不同極化方式SAR與TM融合影像濱海濕地分類(lèi)精度比較

王霄鵬，張 杰，馬 毅，任廣波

（1.大連海事大學(xué) 信息科學(xué)技術(shù)學(xué)院，遼寧 大連 116026；2.青島大學(xué) 信息工程學(xué)院，山東 青島 266071；3.國(guó)家海洋局 第一海洋研究所，山東 青島 266061）

0 引言

隨著光學(xué)遙感技術(shù)與合成孔徑雷達(dá)（Synthetic Aperture Radar，SAR）對(duì)地觀測(cè)技術(shù)的快速發(fā)展，我們所獲得的同一個(gè)地區(qū)的光學(xué)影像和SAR影像越來(lái)越多。光學(xué)多光譜數(shù)據(jù)反映地表不同地物的反射光譜，含有豐富的光譜信息，但成像質(zhì)量容易受天氣狀況影響；而SAR影像反映了地表不同地物的后向散射強(qiáng)度信息，具有全天時(shí)、全天候等優(yōu)點(diǎn)，但缺乏光譜信息。因此，把光學(xué)多光譜影像和SAR影像的信息和特點(diǎn)綜合起來(lái)，進(jìn)行影像融合，實(shí)現(xiàn)優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，對(duì)遙感圖像解譯無(wú)疑是非常有益的。

目前，使用極化SAR影像進(jìn)行地物分類(lèi)，研究重點(diǎn)多集中在對(duì)極化SAR影像本身進(jìn)行分類(lèi)，或?qū)螛O化方式的SAR影像與光學(xué)影像融合結(jié)果進(jìn)行分類(lèi)。LEE et al［1］采用 Wishart最大似然估計(jì)法對(duì)極化SAR影像進(jìn)行了分類(lèi)研究。MICHELSON et al［2］采用最大似然法、SMAP和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法對(duì)Landsat TM和ERS－1SAR進(jìn)行分類(lèi)實(shí)驗(yàn)，并對(duì)其分類(lèi)結(jié)果進(jìn)行了評(píng)價(jià)。SHUPE et al［3］采用最大似然法和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)索諾蘭沙漠地區(qū)的Landsat TM和ERS－1SAR影像進(jìn)行了植被類(lèi)型和密度的分類(lèi)研究。ZHU et al［4］使 用 Landsat ETM＋ 和 ALOS PALSAR數(shù)據(jù)對(duì)波士頓地區(qū)的城區(qū)進(jìn)行了地物分類(lèi)研究。CUTLER et al［5］使用Landsat TM 和JERS－1 SAR融合影像評(píng)估了熱帶森林的生物量。倪心強(qiáng)等［6］使用AdaBoost算法對(duì)SAR影像進(jìn)行了自動(dòng)分類(lèi)研究。龔淑蕾 等［7］提出一種基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的混合方法對(duì)極化SAR圖像進(jìn)行分類(lèi)研究。賈永紅 等［8］利用4種典型的IHS變換將SAR與TM的3，4，5波段進(jìn)行了融合。韓震 等［9］利用ERS－2SAR和Landsat ETM＋數(shù)據(jù)融合對(duì)崇明島灘涂地表進(jìn)行了分類(lèi)。陳偉利 等［10］利用SVM對(duì)多光譜影像與SAR圖像融合地物進(jìn)行了分類(lèi)研究。付仲良 等［11］提出了一種基于灰度和紋理特征組合的SAR影像SVM分類(lèi)方法，對(duì)單波段、單極化的ENVISAT ASAR影像進(jìn)行了分類(lèi)。王安琪 等［12］分析了多時(shí)相ENVISAT ASAR不同極化下洪河濕地保護(hù)區(qū)不同地物植被類(lèi)型的散射特性，并使用HH極化方式SAR影像與TM影像的融合結(jié)果輔助決策樹(shù)的方法進(jìn)行地物分類(lèi)。然而，目前對(duì)同時(shí)相、不同極化方式（HH，HV，VH和VV 4種極化方式）SAR影像與光學(xué)影像融合結(jié)果在濱海濕地地物分類(lèi)能力進(jìn)行比較分析的研究還比較少。

支持向量機(jī)（Support Vector Machines，SVM）［13］是近年來(lái)應(yīng)用較廣的遙感分類(lèi)方法，該方法在收斂性、訓(xùn)練速度和分類(lèi)精度等方面具有較高的效率 因此本文采用SVM算法對(duì)不同極化方式的SAR影像與TM影像的融合結(jié)果進(jìn)行濱海濕地典型地物土地覆蓋類(lèi)型分類(lèi)，并對(duì)分類(lèi)結(jié)果進(jìn)行比較評(píng)價(jià)。流程如下：首先利用IHS算法對(duì)濾噪后的SAR影像與光學(xué)影像進(jìn)行融合，然后使用SVM算法對(duì)融合影像進(jìn)行自動(dòng)分類(lèi)，最后對(duì)分類(lèi)結(jié)果進(jìn)行分類(lèi)精度比較評(píng)價(jià)。

1 數(shù)據(jù)與方法

1.1 影像數(shù)據(jù)

本文所使用的影像覆蓋區(qū)域?yàn)樯綎|黃河三角洲國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)南部區(qū)域，SAR影像選用Radarsat－2衛(wèi)星全極化精細(xì)模式SAR影像，空間分辨率為8m，成像時(shí)間為2009年7月；光學(xué)影像為L(zhǎng)andsat－5衛(wèi)星TM影像，空間分辨率為30m，成像時(shí)間為2008年7月。兩景影像成像清晰，層次豐富，無(wú)云霧遮擋，且包含地物相同，可用于融合分類(lèi)研究。選取原始影像中自然保護(hù)區(qū)大汶流站附近區(qū)域?yàn)I海濕地為實(shí)驗(yàn)區(qū)域，TM影像重采樣后的圖像大小與SAR影像相同，均為800×800像素（圖1a和圖1b）。

圖1 影像數(shù)據(jù)Fig.1 Image data

1.2 現(xiàn)場(chǎng)踏勘

黃河口濕地地物豐富，包含有天然濕地和人工濕地，其中天然濕地包括蘆葦、翅堿蓬、檉柳等植被，人工濕地包括養(yǎng)殖水面、水庫(kù)和坑塘。為了準(zhǔn)確評(píng)價(jià)試驗(yàn)區(qū)域的地物分類(lèi)精度，需要得到圖像覆蓋區(qū)域的地物解譯圖像。為此，本文作者所在課題組于2008年6月和2012年9月兩次赴該區(qū)域開(kāi)展現(xiàn)場(chǎng)踏勘，采用典型樣區(qū)和路線記錄的方法采集現(xiàn)場(chǎng)地物類(lèi)型，積累了詳實(shí)的地物解譯資料（圖1c）。

1.3 多極化SAR與TM影像融合分類(lèi)精度評(píng)價(jià)

本文所進(jìn)行的多極化SAR與TM影像融合分類(lèi)精度評(píng)價(jià)工作總體思路如下：用于融合的高分辨率數(shù)據(jù)為SAR影像，多光譜數(shù)據(jù)為T(mén)M影像。首先對(duì)TM與SAR影像進(jìn)行預(yù)處理（對(duì)TM影像進(jìn)行重采樣，對(duì)SAR影像進(jìn)行幾何精校正與空間配準(zhǔn)）；使用小波算法對(duì)SAR影像進(jìn)行低通濾噪，將濾噪后的SAR影像和TM影像進(jìn)行IHS變換融合，合成為融合影像；最后使用SVM算法對(duì)融合影像進(jìn)行地物分類(lèi)，并基于分類(lèi)結(jié)果開(kāi)展融合影像分類(lèi)精度比較評(píng)價(jià)。處理流程如圖2所示：

圖2 精度評(píng)價(jià)工作處理流程圖Fig.2 Flow chart of accuracy assessment

1.3.1 數(shù)據(jù)預(yù)處理

采用三次褶積法對(duì)較低空間分辨率的TM影像進(jìn)行重采樣，插值獲得與SAR影像相同的空間分辨率；基于地面控制點(diǎn)，采用多項(xiàng)式變換模型對(duì)SAR影像進(jìn)行幾何校正；經(jīng)過(guò)幾何精校正的SAR影像與光學(xué)影像通過(guò)控制點(diǎn)實(shí)現(xiàn)互相配準(zhǔn)，誤差控制在0.5個(gè)像元之內(nèi)。

1.3.2 SAR影像濾噪

由于SAR影像中含有較明顯的斑點(diǎn)噪聲，因此必須對(duì)SAR影像進(jìn)行濾噪處理。本文采用Mallat二維塔式快速小波變換［15］進(jìn)行SAR影像低通濾噪，以濾除影像中的斑點(diǎn)噪聲。對(duì)原始SAR影像進(jìn)行多層小波低通濾噪實(shí)驗(yàn)，經(jīng)目視解譯和定量分析，發(fā)現(xiàn)2層小波低通濾噪可滿足本文對(duì)SAR影像的處理要求，因此選用2層小波低通濾噪作為本文的SAR影像濾噪方法。

1.3.3 IHS圖像融合

使用直方圖匹配后的不同極化方式的SAR影像代替TM影像經(jīng)IHS變換［8］后的I分量，與H、S分量組合后進(jìn)行IHS反變換，得到融合影像（圖3）。該融合影像包含了TM影像的光譜信息和SAR影像的空間細(xì)節(jié)信息。IHS變換融合過(guò)程分為以下4步：

圖3 不同極化方式的SAR影像與TM影像融合結(jié)果Fig.3 Fused images of different－polarization SAR and TM images

（1）選取TM 多光譜影像的4、3、2波段構(gòu)成RGB分量組成假彩色圖像。

（2）將TM假彩色圖像進(jìn)行IHS變換，變換后得到I、H和S三個(gè)分量。

（3）將SAR高分辨率圖像與I分量進(jìn)行直方圖匹配，得到I’。

（4）將I’、H和S進(jìn)行IHS逆變換到RGB空間，生成融合圖像。

1.3.4 SVM 分類(lèi)

支持向量機(jī)是根據(jù)統(tǒng)計(jì)學(xué)習(xí)理論提出的機(jī)器學(xué)習(xí)方法，能較好地解決在實(shí)際應(yīng)用中存在的小樣本、非線性、高維數(shù)和局部極小點(diǎn)等問(wèn)題。支持向量機(jī)的基本思想是尋找一個(gè)最優(yōu)可分超平面，使得訓(xùn)練樣本中的兩類(lèi)樣本能被分開(kāi)，并且距離該平面盡可能地遠(yuǎn)。本文使用基于Radial Basis Function核的SVM算法［6］對(duì)融合影像進(jìn)行地物分類(lèi)。

1.3.5 基于混淆矩陣的精度評(píng)價(jià)

混淆矩陣主要用于比較分類(lèi)結(jié)果和真實(shí)地表信息，可以把分類(lèi)結(jié)果的精度顯示在一個(gè)矩陣?yán)?，通過(guò)將每個(gè)地表真實(shí)像元的位置和分類(lèi)與分類(lèi)圖像中的相應(yīng)位置和分類(lèi)進(jìn)行比較計(jì)算得出。

基于混淆矩陣的統(tǒng)計(jì)結(jié)果，采用4項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行評(píng)價(jià)：對(duì)每一類(lèi)地物的分類(lèi)精度采用生產(chǎn)者精度和用戶(hù)精度進(jìn)行評(píng)價(jià)；對(duì)每次分類(lèi)的總體分類(lèi)精度采用總體分類(lèi)精度和Kappa系數(shù)進(jìn)行評(píng)價(jià)。

2 融合影像分類(lèi)結(jié)果與分析

2.1 不同極化方式SAR與TM融合影像分類(lèi)

使用SVM算法對(duì)4種極化方式的SAR與TM融合影像進(jìn)行濱海濕地典型地物土地覆蓋分類(lèi)，基于現(xiàn)場(chǎng)踏勘后的人工解譯結(jié)果，通過(guò)感興趣區(qū)指定5類(lèi)地物訓(xùn)練樣本（每類(lèi)地物所選擇的樣本點(diǎn)數(shù)為200）：紅色區(qū)域代表植被（主要為蘆葦）；綠色區(qū)域代表灘涂；藍(lán)色區(qū)域代表濕地水域；黃色區(qū)域代表坑塘，青色區(qū)域代表裸地（包括道路和堤壩）。監(jiān)督分類(lèi)結(jié)果如圖4所示。

圖4 不同影像的分類(lèi)結(jié)果Fig.4 Classification results of different images

分類(lèi)結(jié)果將影像中的地物分為5類(lèi)，地物分布與人工解譯基本一致。對(duì)比以上分類(lèi)結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)：原始TM影像的分類(lèi)結(jié)果斑塊分布比較平整，但錯(cuò)分現(xiàn)象較為嚴(yán)重，影像中大片的水域被錯(cuò)分為裸地，且裸地與其他地物之間的誤分現(xiàn)象也比嚴(yán)重，這是由于原始TM影像空間分辨率較低，30m的空間分辨率不足以顯示道路、堤壩等地物信息。而其他4景融合影像的分類(lèi)結(jié)果在分類(lèi)的準(zhǔn)確程度上明顯優(yōu)于TM原始影像，這是由于融合影像的空間分辨率較高，加入了SAR影像的細(xì)節(jié)信息；但是融合影像分類(lèi)結(jié)果中碎圖斑現(xiàn)象比較嚴(yán)重，這是由于SAR影像中的斑點(diǎn)噪聲影響，導(dǎo)致SAR與TM融合影像分類(lèi)結(jié)果中存在一定的誤分現(xiàn)象，從而形成碎圖斑。通過(guò)目視解譯可以發(fā)現(xiàn)，HH和HV兩種極化方式的SAR影像與TM影像的融合分類(lèi)結(jié)果中的碎斑塊現(xiàn)象明顯少于VH和VV兩種極化方式。

2.2 分類(lèi)精度比較評(píng)價(jià)

基于現(xiàn)場(chǎng)踏勘后的人工解譯結(jié)果（圖1c），采用整景影像作為驗(yàn)證點(diǎn)，分別計(jì)算4種極化方式的SAR與TM的融合影像分類(lèi)結(jié)果的混淆矩陣，以此進(jìn)行精度評(píng)價(jià)，可得到不同極化方式SAR影像與TM影像融合結(jié)果地物分類(lèi)精度（表1）。

表1 不同極化方式SAR影像與TM影像融合結(jié)果分類(lèi)精度表Tab.1 Classification accuracy chart of fused images using different－polarization SAR and TM images

基于表1中各類(lèi)影像的總體分類(lèi)精度和Kappa系數(shù)值，得到分類(lèi)精度總體對(duì)比情況，如圖5所示。

圖5 分類(lèi)精度總體對(duì)比圖Fig.5 Comparison chart of overall classification accuracy

分析以上分類(lèi)精度圖、表，可以得到原始TM影像和4種極化方式的SAR與TM融合影像的分類(lèi)情況總體比較評(píng)價(jià)如下：

（1）4種融合影像分類(lèi)結(jié)果的總體分類(lèi)精度和Kappa系數(shù)均優(yōu)于原始TM影像，原因是融合影像在原始TM影像光譜信息的基礎(chǔ)上加入了高空間分辨率SAR影像的細(xì)節(jié)信息，提高了影像的細(xì)節(jié)表現(xiàn)能力；但也帶來(lái)了一定程度的斑點(diǎn)噪聲。

（2）HV極化方式的SAR影像與TM影像的融合影像分類(lèi)結(jié)果精度最高，效果最佳，最適用于融合分類(lèi)研究，原因是HV極化方式下，SAR影像中植被與水體、裸地等地物的后向散射差異較大，這與王安琪 等［12］的研究結(jié)論一致，在TM影像光譜信息的基礎(chǔ)上，SAR影像提供了邊界輪廓和紋理等增益信息；HH極化方式和VH極化方式次之，分類(lèi)精度較高；VV極化方式的SAR影像與TM影像融合分類(lèi)精度最低，效果最差，分類(lèi)結(jié)果中由于誤分而產(chǎn)生的碎斑塊較多。

（3）4種極化方式的SAR影像與TM影像的融合結(jié)果中，均表現(xiàn)為植被與坑塘的分類(lèi)精度較高，灘涂與濕地水域的分類(lèi)精度次之，裸地的分類(lèi)精度最低。原因是SAR影像中，植被與坑塘的邊界最為明顯；灘涂與濕地水域的邊界稍差；而裸地多為道路和堤壩，面積較小，因空間分辨率限制導(dǎo)致在TM影像中表現(xiàn)不明顯。因此，融合影像在濱海濕地典型地物的表現(xiàn)上，對(duì)植被和坑塘2種地物表現(xiàn)較好，對(duì)裸地表現(xiàn)較差。

（4）4種極化方式的SAR影像與TM影像的融合結(jié)果中，植被與濕地水域的生產(chǎn)者精度均低于用戶(hù)精度，這說(shuō)明該2種地物的分類(lèi)過(guò)程中漏分現(xiàn)象多于錯(cuò)分現(xiàn)象，原因是由于噪聲的影響，部分植被和濕地水域被誤分為其他地物，導(dǎo)致了這2類(lèi)地物的漏分率增高；坑塘的生產(chǎn)者精度高于用戶(hù)精度，這說(shuō)明該地物的分類(lèi)過(guò)程中錯(cuò)分現(xiàn)象多于漏分現(xiàn)象，原因是在實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的中部，有部分灘涂被誤分為坑塘，導(dǎo)致了坑塘的錯(cuò)分率增高；其余2種地物分類(lèi)精度分布無(wú)明顯規(guī)律。

3 小結(jié)

本文以黃河口濕地為例，采用SVM算法對(duì)SAR影像與TM影像的融合結(jié)果進(jìn)行了濱海濕地典型地物土地覆蓋類(lèi)型分類(lèi)，對(duì)比分析了原始TM影像與4種極化方式融合影像中5類(lèi)典型地物的分類(lèi)精度，結(jié)果表明：采用與SAR影像融合的方法能夠提高原始TM影像的分類(lèi)精度；其中HV極化方式SAR影像與TM影像融合分類(lèi)精度最高，最適用于融合分類(lèi)研究；VV極化方式SAR影像與TM影像融合分類(lèi)精度最低；所有融合影像分類(lèi)結(jié)果中均表現(xiàn)為植被和坑塘2種地物分類(lèi)精度最高。

由于TM影像獲取受天氣影響較大，在海岸帶地區(qū)獲取的數(shù)據(jù)量較少，因此本文用于融合的SAR和TM影像不完全同步；同時(shí)，SAR影像的噪聲比較嚴(yán)重，不同降噪算法對(duì)SAR影像的去噪效果不同，這些都是2種影像融合研究中面臨的很大挑戰(zhàn)。此外，本文只嘗試了IHS融合方法和SVM分類(lèi)方法，對(duì)其他的融合方法和分類(lèi)方法還有待于進(jìn)一步研究。由于選取的影像空間分辨率較低，因此分類(lèi)結(jié)果中的分類(lèi)精度總體較低，在下一步的工作中，將選擇具有更高空間分辨率的SAR影像和光學(xué)影像進(jìn)行研究。

致謝 本文所用TM實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，下載自美國(guó)地質(zhì)調(diào)查局（USGS）官方網(wǎng)站，特致謝忱！

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