优秀测绘工程毕业论文篇一
1绪论
1.1研究背景和意义
1998年，美国副总统戈尔提出“数字地球”发展战略，而后“数字地球”、“数字城市”等数字化建设在国内外如火如荼的展幵；随着中国经济的快速发展，人口向城市移动的趋势越加明显，城市化的步伐越来越快。城市高楼林立如雨后春算，建筑物的复杂多样性势必会给城市管理、城市规划、防灾减灾、资源持续利用等多方面带来前所未有的挑战，如何更好地管理和监测城市建筑物等其他人造目标是城市化进展的重要内容之一，同时也是评价区域建设、国民发展的重要标准之一。合成孔径雷达干涉测量（SAR interferometry，InSAR)技术利用单轨模式或双轨模式获取同一地面景观的三维信息及变化状况[4_5]。合成孔径雷达干涉测量能够全天时、全天候地获取地面景观大范围的信息，并在SAR图像中以复数信号的方式表现出来。随着雷达技术的不断发展，InSAR在数字高程模型重建、地形分析等方面扮演重要角色。充分利用InSAR技术能够实时高效地提供城市场景目标的结构信息,获取建筑物等其他人造目标的轮廓及高度信息，从而实现城市建筑物三维模型重构，为城市动态监测提供良好的数据支撑和决策支持。然而，由于地形起伏和方向的不连续导致传统干涉相位存在地形误差，最终导致反演的地形信息不精确[6_7]。合成孔径雷达极化测量(SARpolarimetry,PoISAR)技术对地物目标的形状、尺寸、方向等物理散射特性敏感，其不同极化通道综合反映目标散射特性，受到很多国家和学者的重视。近几年，极化合成孔径雷达干涉测量(Polarimetric interferometry SAR,PolInSAR)技术进一步推进了合成孔径雷达的发展，PolInSAR技术将InSAR技术和PolSAR技术结合在一起实现地物目标尤其是森林植被的几何物理信息的综合反演，该技术在城市建筑物目标三维模型重建中有着极大的应用潜能。特别是高分辨率雷达传感器的成功发射，如：加拿大空间局（CSA)发射的Radarsat-2、德国宇航局（DLR)发射的TerrasAR-X、意大利航天局（ASI)的COSMO-SkyMed等，为实现高分辨率城市建筑物模型重建提供切实可行的数据基础。
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1.2国内外研究现状
首先，利用SAR图像中建筑物成像特点（包括阴影、叠掩、强二面散射等）及多角度、多方位SAR数据，结合光学影像成像几何算法实现目标三维模型重构。王青松等分析了 SAR阴影和叠掩区域相位特点并提出此类区域相位恢复的方法，进而可以得到目标高度值。韩晓玲等[11]针对叠掩区域建立复信号模型并利用多基线InSAR数据实现高度提取。Thiele等[12]实现了基于多角度InSAR数据处理的建筑物轮廓提取。2005年，Soergel等[13]提出雷达数据与光学影像及GIS数据融合实现建筑物三维模型重建。2007年，徐丰等[14]提出利用多方位SAR数据恢复地物高度方法即AMMR法。戴尔燕[i5]等提出全极化SAR与多方向飞行数据结合的目标三维重构。然而，上述方法没有考虑分辨单元内多种散射体同时存在的问题，存在高度向模糊的现象。然后，SAR层析技术（SAR Tomograph, TomoSAR)提取目标三维信息。2002年，Berardino等依据SAR层析技术提出基于奇异值分解的建筑物高度提取方法。朱晓湘等人[17]在奇异值分解基础上引入谱估计算法实现高精度三维成像，并首次利用TerraSAR-X数据得到美国拉斯维加斯地区的建筑物三维模型。而后相继提出基于空间谱估计、压缩感知、RELAX算法等SAR层析技术实现建筑物高度重建。虽然SAR层析技术不存在高度向模糊的问题，但是他要求足够多的数据，同时也没有考虑散射体本身的散射特性。
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2散射模型及概述
2.1地物散射模型及极化表达
单次散射（Odd-bounce scattering)是指单次、三次等地物的奇数次散射过程，具体的可以理解是平坦地面、墙面或屋顶等相对平滑的面目标的一阶布拉格散射过程，用波数与表面高度的均方根乘积以及波数与目标相对长度乘积都小于0.3来界定该散射体的平滑程度，并且这里假设平坦地面、垂直墙面及屋顶不存在方位向倾斜。单次散射的散射模型相当于一阶布拉格散射体的散射，图2-1所示表示该散射模型的散射机制。偶次散射（Even-bounce scattering)又叫做二面角散射(Double-bounce scattering),往往与二面角结构（如：地面-墙面、树干-地面等）有很大的关联互相垂直的两个目标会形成偶次散射，具体的散射过程如图2-2所示，该散射模型简单易于理解，并且在雷达图像中有很明显的特征。体散射（Volume scattering)也可以理解成内部散射，在含有微粒或多个分支的介质中沿各个方向传播[57]。例如，树林冠层的散射是典型的体散射方式。图2-3以植被冠层为例子阐述了体散射模型的散射机制。从图中明显看出，植被冠层反射或折射的电磁波方向不确定，可以沿着任意方向。具体而言，这与传感器参数及植被种类、密度、生长时期等因素有关；当植被在生长旺盛的时期，枝繁叶茂的冠层顶部间隙很小甚至叶子间没有间隔表现出表面散射的性质。一般情况下认为植被冠层的散射属于体散射，需要结合实际具体问题具体分析。
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2.2 SAR影像建筑物成像特点
建筑物目标在雷达图像中有显著的特征，如：叠掩、阴影、强二次散射、多次散射等。由于建筑物结构、走向及外界环境的不同，SAR图像中建筑物的表现也不同，如：面对雷达飞行方向的面会有很强的二面散射，相反背离雷达飞行方向的面会产生阴影。本节利用简单建筑物模型和真实数据讨论建筑物在SAR图像中的成像特点，尤其是对高分辨率雷达数据中建筑物成像特点进行分析。由强度图明显看出建筑物表现出强散射特性，图2-6(a)中红色圈是建筑物区域，较其他地物而言建筑物后向散射强度大易于区分，特别是右下角孤立的建筑物受周边环境影响小在SAR图像中的轮廓较清晰；左下角的建筑物受到山体影响加上本身建筑结构复杂、地形起伏，散射强度不均勾；右上角是居民区，建筑物低矮并有很多植被覆盖，散射强度均勾成片分布。结合光学图和强度图我们发现屋顶与地面的散射强度出现相近的情况，原因可能是较大建筑物的屋顶与地面都是平整的结构而形成面散射，如果屋顶上不存在突起或其他装饰这种现象更加明显。干涉图(a)和相干图(b)与强度图(a)趋势一致，然而，具体分析单一建筑物（右下角建筑物）时发现同一建筑物的散射情况差别很大，不同目标可能有相似的散射特性。由光学图2-5 (右）可知图3(a')中红色圈是大型货车或可移动的存货箱，金属材质导致其在SAR图像中表现出很强的散射特性，容易错误判断成建筑物。图2-5 (右）中深蓝色矩形与图3(a’；)中深蓝色矩形对应，该建筑物屋顶光滑，同时受建筑物几何条件影响在SAR图像中表现出r型结构。图3(b')、（C’)中可以看出二面散射的相干性最好，但是，建筑物的物理特性、几何差别造成相同散射机制的相干性有较大差异，如图(b’)、(c')中黑色圈内建筑物的相干性明显好于右上方箭头所指建筑物的相干性。
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3基于极化方向角补偿的干涉相位分析 13
3.1极化方向角介绍 13
3.2极化方向角对干涉相位的补偿 17
3.3极化方向角对干涉相位的影响 2
3.4本章小节 25
4基于极化方向角补偿的PolInSAR模型分解 26
4.1常规PolInSAR三分量分解理论 26
4.2极化方向角补偿的PolInSAR模型分解 27
4.3极化方向角补偿对散射模型的作用 30
4.4常规与补偿的PolInSAR模型分解实验 32
4.5本章小节 38
5基于极化方向角补偿的建筑物模型重建 39
5.1方向角补偿的建筑物高度提取 39
5.2基于PolInSAR模型分解的建筑物三维重建 43
5.3本章小节 48
5基于极化方向角补偿的建筑物模型重建
5.1方向角补偿的建筑物高度提取
论文3、4部分叙述了基于极化方向角补偿的干涉测量及极化干涉SAR模型分解理论，并实验分析了极化方向角补偿对干涉相位、不同散射机制的散射强度和相位中心的作用，进而得出极化方向角补偿有助于我们获得准确的干涉相位且很好的实现PolInSAR三分量分解。结合上述理论，本章着力应用极化方向角补偿的干涉相位和散射相位中心实现建筑物高度提取，并且对两种高度获取方法进行对比，提出建筑物三维模型重建新方法。实验数据及对象如论文3.3.1所述，并且选择图3-6所示的四个剖面进行分析。如图5-2所示我们可以进一步得到建筑物整体的高度信息，图中（a)、（b)、(c)分别代表M极化状态、VV极化状态、极化状态获得的高度信息。观察图中建筑物不难发现建筑物的高度趋势一致，但是由于屋顶结构高低不同在图中表现出斑斑点点差异。同时可以发现w极化状态得到的结果优于极化状态的结果，可能是因为交叉极化状态对地物的细微结构很敏感而导致图（C)嘈杂。hh、W极化状态的结果丢失了屋顶的某些细节信息，并且不能够判断其散射类型，也无法区分同一散射单元内不同散射机制。
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总结
本论文主要研究了极化方向角补偿对常规雷达干涉测量及极化干涉SAR三分量分解的影响和意义，通过公式推导、实验分析及具体应用实现极化方向角补偿对极化干涉SAR数据的影响分析，具体的我们分析其对不同极化状态的干涉相位、不同散射机制的散射强度及散射相位中心的作用。主要的研究内容及创新如下：
(1)利用建筑物模型
