基于GF3的不同極化方式SAR圖像海面油膜識別的比較

付弘濤 秦平

摘要：基于我國自主研發的首顆分辨率達到1 m的C頻段多極化合成孔徑雷達高分三號衛星（GF3），通過典型溢油案例定性和定量地比較了雙極化與單極化圖像預處理性能，分析了不同的極化組合對海面油膜識別結果的影響。得出結論：同向極化與異向極化成像差異明顯，VV極化明顯比VH極化回波強度高，并且油膜識別度較高;相反，雙極化VHVV方式與單極化VH方式圖像效果區別不大，雙極化方式并不能絕對性地提高地物識別度。

關鍵詞：合成孔徑雷達;案例;雙極化;單極化;油膜識別

中圖分類號：P76文獻標志碼：A文章編號：1005-9857（2019）03-0054-03

Comparison of Sea Surface Oil Film Identification in Different Polarizationbased GF3 SAR Images： A Case Study of the “Sangji” Accident

FU Hongtao，QIN Ping

（East China Sea Forecast Center，Ministry of Natural Resources

，Shanghai 200136，China）

Abstract：Based on the first cband multipolarization synthetic aperture radar satellite data （GF3） with a resolution of 1m independently developed in China，the dualpolarization and unipolarization image preprocessing performance was compared qualitatively and quantitatively in typical oil spill cases，and the influence of different polarization combinations on the identification results of offshore oil film was analyzed.It was concluded that the imaging difference between unidirectional polarization and anisotropic polarization was obvious，the VV polarization was obviously higher than the VH polarization echo，and the oil film identification was higher.On the contrary，the image effect of dualpolarization VHVV mode was not much different from that of singlepolarization VH mode，and dualpolarization mode could not absolutely improve the recognition of ground objects.

Key words：Synthetic aperture radar，Case，Double polarization，Literal，Oil film identification

0引言

20世紀90年代，星載合成孔徑雷達已成為空間對地觀測發展的“熱點”，高分三號衛星（GF3）不受云、雨等天氣條件的限制，可全天候、全天時監視監測全球海洋和陸地資源，是高分專項工程實現時空協調、全天候、全天時對地觀測目標的重要基礎，服務于海洋、減災、水利、氣象以及其他多個領域，為海洋監視監測、海洋權益維護和應急防災減災等提供重要技術支撐，對海洋強國、“一帶一路”建設具有重大意義。

礦物油對脆弱的海洋和當地近岸生態系統的危害影響是眾所周知的。然而，只要全球依賴于石油產品，溢油將會繼續發生，加強對溢油的監測是非常必要的。因為合成孔徑雷達（Synthetic Aperture Rdar）具有上述特點，所以SAR在溢油監測中起著非常重要的作用。

然而，SAR衛星的測定能力仍依賴于天氣條件和石油膜的厚度。在低風速的情況下，自然因素導致的海面浮油可能會誤導監測結果[1]。在高風速的情況下，油水混合同樣不能探測到表面抑制的效果。SAR圖像上的信息是地物目標對雷達波束的反映，主要是地物目標的后向散射形成的圖像信息。反映SAR圖像信息的灰度值主要受后向散射的影響。雷達發射的能量脈沖的電場矢量，可以在垂直或水平面內被偏振。雷達遙感系統常用4種極化方式——HH、VV、HV、VH。前兩者為同向極化，后兩者為異向（交叉）極化。具有HH、HV、VH和VV4種極化的全極化SAR的散射矩陣包含了地物的全部散射信息，有利于深入分析地物特性。

然而，異向極化與同向極化在回波強度有什么區別，與單極化方式相比，雙極化能在多大程度上提高識別度，是否雙極化就一定帶來更好的識別效果，這是人們普遍關注的問題[2]。本研究以近期海上溢油事故為例，研究了基于GF3雷達數據的海面溢油處理流程。同時，結合實測資料定性、定量地分析了不同極化組合方式對海面油膜識別的影響。

1GF3雷達數據處理

雷達數據處理主要是將L1A級單視斜距復數（SLC）數據轉換為地理編碼后的L2級強度或幅度數據。基礎SAR處理模塊一般包括數據導入、輻射定標、復數數據轉換、影像裁剪、多視處理、自適應濾波、轉DB影像、斜地距轉換和地理編碼9個部分。目前SAR數據處理常用軟件有ENVI、Gamma以及國內使用較多的PIE等。技術流程如圖1所示。

11GF3數據導入

將GF3數據導入成雷達處理模塊標準數據格式，包括GF3單極化數據入和GF3雙極化數據導入。

（1）輸入元數據文件：輸入待導入的雷達數據元文件（matexmL）。

（2）極化類型選項：包括HH、HV、VH、VV 4類極化選項;其中HH和VV為單極化數據類型，HV和VH為雙極化數據類型，全極化數據則包括以上4種極化形式。

（3）輸出文件：設置輸出結果的保存路徑及文件名，目前支持ENVI IMG、ERDAS IMG、GeoTIFF Files格式。

12輻射定標

由于多種誤差源的存在，不同來源的 SAR 數據通常存在輻射誤差，輻射定標將不同來源的SAR數據校正到統一的參考基準，以精確反映地物回波特性。

13復數的數據轉換

強度幅度特征是SAR影像最主要的特征之一，基于SAR強度幅度影像可以提取地物目標信息，因此需要將SAR復數數據轉換為SAR強度幅度數據。數據轉換即可將復數格式數據轉換為強度、幅度、相位、實部和虛部等類型。

14多視處理

為提高圖像的視覺效果，同時提高對每個像元后向散射的估計精度，需要進行多視處理。多視處理是指將整個有效合成孔徑長度分成多段分別對同一場景成像，然后將所得的圖像求和疊加到一幅SAR圖像。多視處理的目的是抑制斑點噪聲，代價是降低方位分辨率。

15地理編碼

地理編碼是依據相關基準將影像數據從雷達成像時的坐標系統（距離-方位）轉換到某種較為通用的參考坐標系統。

地理編碼類型：地理編碼橢球校正（GEC），GEC將地球表面簡化為一個橢球面。地理編碼地形校正（GTC），GTC利用數字高程表面模型作為真實地球表面進行參數優化。

2不同極化方式油膜識別比較

極化是微波的一個突出特點，極化方式不同返回的圖像信息也不同。極化方式對雷達波束響應的影響比較大[4]。以2018年1月6日巴拿馬籍油船“桑吉”輪碰撞事故為例，使用我國自主GF3號雷達衛星數據，隨機抽取3個時相案例分3組解譯比對，并結合船只出油點比較不同極化方式SAR圖像油膜特征，定性、定量地分析不同極化方式對識別油膜準確度的影響。

3結果與分析

通過對圖像對比分析，可以得出同向極化與異向極化成像差異明顯，VV極化明顯比VH極化回波強度高，并且油膜識別度較高;相反，雙極化VHVV方式與單極化VH方式圖像效果區別不大，雙極化方式并不能絕對性地提高地物識別度。

同樣，異向極化方式VH和雙極化方式VHVV并不能有效呈現海面油膜信息，而同向極化VV方式仍然可以監測到細微油膜信息，故更加印證了同向VV極化方式對與海面油膜監測較為有效，并且佐證了VV極化明顯比VH和VHVV回波強度高。

因此，對于光滑的水體（尤其是海面油膜），HH極化比VV極化回波強度低;一般情況，交叉極化（HV和VH）的回波強度比同極化（HH和VV）低很多，與單極化方式相比，雙極化方式并不能絕對性提高地物識別效果。

參考文獻

[1]吳永輝，計科峰，郁文賢.利用SVM的全極化、雙極化與單極化SAR圖像分類性能的比較[M].北京：科學出版社，2008.

[2]BYUNG H C，DUK J K，JI H H.Detection of oyster habitat in tidal flats using multifrequency polarimetric SAR data[J].Estuarine，Coastal and Shelf Science，2011，97.

[3]張兵，董臻，梁甸農.極化目標檢測算法性能評價研究[J].系統工程與電子技術，2001（3）：28-30.

[4]李穎，李冠男，崔璨.基于星載SAR的海上溢油檢測研究進展[J].海洋通報，2017，36（3）：241-249.