CN107329139B - 一种双时相双极化干涉sar影像水域提取方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种双时相双极化干涉SAR影像水域提取方法，即为合成孔径雷达影像水域提取方法，依次包括亚像素级配准，计算相干系数，计算总功率图，计算总功率均值，计算总功率归一化散射系数，计算水域指数，计算统计水域的水域均值和标准差，以及二值化；本发明针对SAR影像上水体解译精度不高、自动化程度较低的问题，基于相干SAR影像对大部分地物在时间间隔短的时候具有良好相干性的特性，提供了一种基于双极化SAR数据相干系数和强度值的SAR影像水域指数，增强了影像上的水域信息，且抑制了其他地物，提高各时相影像上的水域解译的自动化程度，有助于增强用户对SAR影像的认可度和准确度，加快SAR在洪灾监测、地形制图等方面的推广应用。

Description

一种双时相双极化干涉SAR影像水域提取方法
[技术领域]
本发明属于计算机图像处理技术领域，是一种合成孔径雷达(SyntheticAperture Radar,SAR)遥感影像解译相关的方法，具体涉及一种双时相双极化干涉SAR影像水域提取方法。
[背景技术]
水域是遥感影像上最重要的地物类型之一。SAR工作中微波波段，具有全天候全天时的工作能力，在水域提取方面具有明显的优势，在洪灾监测与评估、应急测绘与地形制图方面具有十分重要的应用。当前已有的方法主要基于单时相强度或幅度影像的水域提取方法，其精度和效率有待提升。目前SAR数据来源越来越丰富，许多SAR卫星都具有重轨干涉SAR的数据获取模式，国际上类似像欧空局哨兵1号卫星免费且定期获取近实时分发的数据资源越来越多，但目前却未见充分利用干涉SAR信息提取水域的公开方法。
本发明即针对现有技术的不足而研究提出。
[发明内容]
本发明要解决的技术问题是提供一种双时相双极化干涉SAR影像水域提取方法，基于相干SAR影像对大部分地物在时间间隔较短的时候，具有良好相干性的特性，使之基于相干系数的水域指数以提取水域，因此，大幅改善了水域解译的自动化程度，有助于增强用户对SAR影像的认可度和准确度，加快SAR在洪灾监测、地形制图等方面的推广应用。
本发明的目的在于解决双时相双极化干涉SAR复影像上各自水域的提取方法。
常见的双极化SAR模式有HH/HV、VH/VV和HH/VV，其中HH表示水平同极化，HV或VH表示交叉极化，VV表示垂直同极化，三种双极化影像用复后向散射矢量可分别表示为：
Figure BDA0001360363700000021
SH,SV和SC每个分量均为复数。
极化模式为X，(X＝H,V或C)的a、b两个时相的双极化SAR影像可分别记为Sa和Sb，Sa和Sb的形式为SX，X＝H,V或C，可分别表示为
Figure BDA0001360363700000022
其中sa1、s、a2sb1和sb2是复数。
为实现上述目的，本发明一种双时相双极化干涉SAR影像水域提取方法，采用了下列技术方案，包括以下具体步骤：
步骤1：亚像素级别配准，即对a、b两个时相的双极化SAR进行亚像素级的配准，配准精度需达到0.1像素，使得a、b两时相影像上同一行列号的像素对应于同一地物；
步骤2：计算相干系数，即分别计算两个极化通道的相干系数γ1和γ2：
Figure BDA0001360363700000023
其中x*为x的共轭复数，<>是集平均运算符，即在像素的邻域进行均值计算；
步骤3：计算总功率图，即分别计算两个时相的总功率图：
Figure BDA0001360363700000031
步骤4：计算总功率均值，即分别计算两个时相的总功率均值：
Figure BDA0001360363700000032
其中m,n为图像的行列数，Pa(i,j)和Pb(i,j)分别是第i行第j列a、b两时相的总功率；
步骤5：计算总功率归一化散射系数，即分别计算两个时相的总功率归一化后的散射系数：
Figure BDA0001360363700000033
记s'a1、s'a2和s'b1、s'b2分别是S'a和S'b的分量，即
Figure BDA0001360363700000034
步骤6：计算各种水域指数；
步骤7：统计水域的水域指数均值m和标准差σ，即选定水域的代表性区域，统计水域的水域指数均值m和标准差σ；
步骤8：二值化，即根据步骤7统计信息，相应确定阈值，对得到的任何一个水域指数进行二值化，得到水域范围。
步骤6中采用相干系数与功率的比值形式计算各种水域指数Ia、Ib、Iab、Ia∪b、Ia∪b、Ia∩b：
Figure BDA0001360363700000035
Figure BDA0001360363700000036
其中表示复数的模运算，max()和min()分别是取最大值和最小值的运算，Ia、Ib分别是a、b时相影像的水域指数，Iab是当两影像时间间隔短且地物几乎没有变化时的水域指数，Ia∪b是两时相影像上出现一次以上水域时的水域指数，Ia∩b两时相均为水域的水域指数；由于水域指数是大于0的数，且水域指数值越大，其属于水域的概率越高，若水域指数值越小，其属于水域的概率越低：
(1)当X＝C时，
Figure BDA0001360363700000041
(2)当X＝H时，
Figure BDA0001360363700000042
(3)当X＝V时，
Figure BDA0001360363700000043
步骤6中采用相干系数与功率的比值形式计算各种水域指数Ia、Ib、Iab、Ia∪b、Ia∪b、Ia∩b还可适用于单极化的形式，此时Sa和Sb由矢量退化为标量sa和sb，各水域指数计算如下：
Figure BDA0001360363700000044
Figure BDA0001360363700000045
Figure BDA0001360363700000046
Figure BDA0001360363700000051
与现有技术相比较，本发明一种双时相双极化干涉SAR影像水域提取方法，具有如下优点和特点：
1、同时利用了SAR影像上水域相干性弱和回波较弱的特点；
2、同时利用了双极化SAR影像中两个极化通道的信息；
3、水域指数图上，水域呈现高亮，信息得到了增强，而其他地物均较暗，信息得到了抑制，可以通过阈值化处理，可有效地提取出水域范围，通过本发明方法，可为洪灾评估和地形制图提供技术服务。
[附图说明]
图1为本发明流程图。
图2为时相a的水域指数图。
[具体实施方式]
下面结合附图与本发明的实施方式作进一步详细的描述：
本发明的目的在于基于双时相干涉SAR影像上水域具有强度较小和相干性较弱的特性提出一种水域指数以增强水域信息提高解译效果，以下将结合附图和具体实施例对本发明做进一步的阐述。
请见图1，本发明一种双时相双极化干涉SAR影像水域提取方法，本实施例的数据是欧空局哨兵1号A星的C波段雷达获取的双极化SAR影像，极化方式为VV/VH，区域位于江西省南昌市鄱阳湖地区，获取日期分为2017年4月11日和4月13日，影像的产品形式为单视斜距复数影像。a、b两个时相的双极化SAR影像可分别记为Sa和Sb，Sa和Sb的形式为SV，可分别表示为
Figure BDA0001360363700000061
其中sa1、s、a2sb1和sb2是复数。选取了包括植被、城区、郊区、河流、湖泊等地物类型的某一子区域进行处理，影像大小为5000*5000，具体包括以下处理步骤：
步骤1：对4月11日和4月13日两个时相的双极化SAR进行亚像素级的配准，配准精度为0.089像素；
步骤2：分别计算两个极化通道的相干系数γ1和γ2
Figure BDA0001360363700000062
其中x*为x的共轭复数，<>是集平均运算符，即在像素的邻域进行均值计算；
步骤3：分别计算两个时相的总功率图：
Figure BDA0001360363700000063
步骤4：分别计算两个时相的总功率均值：
Figure BDA0001360363700000064
其中m,n为图像的行列数，Pa(i,j)和Pb(i,j)分别是第i行第j列a、b两时相的总功率；
步骤5：分别计算两个时相的总功率归一化后的散射系数：
Figure BDA0001360363700000065
记s'a1、s'a2和s'b1、s'b2分别是S'a和S'b的分量，即
Figure BDA0001360363700000066
步骤6：计算水域指数Ia、Ib、Iab、Ia∪b、Ia∪b、Ia∩b：
Figure BDA0001360363700000071
Figure BDA0001360363700000072
其中||表示复数的模运算，max()和min()分别是取最大值和最小值的运算，
Figure BDA0001360363700000073
Ia、Ib分别是a、b时相影像的水域指数，Iab是当两影像时间间隔很短地物几乎没有变化时的水域指数，Ia∪b是两时相影像上出现一次以上水域时的水域指数，Ia∩b两时相均为水域的水域指数。由于水域指数为大于0的数，水域指数值越大，其属于水域的概率越高；水域指数值越小，其属于水域的概率则越低。
步骤7：选择代表性水域，统计水域指数的均值和标准差分别为m和σ，阈值T＝m-2σ，对得到的任何一个水域指数进行二值化，即可得到水域范围。以Ia为例，图2为时相a的水域指数，m＝8.9和σ＝2.7，阈值T＝m-2σ＝3.5，时相a影像上，Ia>T时，为水体，否则为其他地物。
本实施例的结果如下：(1)生成了5种形式的水域指数图，水域均呈现亮色，信息得到了增强；(2)分别得到了两个时相的水域指数图；(3)得到了两时相均为水域或某一为水域的水域指数图；(4)得到了两个平均水域指数图。(5)根据监督统计的方法，得到了阈值，并进行了二值化提取出了水体。

Claims (3)

1.一种双时相双极化干涉SAR影像水域提取方法，双极化SAR模式有HH/HV、VH/VV和HH/VV，其中HH表示水平同极化，HV或VH表示交叉极化，VV表示垂直同极化；水平同极化、交叉极化、垂直同极化的双极化影像用复后向散射矢量可分别表示为：
Figure FDA0002240802860000011
SH,SV和SC每个分量均为复数；
极化模式为X，(X＝H,V或C)的a、b两个时相的双极化SAR影像可分别记为Sa和Sb，Sa和Sb的形式为SX，X＝H,V或C，表示三种不同的双极化方式，Sa和Sb可分别表示为
Figure FDA0002240802860000012
其中sa1、sa2、sb1和sb2是复数；
该方法的特征在于包括以下步骤：
步骤1：亚像素级别配准，即对a、b两个时相的双极化SAR进行亚像素级的配准，配准精度需达到0.1像素，使得a、b两时相影像上同一行列号的像素对应于同一地物；
步骤2：计算相干系数，即分别计算两个极化通道的相干系数γ1和γ2：
Figure FDA0002240802860000013
其中x*为x的共轭复数，<>是集平均运算符，即在像素的邻域进行均值计算；
步骤3：计算总功率图，即分别计算两个时相的总功率图：
Figure FDA0002240802860000014
步骤4：计算总功率均值，即分别计算两个时相的总功率均值：
Figure FDA0002240802860000015
其中m,n为图像的行列数，Pa(i,j)和Pb(i,j)分别是第i行第j列a、b两时相的总功率；
步骤5：计算总功率归一化散射系数，即分别计算两个时相的总功率归一化后的散射系数：
Figure FDA0002240802860000021
记s'a1、s'a2和s'b1、s'b2分别是S'a和S'b的分量，即
Figure FDA0002240802860000022
步骤6：计算各种水域指数；
步骤7：计算统计水域的水域指数均值m和标准差σ，即选定水域的代表性区域，统计水域的水域指数均值m和标准差σ；
步骤8：二值化，即根据步骤7统计信息，相应确定阈值，对得到的任何一个水域指数进行二值化，得到水域范围。
2.根据权利要求1所述的一种双时相双极化干涉SAR影像水域提取方法，其特征在于：步骤6中采用相干系数与功率的比值形式计算各种水域指数Ia、Ib、Iab、Ia∪b、Ia∪b、Ia∩b：
Figure FDA0002240802860000023
Figure FDA0002240802860000024
其中||表示复数的模运算，max()和min()分别是取最大值和最小值的运算，Ia、Ib分别是a、b时相影像的水域指数，Iab是当两影像时间间隔短且地物几乎没有变化时的水域指数，Ia∪b是两时相影像上出现一次以上水域时的水域指数，Ia∩b两时相均为水域的水域指数；由于水域指数是大于0的数，且水域指数值越大，其属于水域的概率越高，若水域指数值越小，其属于水域的概率越低：
(1)当X＝C时，
Figure FDA0002240802860000031
(2)当X＝H时，
Figure FDA0002240802860000032
(3)当X＝V时，
Figure FDA0002240802860000033
3.根据权利要求1所述的一种双时相双极化干涉SAR影像水域提取方法，其特征在于：步骤6中采用相干系数与功率的比值形式计算各种水域指数Ia、Ib、Iab、Ia∪b、Ia∪b、Ia∩b还可适用于单极化的形式，此时Sa和Sb由矢量退化为标量sa和sb，各水域指数计算如下：
Figure FDA0002240802860000034
Figure FDA0002240802860000035
Figure FDA0002240802860000036
Figure FDA0002240802860000037
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