微波遥感讲课演示文稿-08-4

1、微波遥感微波遥感MICROWAVE REMOTE SENSING PART IV侧视雷达影像的几何变形侧视雷达影像的几何变形等效中心投影等效中心投影雷达影像雷达影像 比例尺是变化的，取平均比例尺比例尺是变化的，取平均比例尺框幅影像框幅影像 比例尺各处一致，假定同时观测比例尺各处一致，假定同时观测 （仅因光学系统某个问题出现变形）（仅因光学系统某个问题出现变形） 雷达影像雷达影像 比例尺比例尺 2v f = = C H v 雷达成像阴极射线管上亮点的扫描速度雷达成像阴极射线管上亮点的扫描速度 C 为雷达波在空间的传播速度为雷达波在空间的传播速度 H 是传感器高度是传感器高度 f 为等效焦距为等效

2、焦距 斜距为斜距为 Rp = H / cos y p = Rp = H / cos = f / cos 地面点地面点 P在等效在等效 的中心投影图像的中心投影图像 oy 上的成像点上的成像点 p 的坐标为的坐标为 y p = f tg 雷达图像坐标雷达图像坐标 和等效中心投影图像坐标间的转换关系即和等效中心投影图像坐标间的转换关系即 y p = ( y p / tg ) / cos = y p/ sin = y p/ sin arctg ( y p/ f ) ( y p = f / cos ) y p = f sin / cos = y p sin ( y p = f tg ) = y p s

3、in arccos ( f / y p ) 斜距投影的变形误差为斜距投影的变形误差为 dy = y p - y p = f ( 1/ cos - tg) = y p 1 sin arccos ( f / y p )y p = Rp = H / cos = f / cos中心投影的几何成像公式是经典公式中心投影的几何成像公式是经典公式 若实现雷达影像与等效中心投影坐标转换，若实现雷达影像与等效中心投影坐标转换，则可借用其成像方程进行分析和影像处理则可借用其成像方程进行分析和影像处理 几何变形分析的参照量几何变形分析的参照量a. 与中心投影（理想状态）的差异（斜距投影差）与中心投影（理想状态）的差

4、异（斜距投影差） 中心投影影像也有形变，中心投影影像也有形变， 其形变分析可依共线方程进行其形变分析可依共线方程进行 b. 考虑大地基准面考虑大地基准面 地形起伏影响地形起伏影响 没有地形起伏时没有地形起伏时 P点坐标点坐标 有地形起伏时有地形起伏时则图像上的变形为则图像上的变形为 这里只是将地面点投影到大地基准面上分析投影差这里只是将地面点投影到大地基准面上分析投影差而地面点（在基准面上）还有斜距投影差而地面点（在基准面上）还有斜距投影差（与等效中心投影之差异）（与等效中心投影之差异）整个的投影差还须考虑斜距投影差。整个的投影差还须考虑斜距投影差。 地形起伏、地球曲率等地形起伏、地球曲率等均

5、以大地基准面的斜距投影来考虑均以大地基准面的斜距投影来考虑大气折射和地球自转则只考虑地面点的位置，大气折射和地球自转则只考虑地面点的位置，而没考虑大地基准面而没考虑大地基准面外方位元素的影响外方位元素的影响理想状态与实际状态理想状态与实际状态 平稳与不平稳平稳与不平稳外方位元素外方位元素 照射带变化照射带变化 斜距无变化斜距无变化 航向平移航向平移 斜距斜距、入射角变化入射角变化指向旋转指向旋转 相应某点的斜距相应某点的斜距、入射角变化，入射角变化， 像点位置像点位置、亮度变化亮度变化航速变化具有同样效应，也可看作外方位元素航速变化具有同样效应，也可看作外方位元素各类外方位元素之间有一定相关性

6、各类外方位元素之间有一定相关性但实际分析时并不将所有的外方位元素一起考虑。但实际分析时并不将所有的外方位元素一起考虑。 侧视雷达影像的构像方程侧视雷达影像的构像方程 构像方程的概念构像方程的概念 成像几何关系的表达成像几何关系的表达 影像点坐标与相应地面点地面坐标影像点坐标与相应地面点地面坐标 由成像机理所形成的关系表达式。由成像机理所形成的关系表达式。 用于几何变形分析，成像几何质量分析，用于几何变形分析，成像几何质量分析， 影像几何校正。影像几何校正。 中心投影方式下的构像方程中心投影方式下的构像方程 地面点地面点P 的影像坐标为的影像坐标为 将影像坐标系作转换（由于存在姿态变化），将影像

7、坐标系作转换（由于存在姿态变化）， 即以投影中心即以投影中心 S S（或焦点）或焦点） 为坐标原点的坐标系的旋转变换，为坐标原点的坐标系的旋转变换， 使坐标轴分别与地面坐标系相应各坐标轴平行使坐标轴分别与地面坐标系相应各坐标轴平行 再乘以比例尺系数就得到以再乘以比例尺系数就得到以 S S为原点为原点 P P点的坐标，点的坐标， 再加上再加上 S S 点的地面坐标就得到点的地面坐标就得到 以以 O O 点原点的点原点的 P P 点的地面坐标。点的地面坐标。 其中其中 于是于是 右式展开后，以右式展开后，以 x, y的表达式分别除的表达式分别除 - f 的表达式，得的表达式，得 在姿态角很小的情况

8、下在姿态角很小的情况下相应于等效中心投影的雷达影像构像方程相应于等效中心投影的雷达影像构像方程 扫描延迟扫描延迟 dr 第一点成像时刻与脉冲发射时刻之差第一点成像时刻与脉冲发射时刻之差等效中心投影坐标以雷达影像坐标表达出来等效中心投影坐标以雷达影像坐标表达出来代入中心投影的构像方程代入中心投影的构像方程即即适合于航空雷达图像适合于航空雷达图像若用在航天雷达图像中，若用在航天雷达图像中，则地面坐标系须作转换则地面坐标系须作转换 雷达影像的成像矢量关系雷达影像的成像矢量关系 适合于航空航天雷达适合于航空航天雷达 konecny 提出的等效共线方程（提出的等效共线方程（1998年）年）前述等效共线方

9、程以雷达影像平均比例尺为基础，前述等效共线方程以雷达影像平均比例尺为基础，是一种近似，事实上雷达影像各点处比例尺不尽一致。是一种近似，事实上雷达影像各点处比例尺不尽一致。konecny提出的模型：提出的模型： m的几何意义的几何意义分母分母 分子第二项分子第二项分子分子 地形起伏所致地形起伏所致斜距投影变形斜距投影变形 m 即投影变形的比例（对于归化面来说）即投影变形的比例（对于归化面来说）基于多普勒方程的构像方程基于多普勒方程的构像方程 在介绍在介绍SAR方位向分辨率时，曾推导出方位向分辨率时，曾推导出 s为雷达波速度，为雷达波速度， V为平台速度为平台速度在地心坐标系内，地物点在地心坐标系

10、内，地物点G为为 随地球自转速度随地球自转速度 We为地球自转速度，为地球自转速度， 为为G 所处纬度所处纬度 卫星位置为卫星位置为 速度为速度为 VS G点所对应的影像点（点所对应的影像点（ i, j ）斜距为斜距为显然显然由于由于有有地物点地物点G应满足应满足椭球方程：椭球方程： N为地球曲率半径，为地球曲率半径，H为为G点高程，点高程，e为椭球偏心率。为椭球偏心率。微波辐射计图像的构像方程和图像变形分析微波辐射计图像的构像方程和图像变形分析全景投影变形和辐射计图像构像方程全景投影变形和辐射计图像构像方程 由全景相机说起由全景相机说起全景投影方式与辐射计图像坐标全景投影方式与辐射计图像坐标

11、 等效中心投影方式等效中心投影方式图像坐标图像坐标 仍旧考虑一条扫描行为同时获取的数据（近似）仍旧考虑一条扫描行为同时获取的数据（近似）事实上，这与分析全景相机影像变形是一致的。事实上，这与分析全景相机影像变形是一致的。由于等效中心投影方式图像坐标关系，由于等效中心投影方式图像坐标关系，得到微波辐射计图像构像方程得到微波辐射计图像构像方程 图像变形分析图像变形分析由简化的中心投影方式图像构像方程由简化的中心投影方式图像构像方程及其全微分方程（误差方程）及其全微分方程（误差方程） 影像几何校正方法影像几何校正方法1.多项式方法多项式方法 前提前提 影像最好为地距显示方式影像最好为地距显示方式 地

12、面起伏不大地面起伏不大 校正精度要求不高校正精度要求不高 X Y为地图坐标为地图坐标大范围影像的分片校正方法大范围影像的分片校正方法 每一点上不用高程信息每一点上不用高程信息 2.利用模拟影像利用模拟影像模拟时模拟时同多项式方法类同多项式方法类 似，似，在模拟影像和待校正影像上找同名点，在模拟影像和待校正影像上找同名点，求解多项式系数，求解多项式系数，然后进行几何校正。然后进行几何校正。不考虑几何变形不考虑几何变形考虑几何变形考虑几何变形3.利用构像方程利用构像方程数学模型比较严密，每一点上要用高程信息数学模型比较严密，每一点上要用高程信息选择基于矢量关系的构像方程选择基于矢量关系的构像方程

13、基于地心直角坐标系基于地心直角坐标系控制点上的坐标转换控制点上的坐标转换 由于雷达天线地心坐标是星下点S 的地理经纬度 Ls ，Bs 和卫星飞行高度 Hs 的函数，速度分量 Vx, Vy,Vz 则是独立变量, 所以共线方程中的独立参量共有六个，即 Ls, Bs, Hs, Vx, Vy, Vz 。观测值方程观测值方程 对基于矢量关系构像方程求全微分方程对基于矢量关系构像方程求全微分方程 Xp Yp Zp 为每次迭代时控制点坐标加上X Y Z天线位置和速度矢量的行序表达式天线位置和速度矢量的行序表达式 如如 只要求得只要求得 如此有如此有12个未知量，加上每一点的个未知量，加上每一点的 迭代方法迭

14、代方法 若构像方程第一式计算结果不为零，得若构像方程第一式计算结果不为零，得将将 加到加到x上，重新计算天线位置和速度矢量，上，重新计算天线位置和速度矢量，再计算第一式，直至结果小于阈值，再计算第一式，直至结果小于阈值，然后计算第二式得然后计算第二式得 y 锚点方法锚点方法 确定格网确定格网 如如 200米米 200米米 在格网点上按构像方程方法迭代计算得到在格网点上按构像方程方法迭代计算得到 X i,j , Y i,j , Z i,j , x i,j , y i,j 由四个相邻格网点按一次多项式内插和灰度重采样由四个相邻格网点按一次多项式内插和灰度重采样图上测量图上测量前提前提 地面起伏较小

15、，地距显示图像地面起伏较小，地距显示图像光点尺寸补偿光点尺寸补偿 强信号减一强信号减一 弱信号加一弱信号加一若只有斜距图像若只有斜距图像b.再量测两点间方位向上的距离再量测两点间方位向上的距离 C.计算两点间距计算两点间距高度量测高度量测前提条件前提条件 独立地物独立地物 h/PQ = H/SQ 故 h = HPQ/SQ = H (sq - sp)/sq 由于 h/(PT + TQ) = H/SQ 则 h = (PT + TQ) H/SQ = (pt + tq) H/sq立体量测中的视差表示立体量测中的视差表示视差：同一地物在立体影像上的坐标差异视差：同一地物在立体影像上的坐标差异迭掩产生位移

16、（像点）在水平面上的投影具有方迭掩产生位移（像点）在水平面上的投影具有方 向，大小向，大小即顶底投影关系（方向、大小）即顶底投影关系（方向、大小）以以该地物该地物在基准面上的位置与依其斜距所对应点在基准面上的位置与依其斜距所对应点的位置差异表示的位置差异表示表示方便，并非精确表示方便，并非精确 目标点的解析定位（军事目标定位）目标点的解析定位（军事目标定位）航空雷达观测时目标定位方法航空雷达观测时目标定位方法 影像上目标影像上目标 地面坐标地面坐标 ？ 航天雷达观测可参照此法航天雷达观测可参照此法条件方程条件方程 即基于矢量关系的构像方程即基于矢量关系的构像方程H 2 + (m y y + r

17、 o ) 2 - (X - Xs) 2 + (Y - Ys) 2 + (Z - Zs) 2 = 0Vxo (X - Xs) + Vyo (Y - Ys) + Vzo (Z - Zs) = 0天线位置时序表达式稍有不同天线位置时序表达式稍有不同 地面控制点观测值方程，待定位点亦然地面控制点观测值方程，待定位点亦然 为量测值为量测值 X为初值为初值 对待定位点则为左右影像解算出的初值对待定位点则为左右影像解算出的初值初值由多项式（初值由多项式（6-2-13）计算，事先以控制点拟合）计算，事先以控制点拟合 像点坐标变换像点坐标变换 以中心行为参照行的坐标变换以中心行为参照行的坐标变换 初值计算初值计

18、算 以计算线性化后条件方程，即观测值方程系数，以计算线性化后条件方程，即观测值方程系数，独立参量独立参量 ( 天线位置天线位置，速度速度 )a.航线上两点天线位置已知，航线上两点天线位置已知， 由某控制点地面坐标可计算对应天线位置坐标由某控制点地面坐标可计算对应天线位置坐标b.由两个以上控制点所对应天线位置坐标可求由两个以上控制点所对应天线位置坐标可求解六个独立参量解六个独立参量 ( 一个控制点可列四个方程一个控制点可列四个方程 )地面点初值（控制点、待定位点）由多项式拟地面点初值（控制点、待定位点）由多项式拟合后计算。合后计算。平差计算平差计算将独立参量和待定位点一起解算出来，将独立参量和待

19、定位点一起解算出来，即由两个条件方程线性化后，求解改正值参量即由两个条件方程线性化后，求解改正值参量 由初值加上改正值，即得。由初值加上改正值，即得。 雷达干涉测量原理简介雷达干涉测量原理简介 卫星提供每一点观测数据为复型数据卫星提供每一点观测数据为复型数据 实部（实部（dr）+虚部虚部(di)雷达图像解译雷达图像解译解译标志解译标志 主要在于色调、纹理、相对位置关系主要在于色调、纹理、相对位置关系 形状、大小形状、大小 由于受变形影响，很难利用由于受变形影响，很难利用尽可能利用多极化图像，或多时域图像。尽可能利用多极化图像，或多时域图像。可与其它图像一起，可与其它图像一起， 结合地物的各种图

20、像特点进行分析。结合地物的各种图像特点进行分析。 注意季节的影响，注意季节的影响， 注意影响回波的主要因素注意影响回波的主要因素 含水量，粗糙度，地物排列的方向性。含水量，粗糙度，地物排列的方向性。与计算机处理结合起来与计算机处理结合起来 如：去噪声、增强、彩色合成、影像融合。如：去噪声、增强、彩色合成、影像融合。同一地物在不同情况下的色调不同。同一地物在不同情况下的色调不同。 如：铁路延伸方向，同距离向一致，暗线条，如：铁路延伸方向，同距离向一致，暗线条， 同航向平行，较亮线条。同航向平行，较亮线条。 辐射计图像解译辐射计图像解译物体大多透射率低，按物体大多透射率低，按 1 = + (+ )

21、 分析分析一般影像为一般影像为“负片负片” 亮为热，暗为冷亮为热，暗为冷水对微波系统为良好反射体，水一般为冷色调水对微波系统为良好反射体，水一般为冷色调注意含水量分析注意含水量分析植被密度是一个重要因素，密度越大，亮度越高植被密度是一个重要因素，密度越大，亮度越高 在微波辐射计图像在微波辐射计图像(正片正片)上的各种地物上的各种地物雷达图像的计算机处理雷达图像的计算机处理去噪声去噪声 滤波滤波 加权平均加权平均 直方图均衡直方图均衡增强中部，压抑两头（对直方图）增强中部，压抑两头（对直方图） 纹理结构纹理结构 纹理结构单元中的排列纹理结构单元中的排列Ai 6561种种 （ ）纹理结构直方图纹理

22、结构直方图 H（Ai） 全为全为0 有一个有一个1 有一个有一个2 有两个有两个1 有两个有两个2 峰值分析峰值分析选取主要形态，并编码选取主要形态，并编码其它形态按相似性处理其它形态按相似性处理 结构指标结构指标每窗每窗 共现矩阵共现矩阵 0 255 128 64 256256 6464灰度相邻的频数，按八邻元灰度相邻的频数，按八邻元 p(i,j) 一个或几个指标一个或几个指标 反差，熵反差，熵 赋中心像元赋中心像元结构特征图像结构特征图像研究进展研究进展1.小波变换方法小波变换方法 不同方向纹理，不同尺度，同一尺度三方向不同方向纹理，不同尺度，同一尺度三方向2.分形维数分形维数 纹理平滑，维数值小，反之，大纹理平滑，维数值小，反之，大3.与其它影像结合与其它影像结合 利用人工神经网络，（配准、样本、训练）利用人工神经网络，（配准、样本、训练）4.利用多时域影像利用多时域影像 多时域，不受云雨干扰，多时域，不受云雨干扰， 有数据保障，形成时变曲线有数据保障，