全极化星载SAR影像辐射校正与城区变化检测

发布时间：2019-11-04 03:36

【摘要】：随着社会经济的发展,城市化进程越来越快,越来越多的农村人口转变为城市人口。城市范围的扩张与城区内部环境结构的变化,极大地改变了城市周边以及城市内部地物类型的分布。城市以及周边土地利用／覆盖类型的快速变化,严重影响了城市的生态环境、社会经济甚至是人们的日常生活方式。运用遥感影像(光学、SAR技术)进行城区变化检测是遥感对地观测技术的重要应用之一。星载极化合成孔径雷达(PolSAR)可以同时获取四个极化通道的地物目标散射特性,与单极化影像相比,可以更加全面地描述地物目标,从而更加准确可靠地进行地物目标分析与识别。星载PolSAR信号穿越大气电离层时,会受到法拉第旋转效应的干扰影响而产生相位偏转,且波长越长,受到的影响就越大,使得极化雷达回波信号不能准确描述目标特性。另外,SAR系统侧视斜距成像在地形起伏区域会造成叠掩、透视收缩以及阴影等几何畸变,同时使得雷达回波信号产生辐射畸变,导致难以准确反映地物目标散射特性。同时,尽管现有可用来描述目标的极化特征不少,但大多数特征之间存在着较高的相关性,形成了一定程度的信息冗余,这也对变化检测算法提出了更高的要求。为了更有效地利用PolSAR影像进行变化检测,则需要解决上述问题,找寻合适的电离层与地形辐射校正算法,完善散射特征矩阵,提取有效表达不同地物目标特性的极化特征,并采用合适的检测算法。本文从PolSAR基础理论出发,描述极化波传播特征与表达以及极化分解等原理,分析电离层以及地形起伏对目标辐射特性的影响,并探讨不同极化特征提取与变化检测的可行性与可靠性,主要从以下几点进行分析：一、针对电离层法拉第旋转效应对长波PolSAR信号的影响问题,分析了电离层法拉第旋转效应产生的本质以及法拉第旋转角估算算法,重点介绍了利用全极化PolSAR影像极化基变换进行法拉第旋转角估算并实现极化通道影像法拉第旋转效应辐射校正的方法。该算法可以实现像素级的电离层法拉第旋转辐射校正,计算过程简便,易于实现。二、针对PolSAR侧视成像几何畸变引起的地形起伏区域辐射畸变校正问题,分析了其几何畸变产生的原理,介绍了PolSAR数据辐射校正常规算法与地形起伏区域适用算法,重点阐述了基于面元积分的地形辐射校正算法。这种算法从PolSAR信号与地物目标作用角度,考虑每个影像像元对应的实际信号局部后向散射截面积,最终实现信号的辐射校正,计算过程较之传统的基于局部入射角度算法要复杂,但是效果更优。三、针对极化特征少以及特征之问的相关性问题,在分析城区典型地物目标散射特性的基础上,计算多种相干、非相干以及极化分解特征并按照一定的规则进行分组,通过选定的评价因子,计算其相关性以及目标识别能力,最终选出最优的特征组合作为变化检测的输入影像。四、针对变化检测具体实施问题,本文选择基于典型相关分析的双阈值分割以及随机森林分类算法作为提取两时相影像变化特征信息的方法,实现了基于两时相ALOS PALSAR全极化影像的山东省泰安市城区变化检测,同时收集了与PALSAR影像获取时间相近的Landsat TM影像作为辅助数据,对变化检测样本选择进行指导并作为实验结果精度评价的参照。论文在解决以上理论与技术方法问题的基础上,采用多景L-波段的ALOS PALSAR数据实现了电离层法拉第旋转辐射校正并对实验结果进行分析,发现对于中纬度地区而言,一般情况下法拉第旋转角较小,其对于地物覆盖分类的影响通常可以忽略不计；利用泰安市一景ALOS PALSAR影像实现了地形起伏区域影像辐射校正,并对校正结果进行分析,发现基于面元积分的地形辐射校正结果优于传统的基于局部入射角的辐射校正结果；利用泰安市两景ALOS PALSAR影像实现了组合不同算法、不同输入特征的变化检测实验,结果分析可知,所选的最优极化特征组合可以比较准确地实现变化信息的提取,光学与极化特征影像数据的联合估算效果更优,地形校正对改善变化检测结果会产生一定的积极影响。
【图文】：

示意图,电磁波传播,示意图,电场矢量

号的接收点位置无关。但是，为了更好的描述雷达波的极化状态，，需要选择合适的空间坐标系。在笛卡尔坐标系下（图2-1)，电磁波沿+Z轴传播，其电场矢量在x-o-y平面内，可以分解为X方向与y方向两个分量瓦问与瓦0) (2-6)：图2-1电磁波传播示意图E(z、= ￡xfz)er +￡v(z)eu￡.(z) = =五■.NB 十。"S, (2-6)瓦(2) = :^,= E,?12

方位图,极化椭圆,极化状态,几何参数

电场矢量沿顺时针方向旋转，则为右旋极化，若是沿逆时针方向旋转，则为左旋极化(图2-2)。当电磁波的两个正交分量的振幅和相位差是常数时，称之为完全极化波，但是如果两个正交分量频率相同，但是完全不相关时，则为完全非极化波，介于两者之间的则称之为部分极化波。图2-2极化椭圆对于任意极化状态，可以用极化椭圆的几何参数来进行描述：幅度A,极化方位角卢和椭圆率角r，图2-3。13
【学位授予单位】：武汉大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：P237

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