多時(shí)相極化SAR影像變化檢測(cè)方法研究

趙金奇

武漢大學(xué)測(cè)繪遙感信息工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430079

變化檢測(cè)是通過(guò)對(duì)同一區(qū)域的多次觀測(cè)獲取地表隨時(shí)間變化的過(guò)程，在土地利用規(guī)劃、環(huán)境資源監(jiān)測(cè)、災(zāi)害應(yīng)急等領(lǐng)域發(fā)揮了重要作用。遙感技術(shù)能夠在短時(shí)間內(nèi)獲取地表大面積的土地覆蓋信息，節(jié)省大量的人力、物力資源，成為變化檢測(cè)的重要手段之一。

極化合成孔徑雷達(dá)(polarimetric synthetic aperture radar,PolSAR)通過(guò)獲取地物在多種極化狀態(tài)下的散射信號(hào)，為地物解譯提供了更為豐富的信息，相較于單極化SAR，在目標(biāo)極化散射特性的分析、提取上有著較大的優(yōu)勢(shì)。隨著機(jī)/星載SAR平臺(tái)技術(shù)的不斷發(fā)展，可利用的PolSAR數(shù)據(jù)源越來(lái)越多，然而如何充分利用極化信息進(jìn)行變化檢測(cè)仍是PolSAR應(yīng)用的前沿問(wèn)題。本文分別以星載RADARSAT-2和機(jī)載UAVSAR多時(shí)相PolSAR數(shù)據(jù)為研究對(duì)象，在充分利用極化信息的基礎(chǔ)上，針對(duì)非監(jiān)督和監(jiān)督變化檢測(cè)方法進(jìn)行深入研究。本文內(nèi)容主要包括以下幾個(gè)方面：

(1) 系統(tǒng)總結(jié)了現(xiàn)有的多時(shí)相SAR影像變化檢測(cè)算法，對(duì)非監(jiān)督和監(jiān)督變化檢測(cè)進(jìn)行了深入分析。分別從差異影像提取/時(shí)相SAR影像獨(dú)立分類(lèi)、閾值分割/對(duì)比分類(lèi)結(jié)果和精度評(píng)價(jià)3個(gè)方面開(kāi)展非監(jiān)督/監(jiān)督變化檢測(cè)的研究。

(2) 在多時(shí)相SAR影像非監(jiān)督變化檢測(cè)差異影像提取方面，針對(duì)現(xiàn)有差異影像提取方法主要集中在單極化和多極化SAR、極化信息利用不充分等方面的問(wèn)題，深入分析了PolSAR相對(duì)于單極化和多極化SAR在差異影像提取上的優(yōu)勢(shì)，在充分利用相干/協(xié)方差矩陣全部元素的基礎(chǔ)上，發(fā)展了一種基于假設(shè)檢驗(yàn)的全極化差異影像提取方法，提高差異影像的區(qū)分能力。試驗(yàn)結(jié)果表明，本文方法能夠有效地提高變化和未變化區(qū)域的區(qū)分程度，在一定程度上減少了外界干擾因素的影響。

(3) 在多時(shí)相SAR影像非監(jiān)督變化檢測(cè)閾值分割方面，系統(tǒng)總結(jié)了相關(guān)自動(dòng)閾值選取方法；通過(guò)對(duì)差異圖的統(tǒng)計(jì)分布特征進(jìn)行研究，提出了利用廣義高斯模型對(duì)差異影像的統(tǒng)計(jì)分布進(jìn)行模擬，在此基礎(chǔ)上，對(duì)最小誤差方法(Kittler and Illingworth,K&I)進(jìn)行了改進(jìn)，實(shí)現(xiàn)了差異影像閾值的自動(dòng)提取。試驗(yàn)結(jié)果表明，本文提出的閾值分割方法能夠提高變化檢測(cè)的精度。

(4) 在多時(shí)相PolSAR影像監(jiān)督變化檢測(cè)方面，針對(duì)主流監(jiān)督變化檢測(cè)方法前后時(shí)相相關(guān)信息利用不充分、過(guò)度依賴(lài)分類(lèi)精度、非監(jiān)督變化檢測(cè)方法不能對(duì)前后時(shí)相類(lèi)別變化進(jìn)行檢測(cè)的問(wèn)題，提出了基于相似度測(cè)度的聯(lián)合分類(lèi)變化檢測(cè)策略。相似度測(cè)度有效利用了多時(shí)相影像的上下文/時(shí)間信息，對(duì)分類(lèi)進(jìn)行約束，實(shí)現(xiàn)了對(duì)類(lèi)別變化檢測(cè)的提取。試驗(yàn)結(jié)果表明，本文提出的方法可以利用較少的監(jiān)督樣本完成高精度變化檢測(cè)信息的提取。

(5) 在濕地水位變化監(jiān)測(cè)方面，對(duì)當(dāng)前時(shí)序SAR影像濕地水位變化的檢測(cè)方法進(jìn)行了總結(jié)分析，針對(duì)干涉合成孔徑雷達(dá)(interferometric synthetic aperture radar,InSAR)技術(shù)依賴(lài)時(shí)序SAR影像相干性、PolSAR技術(shù)不能檢測(cè)變化程度、濕地地物較難區(qū)分的問(wèn)題，首次提出聯(lián)合PolSAR和InSAR技術(shù)進(jìn)行大范圍濕地動(dòng)態(tài)變化監(jiān)測(cè)。通過(guò)利用PolSAR非監(jiān)督變化檢測(cè)技術(shù)及InSAR相干圖的先驗(yàn)信息對(duì)濕地變化和不變區(qū)域進(jìn)行提取，并通過(guò)極化分解和同極化相位差對(duì)不變區(qū)域進(jìn)行極化特征提取，確定地物的散射類(lèi)型；利用InSAR相干圖對(duì)PolSAR聯(lián)合分類(lèi)獲得的類(lèi)別變化結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證，并通過(guò)PolSAR提取的類(lèi)別變化信息與InSAR干涉圖對(duì)水位升/降趨勢(shì)進(jìn)行估計(jì)。