SAR三维立体重建实验报告

SAR立体三维重建

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1实验目的

1、理解基于合成孔径雷达立体像对的灰度信息进行三维重建的基本原理与方法；

2、了解ERDAS IMAGINE的基本功能，熟练掌握StereoSAR模块的使用方法；

3、理解SAR传感器几何模型及基于地面控制点（Ground Control Points, GCPs）几何模型精化的原理与方法；

4、通过真实SAR像对的数据处理，掌握SAR立体三维重建的基本流程。

2实验数据说明

本实验采用ERDAS IMAGINE软件的示例数据，RADASAT影像StereoSAR_Ref.img和StereoSAR_Match.img，这两景影像分别拍摄于1996年9月24日和1996年9月17日。

3实验原理

经过试验九的操作，使我们对InSAR提取测区DEM有了一定的掌握。而摄影测量中我们也学习了基于立体像对制作测区三维景观图，因此在此次实验中我们利用摄影测量的原理基于SAR影像进行三维重建。

3.1 SAR立体图像的获取

立体图像在摄影测量中称为立体相对。所谓立体相对是由不同摄站摄取的具有一定重叠的两张相片。因此雷达立体图像也可以定义为：由天线位置探测获取的具有一定影像重叠的两幅雷达图像[1]。

雷达立体图像的获取方式有两种：同侧立体观测和异侧立体观测。前者是指飞行器沿着不同的航线飞行（两次飞行方向可以相同或者相反），雷达从地物的

一侧对同一地区成像，同侧立体观测有可分为同一高度和不同高度两类；异侧立体观测是指雷达从地物的两侧分别对同一地区成像。

图 3.1-1 雷达立体图像获取方式

异侧立体观测获取的雷达立体图像视差明显，基高比（摄影基线与航高之比）大，有利于提高地物目标点高程的测量精度。但是地形起伏较大的地区，目标地物在立体像对的两幅图像上的相应影像不仅颜色差异很大，而且由于地形起伏引起的几何变形差异也很大。因为高出地面地物目标的左侧向着左航线的雷达天线，有效反射面积大，影像为浅色调；而对于右航线，该地物目标左侧反射信号弱或者为盲区，所以影像为深色调。同理，地物目标右侧在两幅图像上的色调与地物目标左侧色调刚好相反，由于异侧飞行所获取的雷达立体图像，使一幅图像上的阴影位于地物目标的一侧，而另一幅图像上的阴影在地物目标的另一侧，这就给立体观察与测量带来了极大的困难。另外，采用斜距显示的雷达图像由于地形起伏的影响，同一地物目标在立体像对的两幅图像上的变形差异也很大。因此，异侧(对侧)获取的雷达立体图像，只适于平坦或丘陵而不适合山地的立体观察与测量[2]。

同侧同高度或者不同高度获取的雷达立体图像，视差和基高比虽然比异侧获取的雷达立体图像要小，但两幅图像上相应影像的色调和图像变形差异较小，只要对雷达工作参数进行适当选择，还是能获得较好的立体效应的，故在丘陵地、山地一般都采用同侧获取雷达立体图像进行地物目标的三维定位和立体测图[2]。

3.2 SAR立体图像的视差

SAR立体图像的视差指高出某一基准面的地物目标在两幅图像上的位移差。摄影测量中称之为立体像对的左右视差，是地物目标点高差的反应，由左右视差

可以推算出地物目标点间的高差。雷达图像有地距显示和斜距显示两种方式，因此视差(AP)与高差(Ah)的关系相应地有两种表达方式[3]。

1、地距显示图像的视差与高差关系

对于地距显示的雷达图像，视差（p ∆）与高差（h ∆）的关系为：

/(''')h m p ctg ctg θθ∆=∆m （式

3.2-1）

式中，'θ和''θ分别为天线'S 和''S 扫描至地物目标A 的视角，m 为像比例尺分母。

2、斜距显示图片的视差与高差关系

/(cos ''cos ')

h m p θθ∆=∆m （式

3.2-2） 从上面两式中可以看出，高差不仅与视差有关，而且与视角也有关。就视差而言，侧视观测的SAR 立体图像的视差值比同侧观测的立体图的视差值要大，在图像清晰程度相当的情况下，视差值越大，立体观测效果就越好[3]。

3.3 SAR 立体图像的基高比

摄影测量中的基高比指摄影基线(立体像对的两个摄影站间的连线)与航高之比，基高比反应了空间交会图像的好坏，基高比越大，测定地物目标点的高程精度越高。同理，SAR 图像的基高比指两幅图像获取时飞机或者卫星运行轨道间的距离(B)与航高(H)之比。

对于地距显示的SAR 立体图像，其基高比为：

'''B ctg ctg H θθ=m （式 3.3-1）

对于斜距显示的SAR 立体图像，其基高比为：

cos''cos' B

H

θθ

=m

（式3.3-2）

无论是地距显示或者斜距显示的SAR立体图像，异侧观测的SAR立体图像，其基高比比同侧观测的SAR立体图像大。这就意味着由异侧观测的SAR立体图像所测定的地物目标点的高程精度，比同侧观测方式测定的目标点的高程精度高。

3.4 SAR立体定位原理

利用SAR图像进行立体定位获取DEM通常有三种方法:距离-多普勒模型、基于摄影测量理论的等效共线方程模型和视差高程相关模型。在本次试验中我们采用的是摄影测量的方式，即通过定向参数解算、立体交会等环节实心地面的点的定位。

立体SAR图像定位是利用构成立体的两幅SAR图像，依据相应的定向参数，由同名像点交会计算出相应地面点的三维坐标。具体的定位流程如图所示：

图 3.4-1 立体SAR图像定位流程

其中：

1、定向参数通常由地面的控制点根据SAR影像的成像模式来求解，在无法获取地面控制点的情况下，可以通过轨道参数和SAR系统参数等获取定向参数（本此实验中是利用地面控制点获取的定向参数，具体处理流程如图所示）。

图 3.4-2 定向参数解算流程

2、地面点的三维坐标解算是根据SAR成像模式，建立同名像点对应的关系，具体流程如图所示：