《测绘学报》
构建与学术的桥梁 拉近与权威的距离
稀少控制的多平台星载SAR联合几何定标方法
吕冠南1,2, 唐新明2
1. 山东科技大学测绘科学与工程学院, 山东 青岛 266590; 2. 国家测绘地理信息局卫星测绘应用中心, 北京 100048
收稿日期：2017-06-01；修回日期：2018-01-21
基金项目：国家重点研发计划（2017YFB0502700）；国家自然科学基金（41401529）；国家民用航天计划（D010102）；国家基础测绘科技计划（2018KJ0204；2018KJ0304）
第一作者简介：吕冠南(1991-), 男, 硕士生, 研究方向为海洋地理信息系统与星载SAR几何定标技术。E-mail: lvgn@foxmail.com
通信作者：唐新明, E-mail：tangxinming99@qq.com
摘要：几何定标采用地面控制点获取距离-多普勒模型中的精确几何参数，用于完成星载SAR影像高精度几何定位。但在广域范围内，特别是高山地区域，控制点极难获取。此外，传统定标方法仅面向单一平台SAR影像，尚不能实现多平台影像的联合几何定标。针对上述问题，本文提出一种基于稀少控制的多平台星载SAR联合几何定标方法。该方法从包含实测控制点的主影像出发，使用点位追踪算法获取主影像与从影像之间的连接点，并以连接点为桥梁逐级完成从影像的几何定标。本文采用京津冀地区南北向分布共计235 km的3景TerraSAR-X、3景TanDEM-X、5景高分三号影像进行联合几何定标试验，仅使用5个控制点即完成了所有影像的几何定标，并利用SF-3050星站差分GNSS接收机采集实测GPS点进行精度评价。结果表明使用稀少控制点定标后的TSX/TDX影像的几何定位精度优于3 m，GF-3影像的几何定位精度优于7.5 m，验证了该方法的有效性和正确性。
Hybrid Geometric Calibration Method for Multi-platform Spaceborne SAR Image with Sparse GCPs
LÜ Guannan1,2, TANG Xinming2, AI Bo1, LI Tao2, CHEN Qianfu2
Abstract: Geometric calibration is able to provide high-accuracy geometric coordinates of spaceborne SAR image through accurate geometric parameters in the Range-Doppler model by ground control points (GCPs).However, it is very difficult to obtain GCPs that covering large-scale areas, especially in the mountainous regions.In addition, the traditional calibration method is only used for single platform SAR images and can't support the hybrid geometric calibration for multi-platform images.To solve the above problems, a hybrid geometric calibration method for multi-platform spaceborne SAR images with sparse GCPs is proposed in this paper.First, we calibrate the master image that contains GCPs.Secondly, the point tracking algorithm is used to obtain the tie points (TPs) between the master and slave images.Finally, we calibrate the slave images using TPs as the control points.We take the Beijing-Tianjin-Hebei region as an example to study SAR image hybrid geometric calibration method using 3 TerraSAR-X images, 3 TanDEM-X images and 5 GF-3 images covering more than 235 kilometers in the north-south direction.Geometric calibration of all images is completed using only 5 GCPs.The GPS data extracted from GNSS receiver are used to assess the plane accuracy after calibration.The results after geometric calibration with sparse GCPs show that the geometric positioning accuracy is 3 m for TSX/TDX images and 7.5 m for GF-3 images.
Key words: SAR image geometric calibration R-D model multi-platform GF-3
合成孔径雷达(synthetic aperture radar，SAR)具有高精度几何定位能力。然而，由于卫星轨道参数和成像参数等存在测量误差，制约着SAR影像的几何定位精度。几何定标技术是实现SAR影像高精度定位的关键，也是提升SAR系统在无控制点情况下几何定位精度的主要途径之一。
国外对几何定标的研究已经比较成熟。ERS发射后，欧盟成立相关部门利用地面检校场对ERS影像进行几何定标处理，最终达到20 m单景无控几何定位精度[1]。意大利的COSMO-SKYMED利用检校场进行几何定标后，可实现无控条件下15 m的几何定位精度。日本ALOS卫星上的PALSAR载荷经地面几何定标后，条带模式的几何定位精度为9.7 m，扫描模式的几何定位精度为70 m[2]。Radarsat-2利用角反射器进行几何定标后，距离向定位精度为5.68 m，方位向为0.85 m[3]。德国利用角反射器完成了TerraSAR系列卫星的高精度几何定标，可实现厘米级定位精度[4-6]。其中TerraSAR-X是当前在轨运行分辨率最高的一颗民用卫星，文献[7-8]总结了TerraSAR-X的几何定标精度，方位向为0.5 m，距离向为0.3 m。我国最早的民用SAR卫星是HJ-1C，由于卫星很快发生了故障，所以其几何定位精度的研究较少。高分三号发射之后，文献[9-10]总结了其定位误差，并验证了定标后的高分三号系统级几何定位精度可达到3 m左右。
在SAR影像几何定位中，几何定位模型是实现高精度定位的关键和核心问题[11]。SAR定位模型主要包括距离-多普勒(range-Doppler，R-D)模型[12]、Leberl雷达共线模型[13]、Konecny投影模型[14]、有理多项式模型[15]和距离-共面模型[16]等。其中，R-D模型对于SAR成像几何的描述最为直观和准确，是目前应用最为广泛的模型[17]。由于存在测量误差，导致使用R-D模型反算得到的地物点坐标与真实地物点之间仍存在偏差。解决方法一般利用数据较多、良好分布的地面控制点来精确轨道参数和成像参数，进而提高影像的几何定位精度。但在广域范围内，特别是高山地区域，控制点往往极难获取。传统几何定标方法通常基于单景影像进行误差参数标定，然后利用参数改正量标定同平台下的其他影像。但由于平台间性能差异，不同平台下SAR影像的定标参数改正量也不尽相同，因此传统方法无法实现多平台下SAR影像的几何定标。
基于上述分析，使用尽可能少的控制点实现多景、多平台影像的几何定标是本文研究的重点，为此本文提出了一种稀少控制的多平台星载SAR联合几何定标方法。首先选取SAR主影像，并基于稀少控制点对该影像进行几何定标，然后利用主影像与从影像之间的连接点逐级传递标定其他SAR影像。该方法突破传统几何定标方法只能标定单一平台SAR影像的限制，可同时实现多平台下星载SAR影像的几何定标。通过对3景TerraSAR-X、3景TanDEM-X、5景高分三号影像进行联合定标，并利用SF-3050星站差分GNSS接收机实测地面GPS点进行精度评价，验证了本文方法的有效性和正确性。
1 稀少控制的多平台星载SAR联合几何定标
本文方法主要体现了传递式几何定标的思想，其流程如图 1所示。首先，选定包含实测控制点的SAR影像(主影像)，基于R-D模型使用非线性最小二乘原理对模型参数进行精细化估计，确定定标参数改正量，完成主影像的几何定标；然后，使用几何参数计算与主影像具有重叠区域的邻接影像(从影像)，利用点位追踪算法提取主、从影像连接点，并使用定标后主影像和SRTM DEM解算连接点的大地坐标；最后，基于连接点完成从影像的几何定标。
1.1 星载SAR几何定标
R-D模型作为目前SAR几何处理主流的定位模型，是一种符合SAR成像机理的严密模型，描述了卫星传感器与地物点在地心坐标系下的几何关系[18]。R-D模型是由距离方程式(1)、多普勒方程式(2)和地球椭球方程式(3)组成的非线性方程组[19]。
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