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        基于非極化分量的SAR圖像海洋鋒特征增強(qiáng)方法

        2021-07-14 16:12:12趙亞威種勁松
        光學(xué)精密工程 2021年6期
        關(guān)鍵詞:極化剖面分量

        趙亞威,孫 凱,種勁松

        (1.中國(guó)科學(xué)院 空天信息創(chuàng)新研究院,北京100094;2.微波成像技術(shù)國(guó)家級(jí)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京100190;3.中國(guó)科學(xué)院大學(xué),北京100049)

        1 引 言

        海洋鋒是指海洋中性質(zhì)明顯不同的兩種或多種水體之間的狹窄過渡帶[1],海洋鋒的研究在海洋漁業(yè)、軍事、海上救援等方面具有重要意義[2]。合成孔徑雷達(dá)(Synthetic Aperture Radar,SAR)憑借其全天時(shí)、全天候、探測(cè)范圍廣的優(yōu)勢(shì)[3,4],廣泛應(yīng)用于海洋遙感領(lǐng)域,是海洋鋒觀測(cè)的重要傳感器。

        受海面整體運(yùn)動(dòng)、海面后向散射系數(shù)相對(duì)低以及海況的影響,海洋鋒在SAR圖像中特征較弱,給后續(xù)應(yīng)用帶來困難,亟需開展海洋鋒特征增強(qiáng)方法的研究。常規(guī)的圖像增強(qiáng)方法大多基于像素點(diǎn)的灰度值進(jìn)行處理,這些方法對(duì)噪聲較為敏感,而SAR圖像中具有較強(qiáng)的相干斑噪聲,往往不能有效地對(duì)“有用”區(qū)域進(jìn)行增強(qiáng)[5]。在SAR圖像海洋鋒的研究中,通常使用濾波的手段進(jìn)行預(yù)處理[6,7],以提升海洋鋒特征。

        相比于上述傳統(tǒng)圖像增強(qiáng)及單極化SAR數(shù)據(jù)濾波方法,多極化SAR數(shù)據(jù)進(jìn)行海洋鋒特征增強(qiáng)能夠獲得更加豐富的目標(biāo)散射信息。多極化SAR數(shù)據(jù)能夠有效區(qū)分不同類型散射機(jī)制的貢獻(xiàn)[8],根據(jù)散射機(jī)制的不同可以實(shí)現(xiàn)海洋鋒特征增強(qiáng)。Phillips[9]首次將海洋表面回波分解為Bragg散射分量和非極化分量(Nonpolarized,NP)。Kudryavtsev等[10-12]使用RADARSAT-2雙極化數(shù)據(jù)針對(duì)非極化分量開展研究,證明非極化分量能夠很好的表征海洋鋒現(xiàn)象。Fan等[13]對(duì)RADARSAT-2全極化數(shù)據(jù)進(jìn)行Bragg散射分量和非極化分量分解,指出在VV和HH極化數(shù)據(jù)中,海洋鋒、內(nèi)波等現(xiàn)象導(dǎo)致非極化分量的變化比交叉極化(VH和HV極化)更加明顯。但是截至目前,非極化分量的研究大多是理論分析,其應(yīng)用方面仍然缺乏深入的探討。

        針對(duì)海洋鋒特征在SAR圖像中表現(xiàn)較弱這一問題,本文針對(duì)雙極化(VV和HH極化)單視復(fù)圖像(Single-Look Complex image,SLC),提出基于非極化分量的SAR圖像海洋鋒特征增強(qiáng)方法。將本文方法應(yīng)用于ALOS星載雙極化SLC數(shù)據(jù),實(shí)現(xiàn)了海洋鋒特征增強(qiáng),充分說明了本文方法的有效性。

        2 基于非極化分量的SAR圖像海洋鋒特征增強(qiáng)方法

        基于非極化分量的SAR圖像海洋鋒特征增強(qiáng)方法的流程如圖1所示。處理過程分為二個(gè)部分:預(yù)處理和非極化分量提取。下面對(duì)這二部分內(nèi)容分別進(jìn)行介紹。

        圖1 海洋鋒特征增強(qiáng)流程圖Fig.1 Flow chart of oceanic front features enhancement

        2.1 預(yù)處理

        對(duì)雙極化SLC數(shù)據(jù)進(jìn)行輻射定標(biāo),將圖像的原始強(qiáng)度轉(zhuǎn)換為歸一化雷達(dá)截面積(Normalized Radar Cross Section,NRCS)。對(duì)于不同的載荷來說,其輻射定標(biāo)公式不同;對(duì)于同一載荷不同等級(jí)的產(chǎn)品,輻射定標(biāo)公式也不完全相同。對(duì)于本文實(shí)驗(yàn)所用的ALOS PALSAR SLC來說,輻射定標(biāo)公式為[14]:

        其中:pp表示極化方式為pp極化的NRCS,I為SLC的實(shí)部,Q為SLC的虛部,CF為定標(biāo)因子,A表示換算系數(shù)。

        由于SAR是一種相干雷達(dá),所以其圖像含有較強(qiáng)的乘性相干斑噪聲[15-16]。為降低噪聲對(duì)后續(xù)處理的影響,通常采用經(jīng)典的Lee濾波進(jìn)行處理[17]。Lee濾波的一般表達(dá)式為[17]:

        其中:(x,y)表示待濾波像素點(diǎn)的坐標(biāo)表示(x,y)像素點(diǎn)對(duì)應(yīng)的濾波后的NRCS,u是局部窗口的均值,w代表權(quán)重系數(shù)。局部窗口區(qū)域大小通常取奇數(shù),因此其大小常表示為(2N+1)×(2M+1),局部窗口區(qū)域的均值和方差計(jì)算公式如下:

        其中,(x?N+i,y?M+j)表示局部區(qū)域像素坐標(biāo),取值滿足1≤i≤2N+1,1≤j≤2M+1。權(quán)重系數(shù)w可以通過窗口及整幅圖像標(biāo)準(zhǔn)差系數(shù)計(jì)算得到:

        其中,u I和varI分別表示全景圖像的均值和標(biāo)準(zhǔn)差。

        經(jīng)過預(yù)處理后,實(shí)現(xiàn)VV和HH極化SAR圖像相干斑噪聲抑制,得到濾波后的VV和HH極化歸一化雷達(dá)截面積,為后續(xù)采用非極化分量提取方法增強(qiáng)海洋鋒特征奠定基礎(chǔ)。

        2.2 非極化分量提取

        σw b在VV和HH極化下表現(xiàn)相同,對(duì)雙極化數(shù)據(jù)進(jìn)行處理可以提取σw b,以達(dá)到海洋鋒特征增強(qiáng)的目的。

        非極化分量提取主要包括極化差PD的計(jì)算和Bragg散射極化比PRB的計(jì)算。極化差PD是VV和HH極化NRCS的差值,其結(jié)果不包含非極化分量,計(jì)算公式為:

        極化比PR是HH和VV極化NRCS的比值,表示為:

        對(duì)于僅含有Bragg散射的SAR數(shù)據(jù),極化比是最小的;如果非極化分量占主導(dǎo)地位,那么極化比將接近1[12]。隨著極化數(shù)據(jù)在海洋上的大量應(yīng)用,極化比模型得到了深入研究,常用的極化比模型為[19]:

        其中,θ是入射角,α是經(jīng)驗(yàn)參數(shù)。α=0時(shí),式(9)表示Bragg散射極化比PRB:

        結(jié)合式(6)、式(7)和式(10),可以實(shí)現(xiàn)非極化分量σwb的提取,計(jì)算公式為:

        非極化分量σw b的提取可以有效的增強(qiáng)海洋鋒特征,最后得到海洋鋒特征增強(qiáng)后的圖像。

        3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

        為了驗(yàn)證本文方法的有效性,下面通過ALOS衛(wèi)星PALSAR獲取的SLC數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析。本文選用的2景實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分別獲取于2010年12月6日21:31:16和2010年11月30日21:07:58,地點(diǎn)分別位于挪威海和考愛海峽。下面將對(duì)挪威海海洋鋒和考愛海峽海洋鋒數(shù)據(jù)分別進(jìn)行處理分析。

        3.1 挪威海海洋鋒實(shí)驗(yàn)

        3.1.1 挪威海海洋鋒實(shí)驗(yàn)結(jié)果

        挪威海海洋鋒VV和HH極化SAR圖像分別如圖2(a)和圖2(b)所示,經(jīng)過本文方法處理后得到的海洋鋒特征增強(qiáng)結(jié)果如圖3所示。

        圖2 海洋鋒雙極化SAR圖像Fig.2 Dual-polarized SAR images of oceanic front

        圖3 海洋鋒特征增強(qiáng)結(jié)果Fig.3 Enhancement results of oceanic front features

        通過圖2(a)和圖2(b)可以看出,無論VV極化還是HH極化SAR圖像,海洋鋒特征都較弱。將圖3和圖2(a)、2進(jìn)行對(duì)比可以發(fā)現(xiàn),經(jīng)過本文方法處理后,海洋鋒特征得到明顯的增強(qiáng),海洋鋒與背景對(duì)比度更高。

        3.1.2 挪威海海洋鋒實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

        為了更加直觀地分析海洋鋒特征增強(qiáng)的效果,在圖2(a)、2和圖3中分別截取相同位置的剖面,剖面截取位置如圖4黃色直線所示,箭頭指向?yàn)槠拭娼厝》较?,?jì)算剖面的對(duì)比度,對(duì)比度計(jì)算公式為:其中:σy表示剖面位置y對(duì)應(yīng)的幅度值,-σy是剖面上所有幅度值的平均值。圖2(a)和圖2(b)海洋鋒剖面對(duì)比度分別如圖5(a)和圖5(b)所示,圖3對(duì)應(yīng)的海洋鋒剖面對(duì)比度如圖5(c)所示。

        圖4 截取剖面位置示意圖Fig.4 Diagram of profile location

        圖5 海洋鋒剖面對(duì)比度比較Fig.5 Comparison of oceanic front profiles contrast

        對(duì)比發(fā)現(xiàn),VV和HH極化海洋鋒特征不明顯。經(jīng)過本文方法處理后,海洋鋒特征得到明顯的增強(qiáng),與背景的對(duì)比度更高。

        下面采用峰值-背景比和等效視數(shù)對(duì)海洋鋒特征增強(qiáng)的效果進(jìn)行定量分析。峰值-背景比(Peak-to-Background Ratio,PBR)用來表示海洋鋒特征增強(qiáng)的效果[20]:

        其中(S)max表示剖面能量的最大值表示背景能量的均值,PBR越大海洋鋒特征越明顯。噪聲的衡量標(biāo)準(zhǔn)可以用等效視數(shù)(Equivalent Num?ber of Looks,ENL)來表示[21],計(jì)算公式為:

        其中μ表示圖像的均值,SD表示圖像的標(biāo)準(zhǔn)差,ENL越大表示噪聲水平越低。圖2(a)、2和圖3對(duì)應(yīng)的PBR和ENL對(duì)比如表1所示。

        表1 PBR和ENL計(jì)算結(jié)果對(duì)比Tab.1 Comparison of PBR and ENL results

        通過表1可以發(fā)現(xiàn),通過非極化分量提取的方法可以有效地增強(qiáng)海洋鋒特征,海洋鋒特征增強(qiáng)結(jié)果的PBR和ENL均大于VV和HH極化圖像,其中PBR較VV和HH極化分別提升了28.15%和20.44%,ENL較VV和HH極化分別提升了42.26%和46.14%,說明本文的方法有效增強(qiáng)海洋鋒特征。

        3.2 考愛海峽海洋鋒實(shí)驗(yàn)

        3.2.1 考愛海峽海洋鋒實(shí)驗(yàn)結(jié)果

        考愛海峽獲取的VV和HH極化的海洋鋒SAR圖像分別如圖6(a)和圖6(b)所示,本文方法處理的海洋鋒特征增強(qiáng)后的結(jié)果如圖7所示。

        通過圖6(a)和圖6(b)可以發(fā)現(xiàn),盡管HH極化下SAR圖像海洋鋒特征優(yōu)于VV極化,但是其特征仍然比較弱。經(jīng)過本文方法處理后,圖7所示的海洋鋒特征更加明顯。

        圖6 海洋鋒雙極化SAR圖像Fig.6 Dual-polarized SAR images of oceanic front

        圖7 海洋鋒特征增強(qiáng)結(jié)果Fig.7 Enhancement results of ocean front features

        3.2.2 考愛海峽海洋鋒實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

        針對(duì)考愛海峽的海洋鋒SAR圖像,在圖6(a)、6(b)和圖7中分別截取相同位置的剖面計(jì)算對(duì)比度,其中截取的位置如圖8黃色直線所示,箭頭指向?yàn)槠拭娼厝》较?。得到圖6(a)和圖6(b)對(duì)應(yīng)的剖面對(duì)比度如圖9(a)和圖9(b)所示,圖7對(duì)應(yīng)的海洋鋒剖面對(duì)比度如圖9(c)所示。

        圖8 截取剖面位置示意圖Fig.8 Diagram of profile location

        對(duì)比圖9(a)、9(b)和圖9(c)可以發(fā)現(xiàn),VV和HH極化海洋鋒特征較弱,采用本文的方法處理后海洋鋒特征得到明顯的增強(qiáng)。圖6(a)、6(b)和圖7對(duì)應(yīng)的PBR和ENL對(duì)比如表2所示。

        圖9 海洋鋒剖面對(duì)比度比較Fig.9 Comparison of oceanic front profiles contrast

        表2 PBR和ENL計(jì)算結(jié)果對(duì)比Tab.2 Comparison of PBR and ENL results

        通過表2可以發(fā)現(xiàn),通過非極化分量提取方法可以有效地增強(qiáng)海洋鋒特征,海洋鋒特征增強(qiáng)結(jié)果的PBR和ENL均大于VV和HH極化圖像,其中PBR較VV和HH極化分別提升了25.55%和17.55%,ENL較VV和HH極化分別提升了32.34%和36.01%,說明本文的方法可以有效增強(qiáng)海洋鋒特征。

        4 結(jié) 論

        針對(duì)海洋鋒特征在SAR圖像中表現(xiàn)較弱這一問題,本文針對(duì)雙極化(VV和HH極化)SLC,根據(jù)海洋鋒與海面背景散射機(jī)制的不同,提出一種基于非極化分量的SAR圖像海洋鋒特征增強(qiáng)方法。將本文的方法應(yīng)用于2景不同地點(diǎn)的ALOS PALSAR數(shù)據(jù),并通過PBR和ENL二個(gè)參數(shù)進(jìn)行定量分析。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,經(jīng)過本文方法處理后PBR較雙極化圖像可以提升15%以上,ENL較雙極化圖像可以提升30%以上。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明了方法的有效性,為后續(xù)的應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。

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