量，这使得图像配准过程的复杂度大大增加，不能用简单的图像平移和插值来实现。已有的InSAR图像配准方法主要可分为两大类方法，第一类方法首先利用基于图像数据或图像特征的方法估计控制点处配准偏移量，然后根据二维二元低阶多项式模型计算其他像素处的配准偏移量，该第一类方法没有考虑地形高程对配准偏移量的影响，当基线较长或观测场景内地形复杂度较高时，利用二维二元低阶多项式模型拟合配准偏移量的精度较低，利用控制点处配准偏移量估计多项式系数时，控制点数量和位置分布对系数估计精度的影响较大；第二类方法首先利用几何配准法计算每一像素的初始配准偏移量，然后利用控制点处高精度配准偏移量根据二维二元一阶多项式模型校正初始配准偏移量，从而获取全场景高精度配准偏移量；该第二类方法需要进行逐像素几何配准处理，运算效率较低。
技术实现思路
针对上述现有技术存在的不足，本专利技术的目的在于提出一种地形高程自适应的降维图像配准方法，该种地形高程自适应的降维图像配准方法能够追踪主辅图像间配准偏移量随地形高程的变化，是一种提高配准偏移量拟合精度的地形高程自适应的降维图像配准方法。为达到上述技术目的，本专利技术采如下技术方案予以实现。一种地形高程自适应的降维图像配准方法，包括以下步骤：步骤1，确定主图像和辅图像，然后确定主辅图像间的配准偏移量；步骤2，根据所述主辅图像间的配准偏移量，建立配准偏移量拟合模型，得到配准偏移量拟合模型中的8个待确定拟合系数；步骤3，求解配准偏移量拟合模型中的8个待确定拟合系数，进而确定最终配准偏移量拟合模型；步骤4，根据最终配准偏移量拟合模型，得到辅图像中每个像素点相对于主图像的配准偏移量，然后对辅图像进行重采样，进而得到精确配准的图像。本专利技术与现有的技术相比具有以下优点：第一，本专利技术中考虑了地形高程对配准偏移量的影响，提高了配准偏移量的拟合精度；在实际运用中，星载双航过的方式中会有复杂的情况出现，不仅有效基线长度较长，而且两次飞行的航迹不完全平行，具有一个很小的夹角；因此，长基线、地面起伏剧烈和航迹不平行都是图像配准中经常出现的非理想因素；本专利技术中提出的包含地形高程项的二维三元一阶多项式模型可以有效的解决地形高程对主辅图像配准偏移量的影响，从而提高配准偏移量的拟合精度。第二，本专利技术中无须进行逐个像素点的几何配准处理，提高了运算效率：传统的几何配准法需要计算每一像素的初始配准偏移量，然后利用控制点处高精度配准偏移量根据二维二元一阶多项式模型校正初始配准偏移量，从而获取全场景高精度配准偏移量；而在本专利技术中提出的二维三元一阶多项式模型，只需要通过某一个像素点的配准偏移量计算就可以确定模型中的未知系数，其他像素处可以通过确定好的模型直接进行配准偏移量的步骤，减轻了运算的繁琐。第三，本专利技术中通过降维处理将需要利用控制点处配准偏移量估计的多项式系数减少为两个常数项系数，提高了系数估计的稳健性；以往在利用基于图像数据或图像特征的方法估计控制点处配准偏移量，然后根据二维二元低阶多项式模型计算其他像素处的配准偏移量的方法中，利用控制点处配准偏移量估计多项式系数时，控制点数量和位置分布对系数估计精度的影响较大；在本专利技术中提出的二维三元一阶多项式模型，只需要用以往的方法确定两个常数项系数，其他系数都已经通过计算得出，所以控制点选取带来的影响对本专利技术中提出的模型较小，提高了系数估计的稳健性。附图说明下面结合附图和具体实施方式对本专利技术作进一步详细说明。图1为本专利技术的一种地形高程自适应的降维图像配准方法实现流程图；图2(a)为SAR幅度图；图2(b)为在图2(a)方框所示区域内选择12个特显点以定量评估配准精度示意图；图2(c)为观测场景对应的SRTMDEM示意图；图3为采用本专利技术方法配准后主辅图像间的干涉相位图；图4为二阶多项式方法和本专利技术方法配准误差统计结果图；图5(a)为二阶多项式方法的方位向配准误差示意图；图5(b)为二阶多项式方法的距离向配准误差示意图；图5(c)为本专利技术方法的方位向配准误差示意图；图5(d)为本专利技术方法的距离向配准误差示意图。具体实施方式参照图1，为本专利技术的一种地形高程自适应的降维图像配准方法实现流程图；其中所述地形高程自适应的降维图像配准方法，包括以下步骤：步骤1，确定星载雷达，所述星载雷达的检测区域内存在目标，且所述星载雷达对其检测区域进行两次观测后，得到两幅观测图像；两次观测下得到的两幅观测图像由于时间间隔的影响在距离向和方位向上会有像素偏差。在两幅观测图像中任意选取其中一幅观测图像作为主图像，另外一幅观测图像作为辅图像，主图像和辅图像分别包含H个像素点；H为大于0的正整数。选取主图像中任意一个像素点，记为主图像中像素点，所述主图像中像素点坐标为(am,rm)，由式(1)-(3)计算WGS84坐标系下目标在地表上的三维位置T，T＝(Tx,Ty,Tz)T：R＝|P-T|(1)其中，R表示星载雷达到目标的斜距，t表示方位时间，P表示WGS84坐标系下星载雷达的位置矢量，P＝(Px,Py,Pz)T，Px表示WGS84坐标系下星载雷达在x轴的位置分量，Py表示WGS84坐标系下星载雷达在y轴的位置分量，Pz表示WGS84坐标系下星载雷达在z轴的位置分量，T表示WGS84坐标系下目标在地表上的三维位置，T＝(Tx,Ty,Tz)T，Tx表示WGS84坐标系下目标在地表上x轴的分量，Ty表示WGS84坐标系下目标在地表上y轴的分量，Tz表本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种地形高程自适应的降维图像配准方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1，确定主图像和辅图像，然后确定主辅图像间的配准偏移量；步骤2，根据所述主辅图像间的配准偏移量，建立配准偏移量拟合模型，得到配准偏移量拟合模型中的8个待确定拟合系数；步骤3，求解配准偏移量拟合模型中的8个待确定拟合系数，进而确定最终配准偏移量拟合模型；步骤4，根据最终配准偏移量拟合模型，得到辅图像中每个像素点相对于主图像的配准偏移量，然后对辅图像进行重采样，进而得到精确配准的图像。

【技术特征摘要】
1.一种地形高程自适应的降维图像配准方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1，确定主图像和辅图像，然后确定主辅图像间的配准偏移量；步骤2，根据所述主辅图像间的配准偏移量，建立配准偏移量拟合模型，得到配准偏移量拟合模型中的8个待确定拟合系数；步骤3，求解配准偏移量拟合模型中的8个待确定拟合系数，进而确定最终配准偏移量拟合模型；步骤4，根据最终配准偏移量拟合模型，得到辅图像中每个像素点相对于主图像的配准偏移量，然后对辅图像进行重采样，进而得到精确配准的图像。2.如权利要求1所述的一种地形高程自适应的降维图像配准方法，其特征在于，在步骤1中，所述主图像和辅图像，其确定过程为：确定星载雷达，所述星载雷达的检测区域内存在目标，且所述星载雷达对其检测区域进行两次观测后，得到两幅观测图像；在两幅观测图像中任意选取其中一幅观测图像作为主图像，另外一幅观测图像作为辅图像，主图像和辅图像分别包含H个像素点；H为大于0的正整数；所述主辅图像间的配准偏移量，其确定过程为；选取主图像中任意一个像素点，记为主图像中像素点，所述主图像中像素点坐标为(am,rm)，计算WGS84坐标系下目标在地表上的三维位置T：R＝|P-T|其中，R表示星载雷达到目标的斜距，P表示WGS84坐标系下星载雷达的位置矢量，T＝(Tx,Ty,Tz)T，Tx表示WGS84坐标系下目标在地表上x轴的分量，Ty表示WGS84坐标系下目标在地表上y轴的分量，Tz表示WGS84坐标系下目标在地表上z轴的分量，(·)T表示转置，fd表示多普勒频率，V表示WGS84坐标系下星载雷达的速度矢量，λ表示星载雷达发射信号的波长；h表示目标高程；Re表示地球赤道半径，Rp表示地球极地半径；然后根据WGS84坐标系下目标在地表上的三维位置T，计算得到与主图像中像素点坐标(am,rm)对应的辅图像中像素点坐标(as,rs)，其表达式为：as＝(t-t0)·fp其中，下标m代表主图像，下标s表示辅图像，t0表示辅图像中方位向上第一个像素点对应的方位时间，fp表示脉冲重复频率，R0表示辅图像中距离向第一个像素点对应的星载雷达斜距，fs′表示脉冲采样频率，c表示光速，R表示星载雷达到目标的斜距，t表示方位时间；主图像中像素点坐标(am,rm)与所述辅图像中像素点坐标(as,rs)的差值，为主辅图像间的配准偏移量。3.如权利要求2所述的一种地形高程自适应的降维图像配准方法，其特征在于，在步骤2中，所述配准偏移量拟合模型，具体为：as＝d0+d1am+d2rm+d3hrs＝g0+g1am+g2rm+g3h所述配准偏移量拟合模型的8个待确定拟合系数，分别为第一待确定拟合系数d0、第二待确定拟合系数d1、第三待确定拟合系数d2、第四待确定拟合系数d3、第五待确定拟合系数g0、第六待确定拟合系数g1、第七待确定拟合系数g2和第八待确定拟合系数g3。4.如权利要求3所述的一种地形高程自适应的降维图像配准方法，其特征在于，在步骤3中，所述求解配准偏移量拟合模型中的8个待确定拟合系数，其求解过程为：其中，表示求一阶偏导操作，下标m代表主图像，Am表示主图像对应的星载雷达加速度矢量，tm表示主图像对应的方位时间，Rm表示确定主图像时星载雷达到目标的斜距，Pm表示主图像对应的星载雷达位置矢量，Pm,x表示主图像对应的星载雷达位置矢量在WGS84坐标系中x轴上的分量，Pm,y表示主图像对应的星载雷达位置矢量在WGS84坐标系中y轴上的分量，Pm,z表示主图像对应的星载雷达位置矢量在WGS84坐标系中z...

【专利技术属性】
技术研发人员：索志勇，梁文瑾，张金强，李真芳，
申请(专利权)人：西安电子科技大学，
类型：发明
国别省市：陕西,61