基于圆迹SAR的建筑物轮廓信息提取

刘 燕谭维贤林 赟洪 文

①(中国科学院电子学研究所微波成像技术国家重点实验室 北京 100190)

②(空军装备研究院 北京 100085)

基于圆迹SAR的建筑物轮廓信息提取

刘 燕*①②谭维贤①林 赟①洪 文①

①(中国科学院电子学研究所微波成像技术国家重点实验室 北京 100190)

②(空军装备研究院 北京 100085)

利用圆迹SAR对目标的全方位观测的特点，该文提出一种基于圆迹SAR数据的建筑物轮廓信息提取以及所处地面的高度估计的方法。首先，通过雷达立体测量的方法粗估计出目标建筑物所处地面的海拔高度。然后，以该高度为基准上下一定范围内划分多个成像平面层，在各个成像平面上对建筑物进行圆迹SAR成像。最后，在圆迹SAR图像中选择建筑物二次反射亮线构成封闭线框的一副图像，从该幅图像中提取建筑物在水平面的轮廓信息，同时将该图像对应的成像平面高度确定为目标建筑物所在地面的高度。P波段机载圆迹SAR实测数据验证了该方法的有效性。

圆迹SAR；建筑物轮廓；信息提取；二次反射

1 引言

合成孔径雷达(SAR)具有全天时全天候，高分辨大区域成像的能力，在遥感领域得到了广泛的应用。传统SAR模式下的雷达平台的飞行轨迹为直线或是近似直线，在这种成像几何下，SAR 图像存在由于迭掩、透视缩短和阴影等固有变形现象以及仅能获取观测对象在某小范围方向上的后向散射的问题。为了进一步拓展SAR的应用，圆迹SAR 作为一种新的高分辨率成像模式于20 世纪90 年代中期被提出[1]。圆迹SAR模式观测几何下，雷达通过对观测场景的360°观测，能够获取目标全方位的散射特征，同时其理论分辨率可以达到亚波长量级，这极大地拓展了传统SAR成像系统的性能和应用领域，近十余年来圆迹SAR得到了广泛的研究和应用[2−9]。

圆迹SAR的多角度成像几何通常采用正射成像的方法得到不同360°全方位观测的结果。若成像时所参考的数字高程模型 (Digital Elevation Model,DEM)数据与实际不符，回波在图像上的体现为朝观测方向发生偏移。在高分辨率SAR图像中，对于建筑物目标而言，由建筑物的墙面和地面形成的二面角造成的强反射，即二次反射效应[10,11]，是一个非常重要的特征。在圆迹SAR情况下，所有的建筑物可以被360°的观测(被遮挡的建筑物除外)，在不被遮掩的情况下，建筑物的每个墙面都可以产生较强的二次反射效应。使用圆迹SAR对建筑物进行成像，若将成像平面设在其建筑底部，二次反射效应形成的亮线将形成一个闭合的线框(例如矩形线框)，从而可以准确地得到建筑物的位置和面积信息[3]。在对圆迹SAR数据进行成像过程中，当不清楚建筑物所处地面的准确高度时，会将成像平面设在其它高度上，从而二次反射效应产生的亮线会发生偏移其真实位置(这里需要说明的是：对于散射特性是各项同性的散射体，当成像平面高度不对时，有可能图像会在各个方向上都有旁瓣[3]；对于建筑墙面而言，其二次反射效应的方向性很强[11]，所以当成像高度与建筑物所处地面的高度不同时，二次反射效应产生的亮线的位置仅仅会沿与墙面垂直的方向发生移动)。因此，当建筑物所处地面的高度未知时，很难得到正确的建筑物轮廓，这极大地影响了高分辨率圆迹SAR的成像效果[3]。

利用圆迹SAR对建筑物进行全方位观测时二次反射效应形成的亮线将形成一个闭合线框的特征(在没有遮挡的情况下)，本文提供了一种获取建筑物轮廓信息以及估计建筑物所处地面高度的方法。该方法包括：粗估计出目标建筑物所处地面的海拔高度；以该高度为基准上下一定范围内划分多个成像平面层，在各个成像平面上对建筑物进行圆迹SAR成像；在圆迹SAR图像中选择二次反射亮线构成封闭区域且不相交的一副图像，从该图像中提取建筑物轮廓信息，并将该图像对应成像平面的高度确定为目标建筑物所处地面的高度。通过P波段的圆迹SAR实测数据对该方法进行了验证，实验结果说明了该方法的有效性和可行性。

2 圆迹SAR二次反射亮线位置分析

使用圆迹SAR对建筑物进行成像，若将成像平面设在其建筑物所在地面，由于雷达是360°观测，每个墙面都会产生一条二次反射亮线，那么二次反射效应形成的亮线将形成一个闭合的多边形线框，如图1所示。从该多边形线框可以准确地得到建筑物的位置和面积信息。

图1 二次反射效应形成的亮线将形成的闭合的多边形线框图示

然而，在实际圆迹SAR成像过程中，我们并不清楚建筑物所在地面的准确高度，有可能将成像平面设在其它高度上，从而二面角效应产生的亮线会发生偏移其真实位置。对于建筑墙面而言，其二次反射效应的方向性很强，所以当成像平面高度与建筑物所在地面高度不同时，二次反射效应产生的亮线的位置仅仅会沿与墙面垂直的方向发生移动。图2展示了二次反射效应产生的亮线位置随成像平面高度的变化情况。图2(a)展示了建筑物单侧墙面的二次反射亮线随着成像平面高度的变化，其中，矩形代表建筑物的一个切面，O表示雷达平台的零多普勒位置，A, B, C代表左边墙面产生的二次反射亮线在不同成像平面处的位置，有X表示墙面到雷达的水平距离，H为建筑物所在地面到雷达的垂直距离。从图2(a)可以看出，当成像平面低于实际建筑物所在地面高度时，亮线沿墙面法线方向朝外平移；当成像平面高于实际平面高度时亮线就沿墙面法线方向朝内平移。ΔX1为成像平面高度低于成像平面Δh1时二次反射亮线向外平移的距离，ΔX2为成像平面高度高于成像平面Δh2时二次反射亮线向外平移的距离。根据以及勾股定理，可以得到

可以解得

以及

图2 建筑物二次散射亮线随成像平面高度的变化示意图

从式(2)与式(3)可以看出，由于成像平面与建筑物所在地面高度的误差与二次反射亮线的位移量成正比。那么，在正射面上，当成像平面低于实际平面高度时，如图2(b)所示，亮线朝四周扩散，不再闭合；当成像平面高于实际平面高度时，如图2(c)所示，各个亮线会发生交叉。

从图1和图2看出，只有在成像平面与建筑物所在地面高度一致的情况下，二次反射亮线才会构成闭合的线框。因此，在实际成像过程中，可以将建筑墙面二次反射亮线构成闭合线框作为成像平面与建筑物所在地面高度一致的判断依据，从而获取准确的建筑物轮廓信息。

为了便于分析，在圆迹二次反射亮线位置分析中采用了标准长方体作为目标建筑物模型。实际上，除非建筑物上(例如建筑顶部)存在一些特殊的二面角结构，在绝大多数情况下，都可以将二次反射亮线构成闭合线框作为成像平面与建筑物所在地面高度一致的判断依据。这是由于，即使建筑物存在不等高、非规范矩形、凸凹结构、表面粗糙等情况，对于建筑物侧面墙体与地面构成的二面角所产生的二次反射亮线而言，都符合图1和图2所示的亮线位置随成像平面高度的变化规律。当建筑物上(例如建筑顶部)存在一些特殊的二面角结构时，在成像平面低于地面时，即使由建筑侧面与地面构成的二面角产生的二次反射亮线不再闭合，由于建筑物上的二面角产生的二次反射的存在，整个建筑产生的二次反射亮线也有可能构成封闭的“胖”轮廓，例如图3所示。但在实际中，这种恰好满足成像面低于地面时得到封闭的“胖”轮廓的建筑结构并不属于建筑结构的主流。因此，对于绝大多数类型的建筑物而言，上述分析都是适用的。

图3 成像平面低于建筑物所在地面时，二次反射亮线在成像平面上的位置显示。底层建筑物侧面产生的二次反射亮线用黑色线段表示；第2层建筑物侧面产生的二次反射亮线用红色线段表示

3 基于圆迹SAR数据的建筑物轮廓信息提取

基于第2节的分析，给出一种基于图像能量的判断建筑物地面高度和确定建筑物距离方位维轮廓的方法。首先，通过立体测量的方法粗估计出目标建筑物所在地面的高度；然后，在以该高度为中心的成像范围中划分多个高度层，针对各个高度层对建筑物分别进行圆迹SAR成像；最后，在各个高度层对应的圆迹SAR图像中，选择二次反射亮线构成封闭区域且不相交的一幅图像，从该幅图像中获取建筑物距离方位维轮廓信息，并将该图像的成像平面高度确定为目标建筑物所在地面的高度。所提方法流程如图4所示。下面对该方法的各个步骤进行详细介绍。

步骤1 粗估计出目标建筑物所在地面的高度H0。理论验证和机载实验数据的研究表明，圆迹SAR具有3维成像能力[12]。在进行圆迹SAR 2维成像时，位于成像参考平面外的目标在不同方位角度观测时，将投影到成像平面的不同位置，因此可以通过立体像对的方法对场景的高程进行测量。采用立体像对法进行高程测量的方法如下：首先，将360°雷达平台轨迹圆环划分为多段圆弧，对每段圆弧分割为多个子孔径；然后，利用子孔径图像间的相似性，通过相关系数最大法，在其他子孔径图像上寻找与中心图像匹配的像素点，得到二者的位置偏移；最后，通过该位置偏移提取出地面场景的数字高程DEM，即目标建筑物所在地面的高度[12]。立体测量方法的高程估计精度与高分辨率圆迹SAR精确成像所需的高程精度相比略显粗糙[12]，但该方法粗估计出的高程可以作为目标建筑物所在地面一个初始估计高度，可以有效降低本文方法的运算量。

图4 基于圆迹SAR数据的建筑物地面高度估计流程图

步骤2 以步骤1粗估计出的目标建筑物所在地面高度为基准上下一定范围内划分多个成像平面层，在各个成像平面上对建筑物进行圆迹SAR成像。 通常选择以H0为基准上下2～4倍高程估计精度的高度范围作为成像平面的高度范围，其中，所述立体测量精度与用来提取DEM的子孔径图像之间的方位角度差以及子孔径图像之间配准精度有关。不同波段圆迹SAR立体测量的精度是不同的。在X波段，圆迹SAR立体测量精度可以达到1～2 m；在P波段，可以达到3～5 m。在所述高度内按照一定间隔划分得到多个成像平面高度(划分间隔参考全孔径合成角度下的圆迹SAR高程精度[13])，在各个成像平面上对目标区域进行圆迹SAR成像。

步骤3 在多幅高度层圆迹SAR成像后图像中，选择二次反射亮线构成封闭区域且不相交的一副图像。该方法包括如下子步骤：

(1)亮点检测与聚类： 恒虚警(Constant False Alarm Rate, CFAR)方法[14,15]是检测SAR图像上强散射目标(亮点)的一种常用方法，在SAR图像人造目标检测方面得到了广泛的应用。该方法的应用前提是目标像素灰度高于背景且相对于背景具有较强的对比度。由于建筑物二次反射亮线相对与其他背景目标而言具有较强的对比度，因此本文采用CFAR来对其进行亮点检测，并将图像二值化，对亮点赋值1，对背景点赋值0。对图像上的亮点进行连通性分析，去除小的连通区域，合并邻近的连通区域。

(2)对亮点包围区域的背景点进行加权求和，在各个高度层的成像平面中，将背景点权值和最大的成像平面判断为二次反射亮线构成封闭区域且不相交的图像。

基于如下规则对亮点包围区域的背景点进行加权求和，其中该规则包括如果一个背景点四周被亮点包围，则给该背景点赋予较高权值；如果背景点被亮点部分包围，则给该背景点赋予较低权值；如果背景点只有一侧有亮点，则给该背景点赋予零权值。

权值和F(hn)如式(4)所示：

其中Sm表示第m个亮点连通区域，M表示第n层图像第1标记点连通区域的个数。T(xi,yj)表示Sm区域中的(xi,yj)位置处的亮点的权值。

式(5)中，通常选a1=2, a2=1。

(3)选择背景点权值和最大的图像判断为二次反射亮线构成封闭区域且不相交的图像，将判断出的二次反射亮线构成封闭区域且不相交的图像对应的高度层的高度确定为所述目标建筑物的底部高度，即如式(6)所示。

4 P波段圆迹SAR实验

本文采用中科院电子所P波段圆迹SAR数据对本文提出的方法进行验证。本次P波段圆迹SAR试验参数如下：脉冲重复频率PRF=3000 Hz，工作波长=0.5 m，带宽=200 MHz，飞行半径≈3000 m，平台高度≈3000 m。选取一个建筑群中的两个建筑物作为实验目标，它们分别是图5所示光学图像中红色虚线圈中的目标建筑物1和黄色虚线圈中的目标建筑物2。

图5 目标区域的光学照片

采用立体像对测量估计出的DEM作为成像参考DEM，对目标区域进行圆迹SAR成像，成像结果如图6所示。图6红色线圈中为目标建筑物1的轮廓，黄色线圈中为目标建筑物2的轮廓。对比图5和图6，可以看出，由于立体像对测量估计出DEM的高程精度有限，很难得到准确的建筑物轮廓。

根据本文提出的方法，首先，通过立体像对测量的方法，估计出目标区域的大致高度(约为460 m)，立体像对测量精度为5 m；接着,选取高程成像范围为[455 m, 475 m]，根据全孔径下计算出的高程分辨率对高度进行等间隔划分；最后，对各个高度层采用BP方法进行2维成像，得到一系列成像平面上的圆迹SAR图像。

我们首先采用本文方法估计出目标建筑物地平面的高度，然后根据该高度选取了3个成像平面的图像来验证本文第2节的分析。图7为3个不同高度层处目标建筑物1的成像结果，红圈内为目标建筑物1的墙面二次反射产生的亮线。图7(a)为当成像平面高度等于建筑底部地面时的成像结果，可以看到，红圈内二面角效应产生的亮线构成了一个闭合的矩形线框；图7(b)为当成像平面高度低于建筑底部地面时的成像结果，可以看到，红圈内的二次反射亮线相对于图7(a)中闭合的矩形线框向四周扩散；图7(c)为当成像平面高度高于建筑底部地面时的成像结果，可以看到，红圈内的二次反射亮线相对于图7(a)中闭合的矩形线框向内平移，呈交叉状。图7所示目标建筑物1在不同高度层的成像结果与本文的分析保持一致。

图6 基于立体像对测量方法估计出的DEM对目标区域的圆迹SAR成像结果

图8展示了图7所示的3个高度层下红圈内的亮点连通域，图中除了深蓝色表示背景点外，其他每种颜色代表了一个亮点连通区域，可以看出图8(a)中(成像平面高度等于建筑底部地面情况下)亮点连通区域内部背景点最多。

去除小的亮点连通区域后，对不同高度层亮点连通区域内部背景点进行加权求和(根据式(4))，权值和曲线如图所示。从图9可以看出，在成像平面高度为464.5 m时，亮点连通区域内部背景点的权值和最大，该权值和随着成像平面高度远离该高度而下降。图10为在成像平面高度为464.5 m时，红圈内目标建筑物1的成像结果。可以看到，二次反射亮线构成了闭合的矩形线框，从该图像中可以获取目标区域建筑物1的轮廓信息。

对于侧面有凹凸结构的目标建筑物2而言，采用本文方法可以得到类似的实验结果。图11为背景点权值和曲线，从图中可以看出，在成像平面高度为463.8 m时，亮点连通区域内部背景点的权值和最大。图12为在成像平面高度为463.8 m时，目标建筑物2的成像结果，可以看到，二次反射亮线构成了闭合的线框，从该图像中可以获取目标建筑物2的轮廓信息。

图7 目标建筑物1在不同成像高度层成像所得到的二面角效应的亮线位置(距离方位维)

图8 不同成像高度层成像所得到亮点连通区域

图9 目标建筑物1在不同高度层亮点连通区域内背景点权值和曲线

图10 权值和最大处的高程对 应的目标建筑物1成像结果

图11 目标建筑物2在不同高度层亮 点连通区域内背景点权值和曲线

图12 权值和最大处的高程对应的目标建筑物2成像结果

5 结束语

本文利用圆迹SAR全方位观测的优势，提出了一种基于圆迹SAR数据的建筑物轮廓信息提取以及所处地面的高度估计的方法，这为一些人造目标(如坦克等目标)的精确重建提供了一种思路和方法，并进一步说明了圆迹SAR成像技术的应用价值。

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刘 燕： 女，1982年生，博士后，研究方向为圆迹SAR成像处理.

谭维贤： 男，1981年生，副研究员, 研究方向为雷达成像.

林 赟： 女，1983年生，助理研究员，研究方向为圆迹SAR成像处理.

洪 文： 女，1964年生，研究员，博士生导师，研究方向为SAR成像、极化SAR成像处理.

An Approach of the Outlines Extraction of Building Footprints from the Circular SAR Data

Liu Yan①②Tai Wei-xian①Lin Yun①Hong Wen①

①(National Key Laboratory of Science and Technology on Microwave Imaging, Institute of Electronics, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100190, China)

②(Air Force Equipment Research Institute, Beijing 100085, China)

Take the advantage of all-directional observation of circular SAR, an approach of the outlines extraction of building footprints from the circular SAR data is presented, while the approach can also be used for estimating the ground altitude around the building. The proposed approach is as follows: firstly, the rough altitude of the ground around the building is estimated by radargrammetric Digital Elevation Model (DEM) extraction, secondly, image planes are set in certain range where the estimated altitude is in the middle, and circular SAR image of the building is obtained on each image plane. Finally, one image is selected where a closed polygon frame is formed by the double bounce scattering bright lines from the building, and the outlines of building footprints are extracted from the image, while the altitude corresponding to the imaging plane is defined as the altitude of the ground around the target building. The proposed method is validated by the circular SAR data processing by the experimental SAR airborne system at P bands.

Circular SAR; Outlines of building; Information extraction; Double bounce scattering

TN957.52

： A

：1009-5896(2015)04-0946-07

10.11999/JEIT140717

2014-05-27收到，2014-08-25改回

国家自然科学基金青年基金(61201404)和国家自然科学基金面上项目(61372186)资助课题

*通信作者：刘燕 liuyan_1028@163.com