PIE极化SAR处理模块
    来源:航天宏图  时间:2017/09/07

    1 引言

        合成孔径雷达(SAR)作为一种工作在微波谱段的主动遥感技术,不仅具有全天时、全天候的工作能力,对地物还具有一定的穿透能力,在水利、海洋、地质、城市、农业、林业、减灾等行业有着十分广泛的应用,已成为当前对地观测领域最重要的前沿技术之一。

        随着SAR成像系统的发展,SAR数据获取方式日臻多样化,逐步由单极化SAR发展到多极化SAR。目前,日本的ALOS PalSAR、加拿大的Radarsat-2、德国的TerraSAR-X以及国内的GF-3系统都具有全极化工作方式。与单极化SAR相比,极化SAR在目标识别、地物分类、地物参数反演等方面研究具有很大改善,大大提高了雷达遥感解决各行业应用问题的能力。

        针对极化SAR数据日益增长的处理分析需求,北京航天宏图信息技术股份有限公司(简称“航天宏图”)自主研发的国产遥感图像处理软件PIE(Pixel Information Expert)极化SAR处理模块为广大遥感用户提供了极化SAR数据处理与应用分析工具。

    2 极化SAR数据处理

        极化SAR分类是极化SAR影像解译的关键技术之一,下文以极化SAR分类为例,对极化SAR数据处理的一般流程进行描述,主要包括极化数据导入、极化定标、处理分析(极化基变换/极化合成、极化多视、极化矩阵转换)、极化滤波、极化分解、极化分类。需要说明的是,适用于常规SAR数据处理的辐射定标、复数转强度、斜地距转换、地理编码等基本处理同样适用于极化SAR数据的基本处理。


    图1  极化SAR分类技术流程


    2.1极化数据导入

        不同的传感器都有自己的数据格式,要进行极化SAR数据处理,首先需将极化SAR数据导入成极化SAR处理模块标准数据格式。极化SAR处理模块支持Radarsat-2、TerraSAR-X、ALOS PalSAR等极化SAR数据的导入。

    2.2极化定标

        极化定标是极化SAR数据用于图像解译和定量参数反演的关键步骤。极化SAR数据必须进行极化定标,确保水平极化波和垂直极化波之间或入射角与散射波之间的相干性,才能真实反映地物目标的散射特性。对于极化SAR,除了常规SAR需要测量的定标参数,还需要测量极化通道串扰,极化通道之间的不平衡度和不同极化通道之间的相对相位关系等,对于星载SAR系统还要考虑由法拉第旋转效应引入的极化矢量偏移影响。具有代表性的经典算法包括同时采用电磁波传输互易性和方位向对称两种假设的Quegan算法以及仅采用互易性假设的Ainsworth算法。

    2.3极化基变换/极化合成

        目标在极化域中的特性差异构成了极化信息处理的基础,极化基变换/极化合成是极化SAR图像处理的一种重要方法。通过极化基变换,可以将一组极化基下的目标响应变换到任意其他基下的极化响应,使得在原极化域里不好处理的问题,在变换后的新极化域里处理起来比较容易。极化合成可以利用已获得的极化散射矩阵重新生成任意极化方式下的雷达接收功率图像,即已知目标的极化散射特性,就可以通过极化合成技术获得任意极化状态下的接收功率,并能通过选取收发天线极化状态相同或正交,分别得到描述目标散射特性的共极化特征图和交叉极化特征图。

    2.4极化多视

        为提高图像的视觉效果,同时提高对每个像元后向散射的估计精度,需要对极化SAR数据进行多视处理,即对目标的多个独立样本进行平均叠加。多视处理一方面使影像几何特征更接近地面实际情况,另一方面也在一定程度上降低了斑点噪声(在降低噪声的同时降低了空间分辨率)。

    2.5极化矩阵转换

        极化散射矩阵([S])只能够描述所谓的相干或纯散射体,对于所谓的分布式散射体,为了减少斑点噪声的影响,通常采用二阶描述子进行描述,将极化散射矩阵([S])转换为极化协方差矩阵([C3]/[C4])或极化相干矩阵([T3]/[T4])。

    2.6极化滤波

        极化SAR相干斑的存在严重降低了其影像质量,进而影响了后续信息提取与地物解译的精度。极化信息不仅包括各通道的功率信息,还包括其通道间的相对相位信息。对于全极化SAR数据,相干斑滤波不仅要分别考虑4个通道(HH、HV、VH、VV)的滤波,还要考虑4个通道之间的相关性。极化SAR滤波方法主要包括极化Boxcar滤波、极化高斯滤波、极化白化滤波、极化Lee滤波等,其中极化Lee滤波是目前研究与应用的经典滤波器。

    2.7极化分解

        极化分解可以分离地物不同散射机制引起的极化特征,是提取目标极化散射特性的一种有效手段,有助于利用极化散射矩阵揭示散射体的物理机理,促进对极化信息的充分利用。极化分解包括基于散射矩阵的相干目标极化分解和基于二阶矩(极化协方差矩阵或极化相干矩阵)的非相干目标极化分解。其中,相干目标极化分解包括Pauli分解、Krogager分解、Cameron分解等;非相干目标极化分解包括H/A/alpha分解、Freeman-Durden分解、Yamaguchi分解以及Van Zyl分解等。

    2.8极化分类

        早期,极化SAR影像分类以其统计特征为基础,其中最为经典的是Lee等1994年提出多视条件下基于Wishart分布的极大似然分类器。之后,以极化分解所得到的目标散射特征被用于极化SAR影像目标分类与识别,其中以H/alpha分类和H/A/alpha分类最为著名。由于仅基于物理散射机制进行分类,分类结果缺乏细节,因此,近年来最常采用将统计特性和散射机制相结合的分类方法,如H/alpha-Wishart分类和H/A/alpha-Wishart分类。



    图2  极化SAR分类结果


    3 极化SAR行业应用

    3.1极化SAR水利应用

        极化SAR数据可用于水资源评价和管理,实现水体提取、水域分类、水体范围动态监测,快速、客观、准确地反映地表水资源状况及其变化特征。通过分析水库、大坝、水闸、泵站、堤防、渠道等水利对象在雷达影像上的表征可进行水利工程监测,利用不同时期极化SAR影像,提取相关重要水利工程损毁前后变化信息,可对重要水利工程损毁情况进行监测。

    3.2极化SAR海洋应用

        利用极化SAR数据可以对海上大型移动目标、中小型移动目标、固定点目标和固定分布目标进行识别,如船舰目标检测、溢油检测、海上浮筏养殖信息提取等。同时,极化SAR数据还可用于海浪谱反演、海面风场反演、海洋内波检测、海洋中尺度涡检测、海岸线提取等。

    3.3极化SAR地质应用

        SAR侧视成像对地表几何形态较敏感,从雷达影像的色调、阴影,特别是中等和宏观纹理的分析中,结合雷达波束的方向和俯角等参数,不仅可以得到地势、地貌的信息,还能直观地分析地质构造,揭示构造现象。利用岩石的表面粗糙度、风化特点和地貌形态,可以在雷达图像上识别和分析岩石类型。

    3.4极化SAR城市应用

        极化SAR影像上的城区特征表现较为明显,纹理特征丰富稳定,利用极化SAR相关系数、纹理特征、极化方位角等可对城区目标进行识别。利用不同时相极化SAR影像之间的差异信息,可以对城区进行变化检测。此外,利用极化SAR影像的成像几何结构与不同散射区域之间的空间位置关系,还可以提取建筑物高度。

    3.5极化SAR农业应用

        极化SAR数据后向散射系数对农作物的敏感性较高,利用极化SAR数据不仅可以精确地获取农作物的分布信息,还可以对农作物的生长状况进行动态监测。通过建立雷达后向散射系数与作物生长结构的关系模型,可对作物生长参数进行反演,从而预估农作物的产量。在低频波段雷达的后向散射系数对土壤含水量非常敏感,通过分析极化SAR数据对土壤含水量、地表粗糙度的敏感程度,建立雷达后向散射系数与土壤含水量关系模型,可对土壤含水量进行监测。

    3.6极化SAR林业应用

        利用极化SAR数据可以高效地绘制森林分类图和林相图、勾画伐木道路、分清已伐和未伐地带,为林业区划提供依据。雷达后向散射系数对森林生物量的变化反应敏感,可用于森林蓄积量和生物量估算研究。利用极化SAR数据还可以进行森林植被异常信息提取、森林植被损失监测和森林植被损失评估,有效检测和监测由于森林火灾和森林砍伐导致的土地覆盖变化。极化SAR数据还可用于湿地资源监测,通过分析湿地地物极化散射特征,可进行湿地地物分类,提取湿地中的滩地、沼泽、灌丛和高地。同时,极化SAR数据还可用于估算湿地植被生物量。

    3.7极化SAR减灾应用

        极化SAR数据可用于洪涝灾害监测与评估、滑坡泥石流监测、雪灾监测及融雪性洪水预报、旱灾监测与评估以及城镇建筑震害探测与评估等。通过识别不同洪涝类型的灾害水体,可自动提取洪涝淹没范围;利用变化检测方法可提取灾害发生区域,快速获取水体周边滑坡体数量与规模,评估受灾程度;利用极化SAR数据不仅可以进行雪灾面积监测、雪盖制图,还可以进行积雪密度和深度反演,完善融雪径流预报模型,从而提高估算融雪径流预报的精度;通过监测土壤含水量和地表蒸散量,可进行旱情监测,制作旱情等级分布图;通过挖掘极化散射信息与倒房的关系,建立模型,可计算地震灾区倒房率,为地震灾区房屋倒损精细评估提供依据。

    4 PIE极化SAR处理模块后续研发方向

        为进一步拓展PIE极化SAR处理模块在各行业中的应用,PIE极化SAR处理模块将结合行业应用,研发相关的行业应用模块,增添极化SAR变化检测工具以及极化SAR地表参数反演工具。

        同时,随着SAR成像系统的进一步发展及其应用需求的进一步推动,极化干涉SAR、多基线干涉SAR、多基线极化干涉SAR等多维度SAR数据将逐步可以获取。针对多维度SAR数据处理,PIE极化SAR处理模块将陆续增添极化干涉SAR数据处理与应用工具、多基线干涉SAR数据处理与应用工具以及多基线极化干涉SAR数据处理与应用工具。