基于干涉相位圖像構建數(shù)字高程模型的關鍵技術研究.pdf

1、數(shù)字高程數(shù)據(jù)獲取是戰(zhàn)場地形構建，地形模擬的基礎，高精度的數(shù)字高程數(shù)據(jù)對于戰(zhàn)略規(guī)劃，飛行器導航發(fā)揮著極其重要的作用。隨著干涉測量技術的發(fā)展，運用干涉相位圖像進行數(shù)字高程的恢復由于其高精度和時效性而受到廣泛的應用。但是通過測量設備獲取的數(shù)據(jù)進行干涉得到的相位圖像通常會受到噪聲的干擾，而且其觀察值為真實值的模2?值，因此研究如何由干涉相位觀察值生成實際需要的數(shù)字高程數(shù)據(jù)具有重要的意義。
　　本論文研究的主要目的是基于單視復數(shù)圖像所生成的

2、干涉相位圖像進行相位圖像的降噪，降噪結果的解纏以及獲取數(shù)字高程數(shù)據(jù)，為軍事應用中的虛擬戰(zhàn)場環(huán)境構建準備數(shù)據(jù)條件。對于相位圖像降噪問題，論文研究了基于復數(shù)域稀疏編碼的相位圖像降噪算法，包括基于自適應窗口的傅里葉基降噪算法和基于自適應數(shù)據(jù)詞典的降噪算法。對于相位解纏問題，本文將其描述為馬爾科夫隨機場求解問題，比較并分析了求解算法對于該問題的適用性。在論文最后，基于合成孔徑雷達所獲取的真實干涉相位圖像，研究了大規(guī)模圖像的分塊與拼合運算，并且分

3、析幾何關系得到了數(shù)字高程數(shù)據(jù)?？偨Y起來，論文的創(chuàng)新點主要包括以下幾點：
　　一．研究了數(shù)字高程數(shù)據(jù)測量系統(tǒng)原理，分析了相位圖像獲取過程中的噪聲來源。對噪聲影響進行建模，提出了簡化的高斯白噪聲模型和更加符合實際的InSAR（Interferometric Synthetic Aperture Radar）噪聲模型，并且分析了兩者之間的關系。提出了干涉相位圖像降噪結果以及解纏效果的衡量標準，以用于后面的定量分析比較中。提出一種簡單的基

4、于局部多項式近似的快速降噪算法——FLPA（Fast Local Polynomial Approximation）算法，該算法的主要創(chuàng)新為其快速性，并且其精髓是圖像塊的稀疏表示，為后面干涉相位圖像的降噪算法的深入研究具有一定的指導作用。
　　二．基于二維復數(shù)域的傅里葉變換，提出了一種自適應窗口大小選擇算法，并將該算法應用于相位圖像降噪問題以在保留細節(jié)的基礎上盡可能地降低圖像中噪聲，提出了SAWFT(Spatial Adaptiv

5、e Windowed Fourier Transform)算法。該算法以二維的能量集中性準則為依據(jù)，對每個待降噪像素點選取具有最高能量集中性的窗口大小，通過分解系數(shù)的硬截斷方法獲取該窗口中相位圖像的稀疏編碼，最后將表示基和編碼合成降噪后的相位圖像。該算法能夠根據(jù)相位圖像的特點和噪聲水平自適應地選擇表示窗口的大小，對于變化劇烈區(qū)域或者非連續(xù)區(qū)域，算法選擇較小的窗口進行分解和還原，可以最大限度地保持原圖像中的細節(jié)信息；對于平緩區(qū)域，算法能夠

6、自適應地選取較大的窗口，從而更大程度抑制相位圖像中的噪聲。最終的實驗結果印證了該算法的有效性。
　　三．提出一種復數(shù)域稀疏詞典訓練方法和稀疏編碼的快速算法，并將該算法應用于相位圖像的降噪中。該算法首先將待降噪的相位圖像分解為互相重疊的圖像塊，根據(jù)這些圖像塊訓練得到自適應的數(shù)據(jù)詞典。論文將這種基于訓練詞典的相位圖像降噪算法稱為SpInPHASE(Sparse coding based Interferometric PHASE es

7、timation)算法，該算法訓練得到的表示基（數(shù)據(jù)詞典）能夠反映待降噪圖像中的細節(jié)特征，并且具有較少的噪聲?；谠撚柧毣鶎υ紙D像塊進行稀疏編碼能夠濾除噪聲的影響。并且通過理論分析得到算法對噪聲的抑制程度與表示的稀疏度成正比，即表示越稀疏，對噪聲的濾除作用越大。在SpInPHASE算法的實驗部分得出，算法能夠獲得比較高的降噪峰值信噪比，并且從視覺角度上能夠保留非連續(xù)區(qū)域的特征。
　　四．分析了相位采樣率和噪聲對相位解纏的影響，運

8、用概率模型對相位解纏問題進行建模，將相位解纏轉化為馬爾科夫隨機場最優(yōu)化問題。對馬爾科夫隨機場最優(yōu)化問題求解算法進行研究學習并且應用于相位解纏問題。比較了各種馬爾科夫隨機場最優(yōu)化算法對于相位解纏的適用范圍，得出了一系列結論，包括（1）如果相位曲面為具有少量噪聲的連續(xù)曲面，多標注最優(yōu)化算法相對于二標注算法消耗更短的時間；（2）對于含有大量噪聲的非連續(xù)曲面，PUMA(Phase Unwrapping via Max Flows)算法和QPBO

9、I(Improved Quadratic Pseudo-Boolean)算法能夠獲得比其他算法更優(yōu)的結果；（3）當相位曲面連續(xù)時，凸互勢函數(shù)和非凸互勢函數(shù)都可以用于相位解纏，但是首選凸互勢函數(shù)，因為其目標函數(shù)是凸的，而對于非連續(xù)相位曲面，非凸互勢函數(shù)能夠更好地保留相位曲面中的非連續(xù)區(qū)域。除此之外還研究了對于相位解纏問題中的標注設置問題的影響，通過設置馬爾科夫隨機場中合適的一元項參數(shù)來保證算法得到最優(yōu)的目標函數(shù)值和解纏結果。
　　五

10、．基于歐空局公布的實際數(shù)據(jù)所獲取的干涉相位圖像，分析實現(xiàn)了數(shù)字高程數(shù)據(jù)的計算過程，包括對原始大規(guī)模相位圖像的分塊與降噪解纏結果的拼合算法設計以降低算法的時間復雜度和空間復雜度。通過分析得出了將大的圖像塊分割成小塊進行相位降噪和解纏運算能夠有效地降低總的時間復雜度。論文還研究了通過雷達衛(wèi)星參數(shù)獲取絕對相位與真實數(shù)字高程數(shù)據(jù)的幾何關系，并且根據(jù)地面控制點對最終的高程數(shù)據(jù)進行標定。根據(jù)像素點的經(jīng)緯度信息獲取不同像素點間的水平與垂直距離，并最終