基于阴影恢复技术的SAR三维重建与目标检测方法研究

Targets' 3D information can be extracted from individual SAR images based on the shade-from-shading technique. There are problems of the existing methods, such as low- precision scattering model, low-precision DEM, sensitive to noises and lack of target detection method for shade-from-shading. Therefore, to study the precise scattering model, design the 3D reconstruction and detection methods can improve the performance of the shade-from-shading in the application of topographical mapping and image interpretation. The project is to study the precise scattering model, design the 3D reconstruction and detection methods. Firstly, the model of the pixel with the terrain slop, radar angle, scattering coefficient and noises is established. the parameter passing mechanism of height error is to be analyzed theoretically. Secondly, the extraction method of non-uniform scattering coefficient is to be proposed based on the shadow measurement. Then, three-dimensional reconstruction and elevation filtering methods are to be studied in the case of non-uniform scattering and low signal-to-noise-ratio. Finally, the target detection method based on the height correlation information is to be researched. The project is aim to improve the precision of SAR 3D reconstruction and the precision of the target dection based on shade-from-shading, and also helpful to promote new ideas of SAR data processing and development of SAR’s theories.

利用阴影恢复技术可通过单幅SAR图像的明暗变化重建目标三维信息。现有方法存在地物散射模型不够精确、高程反演精度低以及对噪声敏感等问题，同时缺少基于阴影恢复技术的目标检测方法。因此，探索精确地物散射模型，并针对性地设计三维重建和目标检测算法，可以提高其在地形测绘和图像解译中的应用效能。鉴于其重要意义，本项目围绕非均匀地物散射模型、高精度三维重建方法和目标检测方法展开研究。首先，建立像素灰度与地面坡度角、雷达视角、非均匀地物散射系数和噪声的高精度模型，从理论上分析各参数对测高误差的传递机理；其次，研究基于阴影测量的非均匀散射系数提取方法；再次，研究非均匀散射和低信噪比条件下的三维重建和高程滤波方法；最后，研究基于高度相关信息的目标检测方法。本项目的研究成果将提升基于阴影恢复技术的SAR三维重建精度和目标检测性能，同时有助于催生SAR数据处理的新思路和新方法，进而推动SAR数据处理理论的发展。

利用阴影恢复技术可通过单幅SAR图像的明暗变化重建目标三维信息，可以充分利用现有雷达系统获取的SAR二维图像提取地面的数字高程模型（DEM），为用户提供多维度的目标信息。该技术对数据源要求较为宽松，可大量节约成本，可广泛应用于空中侦察、地形测绘和态势感知等领域。现有方法存在地物散射模型不够精确、高程反演精度在植被覆盖区下降等问题，同时缺少基于高度信息的目标检测方法。因此，探索非均匀地物散射模型，并研究基于阴影恢复技术的高程提取和目标检测算法，可以提高其在地形测绘和图像解译中的应用效能。.课题组在国家自然基金委的资助下，开展了单幅SAR图像阴影散射理论、高程提取和目标检测等研究工作。主要形成研究结果如下：.(1)建立单幅SAR图像阴影与杂波散射模型，分别针对SAR 图像中的静止目标和运动目标，根据叠掩和阴影区域的几何关系，给出阴影与杂波的后向散射系数对比度和阴影杂波比的表达式，为基于阴影信息的目标检测技术提供理论模型的理论支撑；.(2)建立非均匀地物散射模型，提出基于阴影恢复技术的非均匀散射植被高度提取方法，根据对比度增强后的SAR图像，检测出阴影区域和长度，根据雷达波几何关系，提取特征点高度信息，再推算出整幅SAR图像的高度估计值，解决了传统方法在非均匀散射植被覆盖区高程提取精度下降的问题；.(3)提出基于高度相关信息的目标检测方法，对滤波后的高度图像进行二值化，并利用数学形态学处理，消除二值化图像中的孤立虚警点并连接断裂区域；再通过目标高度和几何尺寸等先验信息，完成目标筛选和检测，解决了传统检测方法没有利用目标高度维度信息的问题；.(4)依托本课题中SAR数据处理的研究成果，开发回波模拟与成像一体化仿真软件，具备SAR回波模拟、成像处理、数据压缩及性能评估等功能，可以用于验证SAR系统设计及信号处理的正确性。.本项目为认识单幅SAR图像中阴影与目标散射及高度信息相互作用这一科学命题提供新思路，为基于单幅SAR图像的目标检测与识别新方法和新理论奠定技术基础。