基于閾值分割與決策樹的SAR影像水體信息提取

經(jīng) 波，寧文怡

（1.廣西壯族自治區(qū)自然資源信息中心，廣西 南寧 530023）

水體約占地球表面總面積的75 %，陸地水約占地球表面總水量的3.469%。陸地水蘊(yùn)含著豐富的自然資源，在人類生活和生產(chǎn)中發(fā)揮著重要作用。利用遙感技術(shù)快速、自動(dòng)化、大面積地提取水體信息對(duì)于水資源管理、抗災(zāi)減災(zāi)、用水安全保障等方面具有重要意義。隨著遙感科技的快速發(fā)展，國(guó)內(nèi)學(xué)者利用遙感技術(shù)提取水體信息的研究與應(yīng)用較為深入[1-5]，如楊存建[6]等在地形數(shù)據(jù)的支持下，實(shí)現(xiàn)了SAR圖像的水體半自動(dòng)提取；鄭偉[7]、潘祖燕[8]等利用光學(xué)遙感數(shù)據(jù)與SAR數(shù)據(jù)相融合的方法進(jìn)行了洪水淹沒范圍研究。

GF-3號(hào)衛(wèi)星是國(guó)產(chǎn)分辨率達(dá)到1 m的C波段多極化合成孔徑雷達(dá)（SAR）成像衛(wèi)星，其不受云雨等天氣條件的限制，可全天候全天時(shí)對(duì)地觀測(cè)，已廣泛應(yīng)用于防災(zāi)減災(zāi)工作[9]。

1 數(shù)據(jù)來(lái)源與實(shí)驗(yàn)區(qū)域

GF-3號(hào)衛(wèi)星的空間分辨率為1～500 m，幅寬為10～650 km，是世界上成像模式最多的SAR衛(wèi)星，具有單極化、雙極化和全極化等成像模式[10]。

本文采用GF-3 L1級(jí)影像，精細(xì)條帶1（FSI）的HH、HV雙極化模式，成像時(shí)間為2017-07-02，分辨率為5 m；采用DEM作為輔助數(shù)據(jù)；采用成像時(shí)間為2017-09-26，同一區(qū)域范圍的光學(xué)GF-2號(hào)原始影像作為對(duì)比分析數(shù)據(jù)。

2 水體信息提取流程

基于GF-3 SAR影像特有的成像結(jié)構(gòu)，首先對(duì)其進(jìn)行基礎(chǔ)極化處理，再進(jìn)行散射特征分析，然后通過(guò)KI二值化閾值分割法生成最佳分割閾值，建立決策樹模型進(jìn)行水體信息提取，最后利用DEM地形建模方法得到陰影范圍，對(duì)地形起伏度較大的部分進(jìn)行陰影去除，進(jìn)而得到柳州市水體信息的精確范圍（圖1）。

圖1 基于閾值分割和決策樹的SAR影像水體提取流程圖

2.1 GF-3 SAR基礎(chǔ)極化處理

本文對(duì)GF-3 SAR原始數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)極化處理內(nèi)容包括輻射定標(biāo)、幅度轉(zhuǎn)換、多視處理、影像濾波、地理編碼等。

1）輻射定標(biāo)。GF-3 SAR影像的每個(gè)DN值都表示唯一確定的后向散射強(qiáng)度功率值。為了得到地物特征在不同空間與時(shí)間上的精確差異，定量計(jì)算散射系數(shù)的過(guò)程稱為輻射定標(biāo)。由于存在不同的誤差源，SLC數(shù)據(jù)存在輻射誤差，為了能精確反映地物回波特性，需要進(jìn)行輻射定標(biāo)處理[11]，將輸入信號(hào)轉(zhuǎn)化為雷達(dá)后向散射系數(shù)。經(jīng)過(guò)輻射定標(biāo)的后向散射強(qiáng)度信息不受SAR數(shù)據(jù)觀測(cè)幾何的影響，相當(dāng)于歸一化到統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)下，可以進(jìn)行對(duì)比和分析。

2）幅度轉(zhuǎn)換與多視處理。GF-3 SAR影像的復(fù)數(shù)數(shù)據(jù)是最高分辨率的原始數(shù)據(jù)，但將單個(gè)像元散射的雷達(dá)同波信號(hào)相干疊加，會(huì)導(dǎo)致影像的強(qiáng)度信息存在很多噪聲。為了提高影像的視覺效果以及每個(gè)像元后向散射的估計(jì)精度，需要對(duì)影像進(jìn)行多視處理，即對(duì)目標(biāo)的多個(gè)獨(dú)立樣本進(jìn)行平均疊加，得到的結(jié)果是多視后的數(shù)據(jù)。多視處理既能使影像幾何特征更接近地面實(shí)際情況，又能在一定程度上降低斑點(diǎn)噪聲。多視處理即為對(duì)鄰域像素相干和的平均，計(jì)算公式為：

3）影像濾波。由于SAR發(fā)射相干電磁波，因此地物的回波具有相互干涉性；而雷達(dá)記錄的是隨機(jī)不定的地物微波后向散射值，這種現(xiàn)象在SAR影像上表現(xiàn)為斑點(diǎn)噪聲。多視處理縮短了距離向線性調(diào)頻的頻寬等，降低了空間分辨率。為了減少GF-3 SAR影像上的噪聲，本文采用一種環(huán)形對(duì)稱的Enhanced Frost Filter濾波器對(duì)GF-3 SAR影像進(jìn)行處理，濾波窗口為3×3個(gè)像元。經(jīng)過(guò)濾波處理，能很好地保留邊緣信息，并提高水陸邊界兩側(cè)的分割精度。

4）地理編碼。GF-3 SAR系統(tǒng)觀測(cè)到的是電磁波后向散射的雷達(dá)脈沖強(qiáng)度和相位信息，該信息編碼在雷達(dá)坐標(biāo)系統(tǒng)下，為斜距坐標(biāo)系。本文將GF-3 SAR影像數(shù)據(jù)從斜距坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換到地理坐標(biāo)系，即地理編碼。本文采用橢球糾正編碼方法進(jìn)行地理編碼，編碼后成果（L3）如圖2所示（波段組合為b1，2，2）。

圖2 基礎(chǔ)極化處理結(jié)果

將基礎(chǔ)極化處理后的GF-3 SAR影像與DEM數(shù)據(jù)進(jìn)行匹配，選取均勻分布在GF-3 SAR影像和DEM數(shù)據(jù)上容易準(zhǔn)確定位的明顯同名地物點(diǎn)作為控制點(diǎn)（如河流交叉點(diǎn)、拐彎處、道路交叉點(diǎn)、水庫(kù)、坑塘等邊上拐點(diǎn)，共選取30個(gè)控制點(diǎn)），利用三次多項(xiàng)式的數(shù)學(xué)方法將GF-3 SAR影像與DEM數(shù)據(jù)進(jìn)行匹配，匹配精度控制在1個(gè)像元以內(nèi)。

2.2 散射特征分析

由GF-3 SAR影像的輻射特征可知，水體的后向散射系數(shù)由極化方式、波長(zhǎng)、斜視角、地物形狀、復(fù)介電常數(shù)、粗糙度等雷達(dá)參數(shù)決定。將GF-3 SAR影像用于水體分析提取時(shí)，主要考慮地表粗糙度對(duì)后向散射系數(shù)的影響。粗糙表面主要是漫反射，后射回波強(qiáng)，影像呈灰白色和灰色；地表水水體粗糙度相對(duì)于GF-3 C波段屬于平滑面，主要表現(xiàn)為簡(jiǎn)單的鏡面反射，回波功率較小，因此在影像上表現(xiàn)為暗色或黑色[12]；建筑物在影像上為高亮顯示，植被次之。本文選取影像水體（藍(lán)色區(qū)域）、建筑物（紅色區(qū)域）、植被（綠色區(qū)域）3個(gè)典型地物感興趣區(qū)，每種地物約為65 000個(gè)像素。其后向散射系數(shù)分布情況如圖3～5所示。

圖3 GF-3 SAR影像上3種地物后向散射系數(shù)分布

圖4 GF-3 SAR影像HH極后向散射系數(shù)

圖5 GF-3 SAR影像HV極后向散射系數(shù)

由圖4、5可知，研究區(qū)水體后向散射系數(shù)在HH極化的浮動(dòng)范圍主要為-7～-15，在HV極化的浮動(dòng)范圍為-20～-31。

2.3 水體精細(xì)提取

本文采用KI二值化閾值分割法進(jìn)行圖像分割，并通過(guò)構(gòu)建知識(shí)決策樹模型來(lái)提取水體信息。KI二值化閾值分割法以圖像的概率分布為特征，以代價(jià)函數(shù)為輔助，當(dāng)滿足總體分類的代價(jià)函數(shù)最小時(shí)，即可得最小錯(cuò)分率的結(jié)果。高斯分布下的判別標(biāo)準(zhǔn)為：

式中，P為先驗(yàn)概率；當(dāng)U(T)取得最小值時(shí)，T則為最佳分割閾值。

本文基于KI二值化閾值分割法確定的閾值構(gòu)建知識(shí)決策樹，進(jìn)而完成水體提取。知識(shí)決策樹通過(guò)規(guī)則對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行逐步細(xì)化和二次劃分，最終得到目標(biāo)類別信息的多層分類器[13]。其在水體提取的實(shí)用性表現(xiàn)為：①?zèng)Q策樹是基于簡(jiǎn)單特征的地物提取，是解決簡(jiǎn)單分類問(wèn)題的有效途徑，如水體單類分類；②GF-3 SAR影像水體具有明確的后向散射系數(shù)范圍，可將該范圍作為決策規(guī)則，構(gòu)建分類器，實(shí)現(xiàn)水體的快速提取。本文在分析水體后向散射系數(shù)的基礎(chǔ)上，構(gòu)建決策樹模型中的規(guī)則，進(jìn)而構(gòu)建水體信息提取知識(shí)決策樹，如圖6所示。

圖6 水體信息提取的知識(shí)決策樹

2.4 DEM地形建模

根據(jù)雷達(dá)成像原理，利用DEM進(jìn)行地形建模時(shí)，主要的影響因素為本地入射角大小[14]。本地入射角的計(jì)算公式為：

式中，θ為雷達(dá)入射角；θA、θC為分辨單元在距離向和方位向的坡度角。

由于雷達(dá)圖像一般是斜距圖像，因此以地面格網(wǎng)進(jìn)行地形建模時(shí)，應(yīng)考慮地距和斜距間的關(guān)系，計(jì)算公式為：

2.5 利用DEM構(gòu)建地形模型陰影圖剔除陰影部分

首先利用空間分析地圖代數(shù)法生成山體陰影；再對(duì)利用DEM地形建模圖[15]（圖7）提取的陰影與基于決策樹方法的水體提取結(jié)果進(jìn)行空間分析，去除誤提為水體的山體陰影（圖8），提高水體提取精度；最后精確提取水體信息，如圖9所示。

圖7 地形建模陰影效果圖

圖8 誤提為水體的山體陰影（紅色部分）

圖9 柳州市洪水水體信息提取結(jié)果

2.6 基于光學(xué)GF-2號(hào)影像的水體指數(shù)法提取水體信息

本文基于與GF-3 SAR相同區(qū)域、成像時(shí)間為2017-09-26的光學(xué)GF-2號(hào)影像，利用水體指數(shù)法進(jìn)行水體信息提取。經(jīng)反復(fù)試驗(yàn)，選取閾值范圍為[-1 -0.18]的提取結(jié)果，如圖10所示。水體指數(shù)法的計(jì)算公式為：

圖10 基于光學(xué)GF-2號(hào)影像的水體信息提取

從基于光學(xué)GF-2號(hào)影像的水體指數(shù)法的提取結(jié)果來(lái)看，雖然能較完整地提取水體，但存在部分建筑物誤提的現(xiàn)象，精度較差。

3 精度分析與評(píng)價(jià)

3.1 評(píng)價(jià)方法

基于隨機(jī)生成的263個(gè)樣本點(diǎn)（圖11），結(jié)合高分辨率多光譜影像、其他專題資料等，通過(guò)經(jīng)驗(yàn)豐富的內(nèi)業(yè)人員判讀樣本點(diǎn)的地物類別，再利用所確定的樣本點(diǎn)進(jìn)行精度評(píng)價(jià)。

圖11 樣本點(diǎn)分布圖

3.2 精度評(píng)價(jià)

本文主要從混淆矩陣、總體精度和Kappa系數(shù)3個(gè)方面評(píng)價(jià)分類精度?；煜仃嚾绫?所示。通過(guò)混淆矩陣計(jì)算得到的水體信息提取總體精度為89.22 %，Kappa系數(shù)為0.71。

表1 混淆矩陣

4 結(jié) 語(yǔ)

本文研究了基于GF-3 SAR影像的水體信息自動(dòng)化提取方法。首先利用基于KI二值化閾值分割法確定的閾值構(gòu)建知識(shí)決策樹完成水體提取，再利用DEM數(shù)據(jù)正射影像產(chǎn)品和山體陰影的掩膜文件剔除山體陰影區(qū)域影響，最后精確提取水體信息。本文在柳州市城區(qū)展開實(shí)驗(yàn)，得到的主要結(jié)論為：

1）利用水體在雷達(dá)波束表現(xiàn)為鏡面散射的機(jī)制，在GF-3 SAR影像上采用KI二值化閾值分割法進(jìn)行水體信息的提取。

2）基于KI二值化閾值分割法確定的閾值構(gòu)建決策樹，進(jìn)而精確快速地提取水體范圍。相較于傳統(tǒng)的基于面向?qū)ο?、監(jiān)督分類、非監(jiān)督分類的方法，其在時(shí)效性上有一定的改進(jìn)，能快速響應(yīng)災(zāi)害應(yīng)急措施。

3）由于山體起伏變化將產(chǎn)生陰影，可利用DEM構(gòu)建山體陰影的掩膜文件去除被誤提的水體，從而提高水體提取精度。

4）將GF-3 SAR影像的水體信息提取結(jié)果與相同區(qū)域的光學(xué)GF-2號(hào)影像水體信息提取結(jié)果進(jìn)行對(duì)比發(fā)現(xiàn)，本文方法的提取結(jié)果優(yōu)于基于光學(xué)影像的水體指數(shù)法，能達(dá)到較高的實(shí)驗(yàn)精度，對(duì)洪水等自然災(zāi)害的監(jiān)測(cè)以及GF-3 SAR影像的快速業(yè)務(wù)化應(yīng)用具有重要意義。