SAR图像模拟仿真优化建议

国内外学者在基于SAR后向散射特性建筑物高度提取方面已经展开了理论模型和方法的研究。Franceschetti等(2002)建立了城市建筑物几何及电磁特征模型，用于研究不同散射成分在总体后向散射中的贡献，同时探讨了成像场景参数特别是几何参数对建筑物散射特性的影响，并针对不同的应用目标为SAR成像参数的选取提出了指导性建议。Dong等(2001)利用定量物理模型对建筑物在SAR影像中3种基本的散射机制进行了分析，比较了各种散射机制对总体后向散射相对贡献的大小，并利用AIRSAR机载数据进行了验证。Brunner等(2008)通过对建筑物模拟SAR影像和真实影像进行了比较和研究，通过迭代计算建筑物高度。

城区典型建筑物的雷达后向散射机制按照其传播路径的不同，可划分为一次散射、二次散射和三次散射3种。二次散射(double-bounce)是指先入射到墙体再由墙面反射到地面，再由地面反射回接收机。所有的二次散射回波能量都会在墙体与地面形成的二面角的底部位置发生汇聚和叠加，产生非常强的回波信号，在SAR影像中主要表现为极亮的条带。很多情况下建筑物的雷达散射截面(RCS)主要贡献来自各种二次散射。这种现象在建筑物密集分布的城市区域尤为普遍，也是本节研究的重点。

Franceschetti等(2002)对城区环境电磁场模型中的典型建筑物的二次散射机理进行了全面深入的分析，提出了采用几何光学和Kirchhoff或物理光学近似求解的理论。根据文献，二次散射的强度为：

(5.1-13)

式中，R表为介质的菲涅耳反射系数；A是二面角的面积；L是入射建筑物墙面的边长；k0为波数；θ为雷达波的入射角；φ为建筑物方位角，定义为电磁波入射面与雷达方位向之间的夹角。

图5.8(a)是平顶房屋模拟图，其中入射角为45°，分辨率为1m，X波段，房子长宽高分别为50m、30m、14m 。图5.8(b)设置图像长宽高分别为80m、30m、25m，屋顶高度为10m。从图5.8中可以看出，模拟影像基本上符合理想散射模型SAR影像特征。(www.xing528.com)

在真实SAR影像中，未受损伤的建筑物其物理散射特性往往是规则的、有规律的，基本上符合图5.6、图5.7的物理散射模型。如果建筑物受到毁伤，或是完全倒塌，这时建筑物在对应的VHR SAR里面主要体现为漫反射。本章节以灾后SAR图像以及其对照的光学影像，定性地分析对比建筑物的物理散射特性。

图5.9为山西朔州市某一区域的遥感影像。其中图5.9(a)为Spots5光学影像，图5.9(b)为Cosmo -SkyMed VHR SAR右视影像。两幅影像分辨率均为2.5 m。其中图5.9(b)中A、B、C分别对应的为建筑物的叠掩、二次散射、阴影。

图5.8　模拟仿真SAR图像

图5.9　光学图像与SAR图像同一地区对照图

图5.10(a)、图5.10(b)为截取汶川地震时SAR 影像与光学影像图,其中光学影像为IKONOS 传感器数据,分辨率为1m。SAR影像为TerraSAR X影像,分辨率为1.25m,左视。图5.10(c)、图5.10(d)为图5.10(a)、图5.10(b)所示的A区域。从图5(d)中的光学影像可以看出，该区域的建筑受到的损毁非常严重，建筑已经完全倒塌，从图5.10(c)可以看出损毁建筑物在SAR图像上主要体现为一种漫散射，而非图5.10(d)所显示的一种规则的物理散射。图5.10(e)、图5.10(f)为图5.10(a)、图5.10(b)所示的B区域。从图5.10(e)以及图5.10(f)可以看出，地震中未倒塌的建筑物对应的SAR图像是一种规则的物理散射结构。