基于GIS和高分辨SAR数据的机场净空建筑物高度提取

第18卷第！期2019年4月北京工业职业技术学院学报
JOURNAL OF BEUIIVG POLYTECHNIC COLLEGE b.2 Vol. 18
Apr. 2019
基于GIS和高分辨SAR数据的机场净空建筑物高度提取
杨盛华 邢绍伟 张农尹洋张月郭欣萌
(天津滨海国际机场，天津300300)
摘要：随着
SAR图像分辨率的进一步提高，建筑物在SAR图像中的特征更加明显，使得基于单幅高分辨
率SAR图像进行建筑物提取和三维重构成为可能。

分析高分辨率SAR图像中建筑物的成像散射特征，多
次反射及阴影效应；阐述基于GIS空间数据进行SAR图像中建筑物定位和估算建筑物的高度的算法。

利用
高分辨率TerraSAR-X数据，估算天津机场净空区某小区建筑物高度，与实际高度数据相比较，发现计算结果
精度较高。

结果表明：该方法是一种可行的建筑物高度提取方法，可为需要大面积建筑物高度的相关应用提
供很好的借鉴方法。

关键词！高分辨
SAR影像；机场净空；建筑物高提取;GIS空间数据;SAR成像散射特征
中图分类号:P237 文献标识码:A文章编号：1671 -6558(2019)02 -117 -05
D O I：10.3969/j.issn. 1671 -6558.2019.02.027
Height Retrieval of Airport Clearance Buildings Based on
GIS and High Resolution SAR Data
Y A N G Shenghua XING Shaowei ZH AN G Nong YIN Y an g ZH AN G Y ue G U O X in m eng
(Tianjin Binhai International Airport，Tianjin 300300,China)
A bstract:With the furtlier improvement of SAR image resolution，the features of buildings in SAR obvious，which makes it possible to extract and 3Dreconstrnct buildings based on a single high resolution SARim-
age.This paper analyses the imaging scattering characteristics，multij^le reflections and shadow in high resolution S AR images.The algorit!im of building location and height estimation in SAR image based on GIS spatial data is described as well.By using high resolution TerraSAR-X data，the building height of a residential dis­
trict in Tianjin airj^ort clearance area was pared witii the ground measured height of the results is comparable.The results showthat this method is a feasible method for building height retrieval，
and can provide a good reference for the application of building height in large area.
K e y words：high resolution S AR image;airj^ort clearance area;building height retrieval;GIS spatial data;SAR ima­
ging scattering features
0引言建一直以来都是遥感技术应用领域研究的热点内容利用遥感手段进行建筑物区域的提取和三维重之一$近年来，随着机载SAR( Synthetic Aperture
收稿日期=2019 -03 -13
作者简介:杨盛华（1974 -)，男，天津东丽人，工程师，主要从事机场净空管理方面工作
118
北京工业职业技术学院学报
第18卷
Radar , j
径
）技术的不断成熟，获取的SAR
分辨率得到提高，
国
SA R 分辨率都
亚
级[1]。

在高分辨率条件下，建物在高分辨率
SA R 图像上的空间信息更加丰富，几何结构特征更加
明显，为建物提取
重构提
重要的数。

SA R 图像分辨率进
提高， 建
物在图像上表现出的“叠掩”、 射
加
明显[!]。

象方面给高分辨率SA R 图像人工
判读
较大的困难，另一方
建筑
物的三维结构信息，为建物提取 重构提供了
重要的线索，使得基于 高分辨率
S A R 图像进行
建筑物提取
重构
能[3—-]。

机场
是
航空器
的基本条件，
超高建筑物导致机场 理日益困难，机场净空建筑物高度提取方
重要。

使用光学影像或
SA R 影像提取建筑物高度国 较多的方
法[']]。

如对光学图像和S A R 图像上进行立体测
[1"]，用 涉测量提取建筑物高度[11]，
用
SA R 与光学图像融合的方法进行建筑物高度提
取[1!]。

但是有些建筑物
是
，由于
射的作用，使得建筑物阴影有建筑物的 部的长度，
须考虑如何在
中去
像
，使得建筑物高度的提取难度增大、精度降低。

涉 SAR 提取建 物高度 ， 建 物
射
的
使得干涉
SA R 提取建筑物的精度降低，使
用立体相对 涉进行立体测
须使用2幅图
像。

对于高分辨率的SA R 图像，使用1幅图像并借 叠掩效应获取建筑物的高度更加 实用[13—15]。

高分辨率S A R 图像建筑物各
见表面的局
人射
测路径不同，表 的后
射特性在较大的差异， 建物表
的
射局
何结构（如 、空调者太阳能设施）
用高 辨
SAR 图像提取建
物 较大
的困难。

本文提出了一种基于
S A R 图像迭代
的建筑物三维模型重构方法，探索利用
高分
辨率SA R 图像进行建筑物三维模型重构的可行性。

1
S A R 图像建筑物散射 分析
回波信号传播路径的不同，建筑物产 生的后
射主要
射、
射
散射，如图1所示。

SA R 是侧视工作的主
传感器，在建筑物机 的
，
束被建筑物 者
的
，对应距离 元没有回波
信号，在
SA R 图像上
亮度较低的
域。

阴象是 用高 辨 SAR 图像提取建
物
高度的一个重要线索， 域距离向的起点对应了
远 界
的
，其长度与建筑物高度成正比。

2基于G IS 和SA R 的建筑物高度提取 2.1
建筑物
射模
在SAR 影像中，典型的城市结构受到叠掩、二次
射
应
的，
素与
传感器的斜
距几何相关。

突
果，图2显示 个简建 模 在后
射
的。

a
当建筑物高度/^w _tan 0的散射情况 b 当建筑物高度/!>w tan 0的散射情况图2
建筑物在影像中不同后向散射机制的贡献
第2期杨盛华，等:基于G IS和高分辨S A R数据的机场净空建筑物高度提取119
其中，平屋顶建筑模型是一个具有均匀表面和
周围的矩 ，通用宽度为F高度为G，SAR 传感器的人射 *，？表示 射回 献的能 ，6为由建筑物垂 与周 的的
射器所引起的 射，2表示来自 的射，C表示从建筑物 回的 射，e表示在建筑物 标不返回能量的 域J N = Gcot*]和@@=G t an*] 表示在 图像空间中移 所 域的长度。

对于 建物的后 射，界条件G<F -t an*可以观
察到3种不同的情况。

如图2a所示G<f•t an*条件 满足，射C的叠加在？+2+C区域，还有在 射后单独存在。

当满足条件G=f •t an*时(见图2a)，射C叠加在a+c+C区域。

当条G>F-t an*成立时（见图2Y)，顶部散射C 重新出现在二次散射之前，但是叠 域则进 细有地面、立、屋顶能量的区域a + c + C和仅包含有地面、立面能量的区域a + c。

21基于GIS数据的建筑物定位
传感器相对于建筑物的 何关系由传感器的入射 建筑物相对于方 的方 组。

如图3所示，可以用建筑物的 度（长度和宽度）、方 度$表示。

设建筑物的墙壁 与传感器 ，其对应的方 $= 〇°，建物的长度/为建筑物在方位向上的 ，度F为其在距离向上对应的 。

考虑到建筑物的 ，角度$(0。

％ $ % 90。

)定 度为〖的墙与方 方向之间的角度。

，对于传感器的方 方 的，建 物 的
几何形状是由3参数(f，N$)给定。

对于星载SAR ，建物可能的方由升 降 定。

2. 3基于GIS和SAR的建筑物高估算方法
假设 析建筑的 高度 实高度分别是G和，真实SAR影像和对应于高度G的假设 SAR影像分别为Z和'。

为了找到建筑物高度的最
G，定 “假设生成-渲染-匹配”的方法，如图4所示。

图4采用单景高分SAR影像进行建筑物高度估计
的技术流程图
在模拟场景和实际场景完 准的假设下，将建筑物在不同高度进行模拟并与实际场景进行比 较。

程需要 与实际SAR图像获取有关的一组、与建筑物的形状和大小有关的一 组、关于建筑物高度G的假设。

，程可以由苕=+F，NG，a，*，$，+，+丨T来定义，其中f
是建筑物的宽度，/是建筑物的长度，*是人射角，$ 是方位角，+是方位向分辨率，+是距离向分辨率。

建筑物的最 高度对应于与实际场景最匹配的设，由式⑴给
G= arg max+M['(,)，'] ,(1)
G
以MI作为匹配函数。

MI的最高值对应于假设 实际场景之间的最 。

模拟和实际场景之间的匹配度，2 图像首先需要配准。

在实 际操作过程中，配准高度是可以在 程 中的类似任务。

实际场景之间实现最 的度 P也是该对的最 ，以定方式表 场景如何与实际场景拟合。

由于在实际场景中，被察对象的视角是由SAR器模 拟 ，仅只有翻译被视 。

因此，（1)中的一维优化问题 优化问题：
G = arg max+P['(,)，'], (2)
式(2)中，'表示在配准过程中影像'的二维 转换矢量-=(T#，dy)T。

决式（2)的最大化问题，使用多维Nelder-Mead优化方法。

避免 性测量
中的不稳定性，对预定高度区间中的 性值进
平均，例如在区间[G - 0.4+，G + 0.4+ ]中可以以 0-2 m进。

120北京工业职业技术学院学报第18卷
3建筑物高度反演实验
3.1 TeiraSAR-X 高分辨SAR数据
TerraSAR-X星载 是以高辨模式获取，方 辨 距离 辨 1.5 m和1.7 m。

图5中SA R数据获取时间为2018年3月，入 射 37.3°，实 域选择在 市机场 金隅 近。

由于星载数据的分辨率较低，且本
的是获取建筑物的高度，的预处理中仅采用Gamma M AP;偏移滤波器进 处理。

图5天津金隅小区SAR影像
3.2 G IS空间数据
研究区基础地理信息系统是以形成数字信息服 务的产业化模 标，通对各种不同技术手段
获取的基础地理信息进 集、编辑处理、，建的建筑物地理信息 库。

建物是1&2 000基础地理信息 的主要地物要素。

国应的规范要求，建物准各个房屋的 轮廓和 建筑特征，如图'所示，其轮线一般以
线为准。

建特征作重要的属性特征，有建 性（如、土、砖石、砼、）、用途、类(通房屋、特房屋、房 设 "、（非架空的房屋，从 开始 ；架的房屋，层从架 开始起算"。

对应的主要 有JMD-居民地、GKSS-工矿设施等。

图6建筑物层数据外围轮廓3.3建筑物高度提取
本文的S A R建筑物特征区域图像仿真流程如 图7所示。

图7建筑物SAR图像仿真流程图
对于 元的可见 ，见 点在S A R斜距图像坐标，并结合 射 元上的局部入射 后 射强度，然后在相应
的方 距离向进行后 射累加。

另一方面，元在 域，以所有可见 形的 域与非建筑物面元散射区域的交集作为域。

通，还需要 S A R图像乘性 的模型，将得的后射系数图像进 调制，得有 点 的 图像。

本文 SAR 图像
的目的是 划分建筑物不同类型的散射区域，为后续基于 图像迭代 的建筑物高度提取提供准备，，程中去掉 调制的处理 程。

详细说明本 所提出方法的结果，在图8k中以某建筑物 ，列 建筑物高度提取的整程。

图8a中的曲线显示了在0〜1化的
M I值，对于高度40〜56 m的假设，使用0.2m 1步 的大小。

该图显示 建筑物真实高度（48. 8 m)的良好 ，模拟高度和实际高度之间的差异增加，该图形下降。

全局最大值为48. 0 m，比真实高度低0.8 m。

图8b显示了与实际S A R场 景相比，在 高度处的建筑物的模拟场景。

图8d，是与模拟配合使用的。

很显然，模拟中使用的 朗伯-合模型不会 实际S A R场景的正辐射测量。

，在模拟中精 射效
应的 差异，以它们在S A R几何中的特征图像 域（射、叠 ）。

由于使用M I L 性度量，模拟与实际场景之间的辐射测的差异似乎不会降低高度 的准确性。

3.4建筑物高度反演实验成果及验证
有 的有 性 研究 建 物高度
果的精度，本 研究
间匀 、楼层高度均匀 的原则，
选择多
第2期杨盛华，等:基于G IS和高分辨S A R数据的机场净空建筑物高度提取121
40 42 44 46 48 50 52 54 56
高度/m
a建筑物高度提取MI值建筑物SAR模拟图像
b
d建筑物SAR图像S 0.6
图8建筑物高度提取示意图
建筑物采用 的方法进行测量，获取建筑物数的信息。

本有29个，本的计高度统计结果表明:最小高度17.76 p，最大高度 79.31m，高度41.7 m。

的精度最大误差2.98m，最小误差0.01 m，中误差1.01 m。

4结
在高分辨率条件下，建筑物在高分辨率SAR图像上的空间信息更加丰富，几何结构特征更加明显，建筑物提取 重构提 重要的 源
能性。

本文分析了高分辨率SAR图像中建筑 物的成像散射特征，射 应。

在基础上 基于G I S空间 进行SAR图像中建 物定 建筑物的高度的 ，利用景高辨率TerraSAR-X数据，机场 某建筑物高度，与实际高度 比较，结果表明，精度 1 m左右。

结果也表明该方法是一
种 的建筑物高度提取方法，需要大面积建 物高度的 应用提供很好的借鉴方法。

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(责任编辑：张艳霞）。