徐 天，丁華祥

(廣東省國(guó)土資源測(cè)繪院，廣東廣州 510500)

利用多時(shí)相雷達(dá)數(shù)據(jù)進(jìn)行多云多雨地區(qū)的土地利用分類(lèi)研究

徐 天，丁華祥

(廣東省國(guó)土資源測(cè)繪院，廣東廣州 510500)

光學(xué)遙感數(shù)據(jù)在多云多雨地區(qū)應(yīng)用受到限制，而具有全天候、全天時(shí)的雷達(dá)數(shù)據(jù)在該類(lèi)地區(qū)具有廣闊的應(yīng)用前景。本文采用3期ALOS PALSAR雷達(dá)數(shù)據(jù)對(duì)廣東省東莞市進(jìn)行土地利用分類(lèi)研究。研究結(jié)果表明，多時(shí)相雷達(dá)數(shù)據(jù)相比單時(shí)相雷達(dá)數(shù)據(jù)可以提高土地利用分類(lèi)精度；剔除土地利用變化信息、融合多時(shí)相雷達(dá)數(shù)據(jù)、選擇合適的解譯標(biāo)志是多時(shí)相雷達(dá)數(shù)據(jù)進(jìn)行土地利用分類(lèi)的關(guān)鍵步驟。

多時(shí)相雷達(dá)；多云多雨；土地利用分類(lèi)

一、引 言

光學(xué)遙感數(shù)據(jù)在土地利用分類(lèi)中的應(yīng)用已經(jīng)比較成熟，但是其受天氣的影響和成像時(shí)間的限制，往往無(wú)法獲取關(guān)鍵時(shí)間的影像，影響了其在多云多雨地區(qū)土地利用分類(lèi)的應(yīng)用。合成孔徑雷達(dá)(SAR)具有全天候、全天時(shí)的工作特點(diǎn)，并且對(duì)地表有一定的穿透能力，近年來(lái)逐步應(yīng)用在土地利用分類(lèi)中。

Dekker使用單極化ERS-1數(shù)據(jù)對(duì)新西蘭的城區(qū)進(jìn)行分類(lèi)，最佳情況下僅獲得了52.4%的總體分類(lèi)精度[1]。尤淑撐等分別對(duì)TerraSAR、COSMO-SkyMed、RadarSat-2高分辨率SAR衛(wèi)星中1 m聚束模式和3 m條帶模式數(shù)據(jù)新增建設(shè)用地監(jiān)測(cè)能力進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，結(jié)果表明，1 m聚束模式新增建設(shè)用地屬性識(shí)別準(zhǔn)確率可達(dá)80%，3m條帶模式識(shí)別準(zhǔn)確率約75%[2]。溫禮等分別評(píng)價(jià)了單波段單極化RadarSat-2雷達(dá)數(shù)據(jù)和THEOS、QuickBird光學(xué)數(shù)據(jù)的變化圖斑提取精度，結(jié)果表明，RadarSat-2雷達(dá)數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)變化圖斑的能力明顯不如同分辨率的光學(xué)遙感數(shù)據(jù)。因此，目前雷達(dá)數(shù)據(jù)在土地利用分類(lèi)中的應(yīng)用還遠(yuǎn)不如光學(xué)數(shù)據(jù)，其精度也有一定的差距[3]，這主要是由于利用單時(shí)相SAR影像進(jìn)行土地覆蓋分類(lèi)時(shí)，雷達(dá)反射信號(hào)在強(qiáng)散射區(qū)的飽和性及不同覆蓋地物間的模糊性導(dǎo)致單時(shí)相雷達(dá)數(shù)據(jù)具有較大的局限性[4]。為提高SAR影響的土地利用分類(lèi)精度，結(jié)合SAR可重復(fù)周期觀測(cè)性的特點(diǎn)，并采用多時(shí)相雷達(dá)數(shù)據(jù)，根據(jù)不同地表覆蓋物在不同時(shí)期表現(xiàn)出來(lái)的后向散射系數(shù)，對(duì)地表覆蓋物進(jìn)行分類(lèi)，將是一種行之有效的方法。

本文以廣東省東莞市為例，采用3期的ALOS PALSAR雷達(dá)數(shù)據(jù)進(jìn)行多時(shí)相雷達(dá)數(shù)據(jù)土地利用分類(lèi)研究。

二、試驗(yàn)區(qū)域和影像數(shù)據(jù)

1.試驗(yàn)區(qū)域

東莞市位于廣東省中南部，珠江口東岸，陸地面積約2465 km2；地勢(shì)東南高、西北低，地貌以丘陵臺(tái)地、沖積平原為主。東莞屬亞熱帶季風(fēng)氣候，長(zhǎng)夏無(wú)冬，日照充足，雨量充沛，年平均氣溫為23.1℃，年平均雨量為1 819.9 mm。從地表分布看，東莞市植被覆蓋率高，水網(wǎng)密布，地貌類(lèi)型以低山丘陵、沖積平原為主。

2.影像數(shù)據(jù)

PALSAR是ALOS衛(wèi)星攜帶的一個(gè)L波段的合成孔徑雷達(dá)傳感器，不受云層、天氣和晝夜影響，可全天候?qū)Φ赜^測(cè)，獲取高分辨率、掃描式合成孔徑雷達(dá)、三種極化觀測(cè)模式的數(shù)據(jù)。本文采用了3期高分辨率的HH極化雷達(dá)數(shù)據(jù)，其空間分辨率是12.5 m。為了便于剔除土地變化部分，采用了兩景相隔1年的冬季數(shù)據(jù)和一景東莞地區(qū)植被生長(zhǎng)旺季的8月份的數(shù)據(jù)，具體參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 PALSAR數(shù)據(jù)參數(shù)

3.數(shù)據(jù)預(yù)處理

為了對(duì)PALSAR數(shù)據(jù)進(jìn)行土地利用分類(lèi)，需要對(duì)其進(jìn)行絕對(duì)輻射定標(biāo)、斑點(diǎn)噪聲去除、幾何定標(biāo)，以及多時(shí)相數(shù)據(jù)融合處理。

(1)絕對(duì)輻射定標(biāo)

PALSAR雷達(dá)影像的后向散射系數(shù)計(jì)算公式如下

式中，DN為像素值；σ0為后向散射系數(shù)；const為輻射定標(biāo)校正系數(shù)，在ALOS頭文件中提取。

將后向散射系數(shù)轉(zhuǎn)化為DB表示的后向散射系數(shù)，便于對(duì)影像進(jìn)行點(diǎn)目標(biāo)的定量度量和分析，具體如下

(2)幾何校正

本文以東莞市校正過(guò)的高分辨率遙感影像作為參考圖像，以田埂、橋梁、水庫(kù)大壩、十字路口、水渠等不變的標(biāo)志為控制點(diǎn)，在每景PALSAR影像中選擇30個(gè)點(diǎn)均勻分布于全圖像，選擇三角網(wǎng)內(nèi)插校正模型，校正誤差小于0.5個(gè)像元，對(duì)雷達(dá)遙感影像進(jìn)行精確的幾何校正。

(3)斑點(diǎn)噪聲去除

根據(jù)PALSAR數(shù)據(jù)的特點(diǎn)，借鑒其他的研究成果，本文采用Gamma MAP濾波方法對(duì)PALSAR數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波。Gamma MAP濾波公式如下

(4)變化檢測(cè)

由于3景PALSAR數(shù)據(jù)相隔1年，研究區(qū)內(nèi)個(gè)別地方的土地利用方式發(fā)了變化，采用多時(shí)相遙感數(shù)據(jù)進(jìn)行土地利用分類(lèi)可能存在誤判的地方，因此需要剔除變化區(qū)域。本文采用以下公式檢測(cè)土地利用方式變化式中，TBchange是土地利用方式變化圖；Db1是2006年12月26日PALSAR數(shù)據(jù)的后向散射系數(shù)圖；Db2是2007年12月25日PALSAR數(shù)據(jù)的后向散射系數(shù)圖。

通過(guò)式(4)的計(jì)算，對(duì)明顯發(fā)生變化的地方予以剔除，以免影響最后土地利用分類(lèi)精度。

(5)多時(shí)相數(shù)據(jù)融合

為了充分利用3景PALSAR數(shù)據(jù)的多時(shí)相遙感信息，同時(shí)避免3景PALSAR數(shù)據(jù)存在相關(guān)性，影響分類(lèi)精度，本文將3期PALSAR數(shù)據(jù)進(jìn)行了主成分變換，去除了大量冗余和重復(fù)的信息。

三、結(jié)果與分析

1.解譯標(biāo)志的建立

本文根據(jù)多時(shí)相PALSAR數(shù)據(jù)融合后的目標(biāo)可解譯性，將研究區(qū)分為水體、耕地、林地和城鎮(zhèn)4種土地利用方式。

為準(zhǔn)確選擇土地利用類(lèi)型的解譯標(biāo)志，本文采用了基于圖像分割的方式，即首先按照后向散射系數(shù)的特性，將PALSAR數(shù)據(jù)粗分割為水體、耕地、林地和城鎮(zhèn)，具體后向散射系數(shù)區(qū)間見(jiàn)表2；然后在各自分割后的圖像中建立解譯標(biāo)志，保證了解譯標(biāo)志選擇的正確性。解譯標(biāo)志的選擇如圖1所示，每個(gè)解譯標(biāo)志都選擇了50個(gè)樣本。

表2 PALSAR數(shù)據(jù)樣本圖像分割區(qū)間表

圖1 樣本選擇結(jié)果

2.分類(lèi)結(jié)果和精度評(píng)價(jià)

本文選擇了70%的解譯標(biāo)志，采用最小距離分類(lèi)法對(duì)多時(shí)相ALOS PALSAR雷達(dá)數(shù)據(jù)和單時(shí)相ALOS PALSAR雷達(dá)數(shù)據(jù)進(jìn)行分類(lèi)；根據(jù)剩下的30%的樣本對(duì)多時(shí)相ALOS PALSAR雷達(dá)數(shù)據(jù)和單時(shí)相ALOS PALSAR雷達(dá)數(shù)據(jù)進(jìn)行精度驗(yàn)證，相應(yīng)的混淆矩陣見(jiàn)表3—表6。

表3 多時(shí)相雷達(dá)遙感影像的分類(lèi)精度混淆矩陣(%)

表4 2006年12月26日的雷達(dá)遙感影像的分類(lèi)精度混淆矩陣(%)

表5 2007年8月9日的雷達(dá)遙感影像的分類(lèi)精度混淆矩陣(%)

表6 2007年12月25日的雷達(dá)遙感影像的分類(lèi)精度混淆矩陣(%)

從表3—表6可以看出，采用3期PALSAR數(shù)據(jù)進(jìn)行土地利用分類(lèi)時(shí)，水體、耕地、林地和城鎮(zhèn)的分類(lèi)精度都高于采用單時(shí)相PALSAR數(shù)據(jù)進(jìn)行土地利用分類(lèi)的精度。由此可見(jiàn)，采用多時(shí)相雷達(dá)數(shù)據(jù)進(jìn)行土地利用分類(lèi)比單時(shí)相雷達(dá)數(shù)據(jù)進(jìn)行土地利用分類(lèi)可獲得更高的分類(lèi)精度。

四、討 論

雖然采用多時(shí)相雷達(dá)數(shù)據(jù)進(jìn)行土地利用分類(lèi)能夠明顯地提高分類(lèi)精度，但是這種方法還是存在不少不足之處，需要進(jìn)一步探討。

1)采用多時(shí)相雷達(dá)遙感數(shù)據(jù)進(jìn)行土地利用分類(lèi)時(shí)，土地利用變化信息往往對(duì)土地利用分類(lèi)結(jié)果產(chǎn)生很大的影響。因此，如何剔除土地利用變化信息，是多時(shí)相雷達(dá)遙感數(shù)據(jù)進(jìn)行土地利用分類(lèi)首要解決的問(wèn)題[5]。本研究采用相隔一年且處于相同物候時(shí)間的PALSAR數(shù)據(jù)進(jìn)行土地利用變化分析，提高了土地利用變化信息提取的準(zhǔn)確性，減少了其對(duì)最后土地利用分類(lèi)結(jié)果的影響。

2)解譯標(biāo)志選擇的好壞對(duì)圖像分類(lèi)結(jié)果影響很大。解譯標(biāo)志確定方法很多，各具有優(yōu)缺點(diǎn)。本文根據(jù)雷達(dá)影像的特點(diǎn)，利用圖像分割的成果選取解譯標(biāo)志的樣本，極大提高了解譯標(biāo)志之間的可分離性，保證了最后的土地利用分類(lèi)精度。

3)采用多時(shí)相雷達(dá)數(shù)據(jù)進(jìn)行土地利用分類(lèi)時(shí)，必須進(jìn)行多時(shí)相數(shù)據(jù)融合，主要原因是多時(shí)相雷達(dá)數(shù)據(jù)往往含有大量無(wú)用的細(xì)節(jié)和冗余的信息，這些細(xì)節(jié)和信息常常誤導(dǎo)土地利用分類(lèi)，影響最后的土地利用分類(lèi)精度。

4)水體與耕地之間也存在一定的誤分類(lèi)，主要是研究區(qū)的水田比較多，耕地中泥土的含水量比較大，導(dǎo)致部分耕地的散射特征類(lèi)似于水體的散射特征。耕地和與林地之間也存在一定的誤分類(lèi)，主要是部分耕地上的農(nóng)作物和林地上的植被的葉子具有相近的散射特征，影響了兩者的分類(lèi)精度。

五、結(jié)束語(yǔ)

本文采用多時(shí)相雷達(dá)數(shù)據(jù)對(duì)多云多雨地區(qū)進(jìn)行了土地利用分類(lèi)研究，結(jié)果表明，多時(shí)相雷達(dá)數(shù)據(jù)比單時(shí)相雷達(dá)數(shù)據(jù)的土地利用分類(lèi)精度高；同時(shí)研究還發(fā)現(xiàn)，剔除土地利用變化信息、解譯標(biāo)志選擇的可靠性、多時(shí)相雷達(dá)數(shù)據(jù)的融合對(duì)多時(shí)相雷達(dá)數(shù)據(jù)土地利用分類(lèi)精度都會(huì)產(chǎn)生影響。

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A Study on the Classification of Land Use by the Multi-temporal Radar Data

XU Tian，DING Huaxiang

P237

B

0494-0911(2014)09-0084-03

2014-03-20

徐 天(1973—)，男，廣東蕉嶺人，高級(jí)工程師，研究方向?yàn)榇蟮販y(cè)量、工程測(cè)量和測(cè)繪技術(shù)在國(guó)土資源管理中的應(yīng)用等。引文格式:徐天，丁華祥.利用多時(shí)相雷達(dá)數(shù)據(jù)進(jìn)行多云多雨地區(qū)的土地利用分類(lèi)研究[J].測(cè)繪通報(bào)，2014(9)：84-86.

10.13474/j.cnki.11-2246.2014.0301