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星载合成孔径雷达影像正射校正方法研究

【摘要】:星载合成孔径雷达(SAR)开始于1978年的SEASAT计划,随后是航天飞机成像雷达(SIR)系列计划的实施,及欧洲空间局的ERS-1/2 SAR、日本的JERS-1 SAR、加拿大的RADARSAT-1 SAR和新世纪ENVISAT ASAR等的成功发射。这使SAR数据产品的应用深入到很多的领域,如林业、农业、生态、地质、海洋、水文和制图等。然而,由于地形变化对SAR影像几何和辐射特征的影响,SAR影像在地球生物物理参数测量上的应用受到了限制。地形的变化可以引起很大的SAR影像几何变形,这阻碍了从SAR影像中提取的信息,与利用其它数据获取的已经具有地理参考坐标的信息的综合应用。为了提高SAR影像的应用价值,必须通过正射校正处理去除SAR影像固有的几何畸变,以生成一幅处于一定地图投影下的正射影像。本论文深入研究了星载SAR影像的正射校正处理方法,为开发一个可操作性强、运行效率高的SAR影像处理软件系统提供技术支持。 本研究在广东省增城市建立了一个试验区,以该试验区为主,对所发展的方法进行了分析评价。收集的地理实况数据包括1:5万的地形图和根据该地形图经数字化处理生成的数字高程模型(DEM)。获取了覆盖该试验区的1996年到1998年的一系列ERS-2 SAR数据。从中选择了一景ERS-2 SLC数据作为主要实验数据,并手工采集了控制点。在本研究中还应用了在我国浙江、福建和东北地区获取的ENVISAT ASAR、ERS-2 SAR、SIR-C/X SAR、JERS-1 SAR和RADARSAT-1 SAR数据。 本文正射校正处理方案基于距离多普勒(RD)定位模型。对RD定位模型的构建和直接及间接定位算法进行了详细探讨。本文对比评价了几种卫星轨道描述方法,并设计了从不同SAR数据产品的元数据中提取必需成像参数的技术框架。结果表明,当给出的轨道状态矢量时间间隔小、位置坐标精度高时,这几种方法在定位精度上无明显差别。本文提出了两种新的直接定位算法:SCTGM和AIRGM。评价结果表明,两种新方法的定位精度较纯分析法有了一定的提高,而且时间消耗也较纯粹的数值分析法降低了很多。 在以上定位模型解算方法的基础上,研究提出了两种基于控制点和DEM的SAR影像正射校正处理方法。第一种方法是基于非线性最小二乘参数优化的方法。第二种方法不直接对模型参数进行优化,而是先通过间接定位得到控制点的SAR影像坐标估计值,然后建立SAR影像坐标估计值与影像实际坐标之间的多项式方程,通过该方程和间接定位模型实现SAR影像的正射校正。本文详细描述了这两种方法的技术细节,并在通过模拟建立的无误差定位模型和控制点系统的基础上, WP=13 采用数值分析方法对这两种正射校正方法的有效性和精度进行了分析。结果表明:所发展的方法正确有效,可以获得较高的定位精度。在处理生成正射校正影像时,若对每个输出像元都进行精确的地理定位解算,处理过程将非常耗时,因此本文提出了一种可以有效降低处理时间的基于3D网格控制的重采样技术方案。 从地形图上手工获取控制点是一个贯穿于整个正射校正处理的非常耗时的过程。这个过程也制约了自动化正射校正处理程序的实现。因此本文发展了一种基于SAR影像模拟和影像自动匹配技术的正射校正方法。同时该方法还可以生成其它增值产品。本文还利用试验区数据对以上方法进行了分析和验证,结果表明:SAR模拟影像和真实SAR影像特征十分相似;模拟SAR影像的质量主要受DEM与模拟SAR影像相对空间分辨率的影响;不同的后向散射模型会对模拟影像特征产生一定的影响,但复杂的后向散射模型并不一定可以得到更好的模拟效果。当地入射角影像、叠掩及阴影掩模影像、地面散射单元面积影像等增值产品的处理结果也是正确有效的。 本文所发展的各种方法最终在成像雷达遥感信息处理应用软件(SARINFORS)中编码实现。SARINFORS运行在遥感基础处理平台(MPRRS)之上。作为SARINFORS的主要功能模块,雷达影像一般处理模块(MSARS)建立在地理定位动态连接库(SARGEOLIB)之上。SARGEOLIB封装了雷达元数据处理和定位模型解算的各种函数。而MSARS主要完成GEC和GEC及其它相关处理功能。目前系统可以支持ENVISAT ASAR、ERS-1/2 SAR、RADARSAT-1 SAR、SIR-C/X SAR、JERS-1 SAR的主要数据产品类型。

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