基于微波穿透性能對雙極化SAR數(shù)據(jù)識別淺覆蓋層巖石的研究

葉 超，邢立新，崔建楠

(吉林大學(xué)地球探測科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，吉林長春 130026)

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基于微波穿透性能對雙極化SAR數(shù)據(jù)識別淺覆蓋層巖石的研究

葉 超，邢立新*，崔建楠

(吉林大學(xué)地球探測科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，吉林長春 130026)

在對雷達(dá)波穿透性能影響因素研究的基礎(chǔ)上，通過對阿巴嘎地區(qū)ALOS衛(wèi)星地物后向散射強(qiáng)度數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，顯示出在不同極化方式下ALOS數(shù)據(jù)具有的差異性。結(jié)合Landsat 7衛(wèi)星獲得的影像數(shù)據(jù)，對其差異性進(jìn)行分析，表明HH極化方式能夠識別山體邊緣淺覆蓋層下的巖石。研究結(jié)果表明，ALOS HH極化方式對淺覆蓋層下巖石的識別更具優(yōu)勢。

雙極化SAR；ALOS；穿透性能；后向散射

SAR是一種使用微波探測地表目標(biāo)的主動式成像傳感器，具有全天候、全天時成像能力[1]。極化SAR正是在SAR技術(shù)發(fā)展的大背景下發(fā)展起來的，是SAR的一個重要部分。極化SAR技術(shù)利用不同的式交替發(fā)射和接收雷達(dá)信號，從而使得雷達(dá)系統(tǒng)能夠獲得豐富的地物目標(biāo)散射特性信息[2]。由于目標(biāo)對于不同極化方式的電磁波具有不同的調(diào)制作用，因此極化雷達(dá)能夠全面地獲取目標(biāo)在觀測方向上的散射特性，相比于傳統(tǒng)的固定極化方式的 SAR蘊(yùn)含了更加豐富的信息量，這使得人們對于目標(biāo)的物理特性如方向、形狀、粗糙度、介電常數(shù)等有更為深入的分析[3]。此外，由于微波對地表有一定的穿透能力，因此不僅能夠?qū)Φ乇砟繕?biāo)進(jìn)行觀測，還可以對一定深度的地下目標(biāo)進(jìn)行探測。

ALOS衛(wèi)星是日本2006年發(fā)射的對地觀測衛(wèi)星，裝有3個傳感器，其中一個為相控陣型L波段合成孔徑雷達(dá)(PALSAR)，用于全天時全天候陸地觀測。PALSAR是一種主動式微波傳感器，它不受云層、天氣和晝夜影響，可全天候?qū)Φ赜^測，比傳統(tǒng)衛(wèi)星所攜帶的SAR傳感器性能更優(yōu)越。該傳感器具有高分辨率、掃描式合成孔徑雷達(dá)、極化3種觀測模式，使之能獲取比普通SAR更寬的地面幅寬。目前國內(nèi)主要將數(shù)據(jù)應(yīng)用于植被分類的研究；對裸土信息提取及土壤含水量的反演；對特定地物的分類識別等。

筆者在研究雷達(dá)穿透能力基礎(chǔ)上，通過對地物后向散射系數(shù)的分析，對比不同時相和極化方式的ALOS數(shù)據(jù)，取山體邊緣區(qū)域與Landsat 7衛(wèi)星獲得的影像數(shù)據(jù)作對比，證實了ALOS雙極化在地表淺覆蓋層的條件下對地探測的優(yōu)勢。

1 微波穿透性能

1.1 波長電磁波在介質(zhì)中傳播總會發(fā)生衰減，引起衰減的原因主要是介質(zhì)的吸收和傳播過程中的散射，但對一些低損耗介質(zhì)，波長較長的電磁波具有一定的穿透能力[4]。

對于土壤層，可以將其視為均勻介質(zhì)層。其復(fù)介電常數(shù)分為實部和虛部，虛部表示介質(zhì)將電磁波能量吸收并轉(zhuǎn)化的能力[5]。穿透深度δp定義為電場強(qiáng)度在有損介質(zhì)中衰減到1/e時介質(zhì)中的深度δp：

(1)

式中，a為電場衰減系數(shù)，計算公式為：

(2)

所以δp也可以表示為：

(3)

式中，λ為波長；μ為磁導(dǎo)率；εr為復(fù)介電常數(shù)實部；εi為復(fù)介電常數(shù)虛部。由于在微波波段，非鐵磁質(zhì)的相對導(dǎo)磁率十分接近于1，即μ≌1，正常條件下εr?εi，即εi/εr<0.1。

則(3)式最終可簡化為：

(4)

可見穿透深度與波長成正比，與復(fù)介電常數(shù)實部成反比，對于各種自然的松散介質(zhì)，復(fù)介電常數(shù)的大小主要與含水量有關(guān)。除水以外，大多數(shù)自然介質(zhì)材料可用上式(4)計算[6]。

1.2 入射角如圖1所示，平面電磁波在不同介質(zhì)界面上反射與折射特性與可見光的特性基本相似，折射角θ2與入射角θ1之間則滿足Snell定律[7]：

圖1 Snell定律

(5)

式中，ε1代表空氣的介電常數(shù)；ε2代表介質(zhì)的介電常數(shù)。

微波電磁波的入射角越小，在穿透相同深度的情況下傳播的路徑就越短，損失的能量就越小。因此采用較小的入射角可以提高探測次地表地物的能力。

1.3 入射波極化方式電場在入射平面，稱為平行極化，即H極化；電場垂直于入射平面，稱垂直極化，即V極化。分別對兩種極化波在不同介質(zhì)界面上進(jìn)行折射的能力進(jìn)行分析：

入射波為平行極化時，透射系數(shù)T11為：

(6)

入射波為垂直極化時，透射系數(shù)T⊥為：

(7)

理論上定義的穿透深度并不代表雷達(dá)波僅可探測到的次地表目標(biāo)的深度。因為電場強(qiáng)度衰減到 1/e，能量的減弱還不到1 dB，而一般情況下雷達(dá)波能探測到的動態(tài)范圍可達(dá)20 dB 以上，因此雷達(dá)波探測次地表目標(biāo)的極限深度取決于雷達(dá)系統(tǒng)的信噪比和次地表目標(biāo)最終回波強(qiáng)度與背景回波強(qiáng)度的反差。

此外雷達(dá)對地表具有一定的穿透能力還需要3個條件；土壤表層顆粒小；厚度??；氣候非常干燥[8]。

2 研究區(qū)與數(shù)據(jù)源

2.1 研究區(qū)研究區(qū)位于內(nèi)蒙古自治區(qū)錫林格勒盟阿巴嘎旗地區(qū)，氣象資料表明該地區(qū)屬中溫帶半干旱大陸性氣候，冷暖劇變，晝夜溫差大，降水量少，蒸發(fā)量大。地勢東北高西南低，海拔960～1 500 m，是以低山階狀高平原、臺地、丘陵為主體，兼有多種地貌單元組成的地區(qū)。土壤類型為暗栗鈣土，其次是風(fēng)沙土，滿足理論要求。

2.2 數(shù)據(jù)源研究采用的數(shù)據(jù)為兩幅日本ALOS衛(wèi)星上搭載的PALSAR所獲取的雷達(dá)圖像。一幅圖像獲取時間為2008年9月23日，極化方式為雙極化，數(shù)據(jù)級別為1.1級數(shù)據(jù)；另一幅圖像獲取時間為2010年9月29日，極化方式為雙極化，數(shù)據(jù)級別為1.5級數(shù)據(jù)。ALOS衛(wèi)星上搭載的PALSAR具體參數(shù)見表1。

表1 ALOS衛(wèi)星上搭載的PALSAR基本參數(shù)

另外選用美國1999年發(fā)射的Landsat 7 衛(wèi)星獲得的影像數(shù)據(jù)，獲取時間為2010年9月23日，包括8個波段，空間分辨率為30 m，選用了741波段。741波段組合圖像具有兼容中紅外、近紅外及可見光波段信息的優(yōu)勢，圖面色彩豐富，層次感好，具有極為豐富的地質(zhì)信息和地表環(huán)境信息；而且清晰度高，干擾信息少，地質(zhì)可解譯程度高，各種構(gòu)造形跡顯示清楚，不同類型的巖石區(qū)邊界清晰，巖石地層單元的邊界、特殊巖性的展布以及火山機(jī)構(gòu)也顯示清楚，在各波段組合中效果最好。

3 數(shù)據(jù)處理與分析

3.1 數(shù)據(jù)預(yù)處理

3.1.1多視處理。由于使用1.1級別的數(shù)據(jù)為單視復(fù)數(shù)圖像，經(jīng)過距離和方位(單視)的壓縮，因此需要進(jìn)行多視處理來提高SAR圖像的信噪比，進(jìn)而有效抑制斑點噪聲。該研究使用ENVI SARscape對研究區(qū)的PALSAR雙極化數(shù)據(jù)進(jìn)行了距離向和方位向的4視處理，原始圖像和多視處理后的圖像分別見圖2、圖3。

圖2 原始圖像

圖3 多視處理后的圖像

3.1.2后向散射輻射定標(biāo)。該研究采用日本宇宙航空研究開發(fā)機(jī)構(gòu)為PALSAR數(shù)據(jù)提供的定標(biāo)方法：

σ0=10lg(I2+Q2)+CF-32.0

(8)

式中，I和Q分別代表復(fù)型數(shù)據(jù)的實部與虛部；CF為定標(biāo)常數(shù)；HH極化數(shù)據(jù)為-83；HV極化數(shù)據(jù)為-80。經(jīng)過輻射定標(biāo)處理后，得到1.1級別數(shù)據(jù)的后向散射強(qiáng)度圖像。

3.1.3濾波和幾何校正。分別對多視處理后的圖像進(jìn)行濾波處理，局部統(tǒng)計濾波既可以抑制相干斑噪聲，又能保留極化信息，因此是一種綜合性能良好的極化濾波方法。該研究中采取了精制Lee濾波，不僅可以有效地抑制相干斑噪聲，同時還能保持圖像的分辨率和保留目標(biāo)的極化信息[9-10]。以ALOS PALSAR1.5級數(shù)據(jù)作為參考影像對1.1級數(shù)據(jù)進(jìn)行幾何校正。

3.2 地物后向散射特性分析地面目標(biāo)的表面都要對入射電磁波產(chǎn)生反射，只是隨物體性質(zhì)，大小尺寸以原表面形態(tài)與波長的相對關(guān)系的不同，將分別發(fā)生鏡面反射或漫反射(即散射)。將沿電磁波入射方向返回的散射稱之為后向散射。雷達(dá)接收的電磁波中包含有地物的信息，不同地物具有不同的介電常數(shù)和回波特性，因此在雷達(dá)圖像上也顯示出不同的后向散射系數(shù)。

3.2.1建筑物。由于建筑物較易與地面形成角反射器，不同高度的建筑物也易形成強(qiáng)反射體，從而產(chǎn)生偶次散射。同極化圖像上的回波信號主要由面散射決定，交叉極化圖像上的回波信號則主要由體散射來決定，因此交叉極化圖像不易受角反射器類特殊回波的影響。同時相較于HH極化數(shù)據(jù)，HV數(shù)據(jù)中對建筑工地和裸土與建筑物的區(qū)別也更加清晰。所以用HV極化數(shù)據(jù)來識別建筑物群效果較好，也與實際相符。

3.2.2道路。人工鋪設(shè)的道路表面一般比較光滑，在小范圍內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)高度差小，粗糙度較小，易發(fā)生鏡面反射，在影像上表現(xiàn)比較暗。特別是衛(wèi)星方位向上的道路在HV極化方式下基本不能識別。

3.2.3網(wǎng)圍欄。研究區(qū)主要為牧區(qū)草原，大范圍的建有網(wǎng)圍欄。草原圍欄網(wǎng)普遍采用高強(qiáng)度鋼絲、鐵絲材質(zhì)，自動化擰編而成，高度一般不超過2 m。金屬的介電常數(shù)具有隨頻率高低產(chǎn)生變化的特性，該研究所選用數(shù)據(jù)頻率為1.27 GHz，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于金屬的阻尼指數(shù)(γ0約為1013Hz)，這種情況下金屬的介電常數(shù)是一個復(fù)數(shù)。此時金屬的相對介電常數(shù)很大與其他非導(dǎo)體差別很大，在圖像上較易分辨。

3.2.4土壤。土壤參數(shù)對雷達(dá)后向散射回波有著重要的影響，其中包含地表粗糙度，土壤成分，含水量等。在同樣的均方根高度或相關(guān)長度的變化范圍內(nèi)，對于波長較長的 L 波段，這種地表狀況比較平滑，因此相對與其他波段的微波數(shù)據(jù)L波段數(shù)據(jù)受地表粗糙度影響較小。該地區(qū)風(fēng)成作用比較強(qiáng)烈，土壤主要為暗栗鈣土，其次是風(fēng)沙土，顆粒小成分較單一。由于降水量小，蒸發(fā)量大，氣候干旱，且所選數(shù)據(jù)為9月底，植被稀少，土壤含水量低。因此該地區(qū)整體土壤介電常數(shù)較小，反射回波弱在影像上表現(xiàn)為深色調(diào)。

此外，復(fù)介電常數(shù)虛部與土壤含水量呈線性相關(guān)，土壤水分含量低造成該地區(qū)土壤復(fù)介電常數(shù)虛部較小。由于復(fù)介電常數(shù)虛部一般標(biāo)志著電介質(zhì)損耗的大小，因此也為L波穿透淺層地表土壤提供了依據(jù)。

3.2.5巖石。由于巖石結(jié)構(gòu)的不同以及地形的影響，使得其雷達(dá)回波信號強(qiáng)度差異極大，同時受各種潛覆蓋土層的影響，很難將其與其他的地物類型區(qū)分開來[11]。但是由于巖石的結(jié)構(gòu)和地形相對比較穩(wěn)定，相同位置的巖石在不同時相的后向散射基本相同。

不同時相的ALOS數(shù)據(jù)在對巖石的識別上基本一致，由于在不同極化方式下得到的數(shù)據(jù)巖石的后向散射差異較大，俯角越大差異越大，因此取在HH極化數(shù)據(jù)上判斷為巖石而HV極化上未識別的部分(見圖4黑色部分)，成條帶狀依山勢的走向分布，寬度幾十米不等。

圖4 HH與HV極化差異部分

對具體各部分進(jìn)行詳細(xì)區(qū)分，HH與HV 2種極化方式對山體的識別差異主要是在山體邊緣附近。其中靠近山體的一部分在Landsat 7衛(wèi)星獲得的影像數(shù)據(jù)上區(qū)分出是山體巖石，另外更遠(yuǎn)離山體的一部分在HV極化方式數(shù)據(jù)和L7數(shù)據(jù)上均未發(fā)現(xiàn)，說明H極化波在該地區(qū)擁有較深的穿透深度。同時由于地勢較平緩，風(fēng)化作用強(qiáng)，表面相對較光滑，去極化作用弱，造成HV極化回波弱，識別能力較差。

4 結(jié)論

基于微波的穿透性能，SAR技術(shù)可以對次地表地物進(jìn)行探測。通過比較ALOS不同極化方式得到的后向散射強(qiáng)度數(shù)據(jù)，可以得出不同極化方式之間識別的差異性。在對山體邊緣巖石識別中結(jié)合Landsat 7衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)，可以證實HH極化對山體邊緣淺覆蓋層巖石的識別。由此得出結(jié)論：ALOS HH極化方式基于特定的波長和極化方式可以對淺覆蓋層下的巖石進(jìn)行有效的識別。

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Based on the Study of Microwave Penetration Performance in the Dual-Polarisation SAR Data for Recognizing the Shallow Layer of Rock

YE Chao, XING Li-xin*, CUI Jian-nan

(College of GeoExploration Science and Technology, Jilin University, Changchun, Jilin 130026)

Firstly, the ALOS data of ground objects scattering intensity are analyzed in Abaga area based on the research of influence factors in the radar wave penetration performance. In terms of the data, there are the certain differences shown between diverse polarization modes of ALOS data. Then, combining acquired image data from the Landsat 7, it reflects the fact that HH polarization mode of ALOS data manages to identify the rocks which isolate beneath the shallow layer of mountains margin by the means of analysis these differences. Overall, ALOS HH polarization mode demonstrates the superiority in the identification of rocks beneath the shallow layer of mountains margin.

Dual-polarisation SAR; ALOS; Penetration performance; Backscatter

葉超(1987- )，男，碩士研究生，從事極化SAR技術(shù)的原理及應(yīng)用研究。*通訊作者，教授，從事遙感與地理信息系統(tǒng)方面的教學(xué)與研究工作。

2014-12-15

S 126；TP 79

A

0517-6611(2015)04-369-03