雙臺(tái)河河口濕地極化特征分析與選擇

王啟龍，包德高，徐立軍

(遼寧省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司，遼寧 沈陽(yáng) 110000)

自極化SAR系統(tǒng)面世以來(lái)，就以自身獨(dú)有的優(yōu)勢(shì)受到廣大專家學(xué)者的廣泛關(guān)注，并且它在遙感圖像分類與識(shí)別等解譯方面作用突出明顯，為了研究雙臺(tái)河口濕地地物類型與極化特征的關(guān)系和解決特征冗余問題，本文就極化SAR數(shù)據(jù)的特點(diǎn)，提出了基于極化SAR影像極化特征分類算法。

1 濕地典型地物散射機(jī)理

極化SAR影像進(jìn)行分類時(shí)，可從散射矩陣、相干矩陣和協(xié)方差矩陣中獲取有關(guān)地物目標(biāo)的有用信息實(shí)現(xiàn)地物目標(biāo)的分類。隨著目標(biāo)極化分解方法研究的深入，發(fā)現(xiàn)經(jīng)過極化分解之后的影像具有更豐富的信息，因此利用目標(biāo)分解地實(shí)現(xiàn)地物反演成為分類研究工作的主流。

盡管自然界中的地物種類多種多樣，但通?？烧J(rèn)為其散射過程由一些基本的散射機(jī)理組合而成。這些基本散射機(jī)理為：表面散射、二面角散射、體散射、螺旋散射和線散射5種基本散射機(jī)理。濕地大多數(shù)地物的散射情況都可以用表面散射、二面角散射和體散射來(lái)描述。不同地物發(fā)生的不同散射對(duì)于識(shí)別與分析目標(biāo)物的特性具有重要意義。

1.1 表面散射

表面散射是指極化雷達(dá)系統(tǒng)發(fā)射的電磁波到達(dá)光滑的平面時(shí)，散射波能夠完全被極化雷達(dá)系統(tǒng)接收過程如圖1所示。當(dāng)入射電磁波與目標(biāo)地物的夾角從0°變化到90°時(shí)，隨著后向散射能量越來(lái)越強(qiáng)，影像上的灰度值會(huì)越來(lái)越大，并且在這個(gè)過程中，極化SAR系統(tǒng)只能接收到很少的散射信息，故而在影像上整體是顏色偏暗[1]。在濕地中可以發(fā)生表面散射的地物為河流、淺海水域等?？梢杂靡?guī)范化的散射矩陣表示，其公式如下：

(1)

式中，S1—規(guī)范化之后的散射矩陣。

圖1 表面散射

1.2 二面角散射

二面角散射是模擬表面由兩種不同電介質(zhì)材料構(gòu)成的二面角反射器的散射如圖2所示。并且在這個(gè)過程中，極化SAR系統(tǒng)可以接收到較強(qiáng)的電磁波散射信息，故而影像的顏色介于淺灰色和白色，并且若是在接收的電磁波散射信息很強(qiáng)的地區(qū)，影像上會(huì)出現(xiàn)明顯的亮斑。在極化SAR影像上通常是城區(qū)或者高大的樹木發(fā)生二面角散射，在濕地中能夠發(fā)生二面角散射的地物有蘆葦?shù)炔荼局参颷2]。可以用規(guī)范化的散射矩陣表示，其公式如下：

(2)

圖2 二面角散射圖

1.3 體散射

體散射指電磁波在接觸到空間中方向分布隨機(jī)的微小圓柱形散射體構(gòu)成的粒子團(tuán)時(shí)，散射波無(wú)序隨機(jī)分散的傳播如圖3所示，極化SAR系統(tǒng)上能夠接收到的電磁波散射信息強(qiáng)度介于表面散射和二面角散射之間，故而影像的顏色呈現(xiàn)灰色。在極化SAR影像上通常是植被，在濕地中能夠發(fā)生體散射的地物有灌叢沼澤等?？梢杂靡?guī)范化的散射矩陣表示，其公式如下：

(3)

式中，a1、b1—復(fù)數(shù)。

圖3 體散射

2 極化分解方法

極化分解的主流是將其分為相干和非相干兩種目標(biāo)分解方法，相干目標(biāo)分解是針對(duì)點(diǎn)目標(biāo)的，因此是在極化散射矩陣的基礎(chǔ)上進(jìn)行的，如Pauli分解、Cameron分解等[5]；非相干目標(biāo)分解是針對(duì)分布式目標(biāo)的，因此是在相干矩和協(xié)方差矩陣的基礎(chǔ)上進(jìn)行的，非相干目標(biāo)分解分為基于相干矩陣特征值的H/A/α分解和基于目標(biāo)物理特征模型的Freeman、MCSM分解等[3- 4]。

為了能夠更好的對(duì)研究區(qū)地面目標(biāo)進(jìn)行分析與分類，本文選用了多種經(jīng)典的極化分解方法，并從中提取特征，從各個(gè)方面充分利用極化雷達(dá)信息。本文采用的極化分解方法包括：Freeman分解、H/A/α分解、MCSM分解、NNED分解、Pauli分解和Yamaguchi分解等6種方法，進(jìn)而得到20個(gè)特征。各個(gè)特征、相應(yīng)的含義以及對(duì)應(yīng)的分解方法見表1。其中，h1～h20代表20個(gè)特征。

在分解方法中，散射矩陣、協(xié)方差矩陣以及相干矩陣可以用來(lái)描述極化數(shù)據(jù)基本的散射特征，在極化SAR圖像分類中，這些矩陣可以提供重要幫助，可以從這些基本的測(cè)量數(shù)據(jù)中獲得目標(biāo)地物的相關(guān)信息。濕地大多數(shù)地物的散射情況都可以用表面散射、二面角散射和體散射來(lái)描述，能夠發(fā)生表面散射的地面物體如平靜的水面、粗糙的裸土等；能夠發(fā)生二面角散射的地面物體如樹干等；能夠發(fā)生體散射的地面物體如農(nóng)作物、森林、灌叢等。不同地物發(fā)生的不同散射對(duì)于識(shí)別與分析目標(biāo)物的特性具有重要意義。

3 極化特性分析與極化特征選擇

為了更好地驗(yàn)證極化特征向量對(duì)分類結(jié)果的影響，現(xiàn)對(duì)各極化特征進(jìn)行分析。通過制作各個(gè)散射機(jī)理的功率均值散點(diǎn)圖、H/A/α平面散點(diǎn)圖和概率密度函數(shù)曲線圖來(lái)體現(xiàn)出濕地不同地物類型在不同極化特征中的表現(xiàn)，評(píng)價(jià)極化特征對(duì)極化SAR濕地的分類能力。

表1 特征及其含義

3.1 選取樣本

選取樣本對(duì)于極化SAR影像的后期研究至關(guān)重要，首先，通過地面調(diào)查獲得每個(gè)濕地地物各個(gè)類別的部分樣本；然后，在根據(jù)Lansat- 8影像和查閱以往的歷史資料，在Lansat- 8影像上確定位置；最后，通過尋找到的相同特征來(lái)獲取該地類的其余樣本。

根據(jù)濕地分類體系、相關(guān)資料查詢和實(shí)地調(diào)查，可將雙臺(tái)河口濕地地物大致分為草本沼澤、灌叢沼澤、庫(kù)塘、河流、淺海水域、淤泥質(zhì)沙灘和稻田7類。

3.2 功率均值散點(diǎn)圖

每一種極化特征可以使一種或幾種濕地地物與其他地物之間的差異顯著化，有助于找到極化特征與地物之間的關(guān)系，可以得到在功率均值散點(diǎn)圖中特征參數(shù)與地物之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系見表2。

表2 功率均值散點(diǎn)圖特征參數(shù)與濕地地物對(duì)應(yīng)表

3.3 H/A/α平面散點(diǎn)圖

各類樣本在H/α、H/A和A/α二維平面的空間分布圖如圖4所示。從圖4中可以看出，在H/α平面中淤泥質(zhì)沙灘、淺海水域和庫(kù)塘區(qū)分較差，其余地物區(qū)分度均較好，淺海水域的大部分被淤泥質(zhì)沙灘遮擋，說明淺海水域和淤泥質(zhì)沙灘區(qū)分不明顯，另外，稻田將草本沼澤的一部分遮擋，但總體上還是可以區(qū)分的；在A/α平面中草本沼澤和灌叢沼澤的區(qū)分度較好，稻田大部分遮擋灌叢沼澤，少部分遮擋草本沼澤，其余地物幾乎都相互遮擋，地物區(qū)分不明顯；在H/A平面中灌叢沼澤的區(qū)分度較好，其余地物相互交錯(cuò)，淤泥質(zhì)沙灘分布較為分散，較難區(qū)分。

圖4 H/α、H/A和A/α二維平面的空間分布圖

在H/α平面、A/α平面和H/A平面可以區(qū)分草本沼澤和灌叢沼澤，但其余地物需利用概率密度函數(shù)曲線圖進(jìn)一步進(jìn)行區(qū)分。

3.4 概率密度函數(shù)曲線圖

因除H、A與α外的其余極化特征的后向散射值分布密集且值較小，不利于進(jìn)行PDF曲線圖分析，因此需要將后向散射強(qiáng)度進(jìn)行分貝化處理，以增強(qiáng)差異。

在PDF曲線圖中，各個(gè)地物在不同的極化特征上呈現(xiàn)出不同的特性，草本沼澤的系數(shù)最大，河流與淺海水域的分布都是相似的并且最小，這與功率均值散點(diǎn)圖的分析相同；并且拖尾現(xiàn)象嚴(yán)重。

草本沼澤和稻田的PDF與其他地物的曲線交叉較少，尤其是草本沼澤與其他地物沒有交叉，稻田的PDF峰值右側(cè)也是基本與其他地物沒有交叉，由此說明草本沼澤和稻田在T22中區(qū)分度較好，如圖5所示。

圖5 Pauli分解的PDF曲線圖

經(jīng)過圖上數(shù)據(jù)分析，可以看出每一種極化特征可以使一種或幾種濕地地物與其他地物之間的差異顯著化，可以得到在PDF曲線圖中特征參數(shù)與地物之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系見表3。

4 最佳極化特征組合

利用功率均值散點(diǎn)圖、H/A/α平面散點(diǎn)圖和PDF曲線圖進(jìn)行極化特性分析，可以證明在極化SAR影像分類過程中，可以減少使用極化特征的個(gè)數(shù)，并且在這個(gè)選擇的過程中，可以獲取到目標(biāo)地物的散射響應(yīng)信息，這樣在極化特征選擇之后得到的極化特征參數(shù)能夠反映不同地物之間的不同，并且使得最終的極化特征參數(shù)與地面目標(biāo)的物理特性是相符的，這樣可以進(jìn)一步的證明選擇的特征參數(shù)的正確性。

表3 PDF曲線圖特征參數(shù)與濕地地物對(duì)應(yīng)表

在分析功率均值散點(diǎn)圖、H/A/α平面散點(diǎn)圖和PDF曲線圖過程中，發(fā)現(xiàn)每一種分析方法均可以得到幾種極化特征，每種極化特征可使一種或多種地物有較高的區(qū)分度，但不同分析方法得出的極化特征可能會(huì)有所不同，這樣就需要數(shù)據(jù)的整理和合并。

在經(jīng)過分析之后，發(fā)現(xiàn)有8種特征參數(shù)可以最大程度的區(qū)分地物，得出結(jié)論見表4。

5 結(jié)語(yǔ)

在Freeman分解、H/A/α分解、MCSM分解、NNED分解、Pauli分解和Yamaguchi分解這6種極化分解的基礎(chǔ)上，針對(duì)分類過程中因?yàn)闃O化特征過多造成的算法計(jì)算量過大以及產(chǎn)生的數(shù)據(jù)冗余的問題，提出了功率均值散點(diǎn)圖、H/A/α平面散點(diǎn)圖和概率密度函數(shù)曲線圖來(lái)進(jìn)行極化特征選擇，最終分析出最佳極化特征組合。

極化特征的選取與種類對(duì)于基于極化特征的極化SAR影像分類具有至關(guān)重要的作用，極化特征直接關(guān)系著分類結(jié)果，因此極化SAR影像的極化特征的創(chuàng)新與發(fā)展是一個(gè)未來(lái)的研究方向。