C波段星载合成孔径雷达极地海冰检测算法研究

发布时间：2020-08-01 20:55

【摘要】：极地在全球气候变化中扮演着非常重要的角色,因此极地海冰也越来越受到重视。海冰作为影响气候重要的因子,不仅对全球热平衡有着重要影响,还对海洋的温盐平衡也有影响。随着北极海冰逐渐地融化,使得连接大西洋和太平洋的北极航道能够开通。但是即使在夏季,北极航道地区仍然存在海冰,威胁过往船只的安全,因此极地海冰的检测有十分重要的现实意义。合成孔径雷达(SAR)全天时全天候观测及高空间分辨率数据的特性,更加有利于海冰的监测。因此如何利用SAR来进行极地海冰检测,即将海冰和海水分离开,是一个十分重要的研究内容。本文利用C波段高分3号及Sentinel-1 SAR数据开展了极地海冰检测算法的研究,主要研究内容与初步结论如下:(1)研究了海冰在C波段SAR水平-水平(Horizontal-Horizontal,HH)极化和水平-垂直(Horizontal-Vertical,HV)极化数据上的散射特性的差异。分析了在较大的入射角范围的情况下海冰、海水图像灰度值随入射角的变化情况及在较小入射角范围的情况下,海冰、海水的灰度值是否受风速的影响。通过以上两个研究分析,得到了HV极化图像灰度值随入射角的变化情况小于HH极化图像,以及HV极化图像灰度值受风速的影响小于HH极化图像的结论。这表明了HV极化方式相较于HH极化方式来说,对入射角及风速都较为不敏感,图像中同种物体的灰度值较为一致,有利于海冰和海水的区分。(2)开展了基于高分3号和Sentinel-1 SAR HV极化数据的海冰检测算法的研究。文中主要使用高分3号的条带成像模式的HV极化图像和Sentinel-1的超幅宽成像模式的HV极化图像,通过图像的纹理特性及支持向量机分类的方式进行海冰和海水的分离。为了能使算法自动运行而无需人工干预,文中改进了分水岭算法并用其进行样本的自动提取,同时根据海冰和海水在不同的纹理上表现出明显的特征来进行样本分类。最终通过用支持向量机训练样本得到的分类模型对整幅图像进行海冰检测。(3)开展了算法结果精度的研究。文中通过利用目视解译的结果同算法结果进行比较的方式来进行算法精度的检验。结果表明文中算法对海冰和海水的检测精度均在90%以上。(4)开展了算法的适用性研究。文中利用了多幅高分3号及Sentinel-1SAR图像进行算法测试,其中大部分的图像都能得到很好的海冰检测结果,但也有少量图像不能得到海冰检测结果。文中对部分海冰检测结果成功的图像进行了展示,同时对检测不成功的原因也进行了总结。
【学位授予单位】：中国科学院大学(中国科学院遥感与数字地球研究所)
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：P731.15
【图文】：

最大密度,盐度,海冰

候及北极航道的开通都有重要影响，因此得到了全世界地广泛关注。随着卫术的发展，海冰可以被大范围、连续观测，更加促进了对极地海冰的研究。将从海冰的形成、海冰的分类、海冰的特性三个方面来对海冰进行简介，从雷达后向散射特性的影响因素来介绍海冰的散射特征。.1 海冰简介.1.1 海冰的形成海冰的形成需要两个条件，一是海水温度降低至冰点并且持续失热，二是凝结核。海水的冰点是随盐度增大而降低的，海水的最大密度温度也是随盐增大而降低，但是二者随盐度降低的速率不同，即冰点随盐度降低的速率小大密度温度随盐度降低的速率，导致二者在盐度为24.695处相交（瑙斯，1983图 2.1 所示。

示意图,示意图,数据,角变化

VV像 29.1~46.0 5*20 250 HH, VVVV 18.9~47.0 20*40 400 HH, VVVV21.6~25.134.8~38.05*5 20 HH用 Sentinel-1 的超幅宽成像模式数据，该成像模式采观测条带的数据从而获取整幅图像的数据。由表 3.2角变化范围为 18.9°~47.0°，刈幅为 400 km,可以对海于监测海冰覆盖范围的变化。

极化图,实验区,极化图,入射角

(a) (b)图 4.1 Sentinel-1 SAR 图像中用于研究灰度值随入射角变化的实验区域（红框所示），（a）HH 极化图像，（b）HV 极化图像（成像时间：2017 年 8 月 16 日 7 点 28 分（UTC）；成像模式：超幅宽成像模式）Figure 4.1 Experimental region in the red box of Sentinel-1 SAR image to study the changes ofgray value with incident angle, (a) HH polarization image, (b) HV polarization image(Imaging time: 7:28 on August 28th, 2017(UTC); imaging mode: extra wide swath mode)

【参考文献】