極化SAR溢油檢測(cè)特征

宋莎莎，安偉，李建偉，劉保占，靳衛(wèi)衛(wèi)，張慶范

(中海油能源發(fā)展股份有限公司 安全環(huán)保分公司，天津 300452)

隨著衛(wèi)星遙感技術(shù)的發(fā)展，極化合成孔徑雷達(dá)(SAR)遙感技術(shù)為從散射原理上區(qū)分SAR影像中的油膜和疑似油膜現(xiàn)象提供依據(jù)[1]。國內(nèi)外在極化SAR數(shù)據(jù)溢油檢測(cè)方面開展了相當(dāng)廣泛的研究，但目前極化SAR溢油檢測(cè)仍存在研究中采用的極化SAR數(shù)據(jù)不足、缺乏對(duì)極化SAR特征溢油檢測(cè)效果的系統(tǒng)性研究等主要問題[2-8]。極化SAR溢油檢測(cè)文獻(xiàn)中，通常采用幾景極化SAR影像提取檢測(cè)特征。部分文獻(xiàn)提出新的極化特征，甚至僅基于1景極化SAR數(shù)據(jù)的檢測(cè)處理結(jié)果，缺乏統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)和科學(xué)依據(jù)的支持，從而對(duì)極化SAR溢油檢測(cè)的指導(dǎo)意義不足[9-12]。由于早期極化SAR衛(wèi)星較少、數(shù)據(jù)源少;SAR數(shù)據(jù)價(jià)格高、研究成本高。為科學(xué)篩選極化SAR溢油檢測(cè)特征，搜集了46景多波段極化SAR影像集及423個(gè)油膜、疑似油膜和無油膜海面樣本集，系統(tǒng)分析19種極化SAR特征溢油檢測(cè)能力和極化特征相關(guān)性，為極化SAR溢油檢測(cè)提供指導(dǎo)。

1 極化SAR數(shù)據(jù)和溢油檢測(cè)特征參數(shù)

1.1 極化SAR數(shù)據(jù)

搜集多波段極化SAR數(shù)據(jù)46景，其中包括RADARSAT-2數(shù)據(jù)27景，SIR-C/X數(shù)據(jù)15景，ALOS PALSAR數(shù)據(jù)2景和UAVSAR極化SAR數(shù)據(jù)2景。海面油膜、疑似油膜現(xiàn)象的判定，對(duì)于文獻(xiàn)研究中用過的極化SAR數(shù)據(jù)，采用文獻(xiàn)中普遍認(rèn)可的解譯結(jié)果來判斷油膜、無油膜海面和疑似油膜現(xiàn)象；對(duì)于尚未在文獻(xiàn)研究中使用過的極化SAR數(shù)據(jù)，結(jié)合極化SAR數(shù)據(jù)的時(shí)間和空間信息，綜合判斷暗斑現(xiàn)象是否為油膜，如部分Radarsat-2數(shù)據(jù)是在墨西哥灣海域獲取的，該海域自然油滲現(xiàn)象頻發(fā)，海面暗斑為油膜的概率高；結(jié)合人工解譯分析經(jīng)驗(yàn)，判斷暗斑現(xiàn)象是否為油膜。基于上述方法，共選取油膜樣本160個(gè)、疑似油膜樣本91個(gè)和無油膜清潔海面樣本172個(gè)，樣本信息見表1。其中，疑似現(xiàn)象包括生物油膜、低風(fēng)區(qū)、內(nèi)波和其他未知現(xiàn)象。

表1 極化SAR影像及樣本統(tǒng)計(jì)表

極化SAR影像數(shù)據(jù)以及影像中的油膜和疑似油膜現(xiàn)象見圖1、2。圖1為2010-05-15 11:56:36 UTC時(shí)間的墨西哥灣海域影像，影像中心點(diǎn)坐標(biāo)為28°32′30″N、88°18′53″W，圖中標(biāo)示的暗斑樣本為油膜。圖2為2012-08-13 22:57:30 UTC時(shí)間在中國南海海域獲取的影像，影像中心點(diǎn)坐標(biāo)為20°43′50″N、116°38′40″E，圖中標(biāo)示的暗斑樣本為生物油膜，是一種典型的疑似油膜現(xiàn)象。

圖1 2010-05-15 11:56:36 UTC RADARSAT-2極化SAR影像

圖2 2012-08-13 22:57:30 UTC RADARSAT-2影像

1.2 溢油檢測(cè)特征

極化SAR溢油檢測(cè)中主要應(yīng)用的極化SAR特征有19個(gè)，見表2。

表2 極化特征

2 極化SAR特征溢油檢測(cè)能力

分析極化SAR影像集的油膜、疑似油膜和無油膜海面樣本的19個(gè)極化特征的分布，見圖3。

圖3 油膜、疑似油膜和無油膜海面樣本極化特征參數(shù)的平均值與標(biāo)準(zhǔn)差

圖3中沒有單獨(dú)一種極化SAR特征參數(shù)能夠完全區(qū)分不同極化SAR影像中的油膜、疑似油膜和無油膜海面樣本。因此，考慮采用組合極化特征參數(shù)進(jìn)行極化SAR影像溢油檢測(cè)。極化總功率等12個(gè)極化SAR特征參數(shù)的平均值大小：無油膜海面>油膜>疑似油膜；同極化相位差標(biāo)準(zhǔn)差等6個(gè)極化特征參數(shù)的平均值正好相反，無油膜海面<油膜<疑似油膜。疑似油膜與油膜的極化特征接近，給疑似油膜的濾除和油膜的檢測(cè)帶來困難。

3 極化SAR特征參數(shù)相關(guān)性

基于全部樣本，對(duì)極化SAR特征參數(shù)相關(guān)性進(jìn)行分析，分別針對(duì)油膜、疑似現(xiàn)象和無油膜海面樣本，分析極化特征參數(shù)的相關(guān)性。由于海面VV極化通道后向散射能量最強(qiáng)，單極化SAR溢油檢測(cè)中應(yīng)用最多的也是VV極化后向散射強(qiáng)度，因此，選擇VV極化散射強(qiáng)度作為基準(zhǔn)，分析極化SAR特征參數(shù)的相關(guān)性，篩選極化SAR溢油檢測(cè)中可以重點(diǎn)關(guān)注的極化特征參數(shù)。

3.1 基于整體樣本的極化特征參數(shù)相關(guān)性

對(duì)極化SAR影像集中的所有的油膜、疑似油膜和無油膜海面樣本進(jìn)行分析，包含多種觀測(cè)條件、環(huán)境條件和影像噪聲條件，分析極化特征參數(shù)P2～P19隨VV極化散射強(qiáng)度P1的變化。

極化特征參數(shù)P2～P19隨VV極化散射強(qiáng)度P1的變化情況，可以歸納為3種情形。圖4為3種代表性的極化特征參數(shù)隨VV極化散射強(qiáng)度的變化分布圖。

1)極化特征參數(shù)與VV極化散射強(qiáng)度相關(guān)性較強(qiáng)，為正相關(guān)。極化特征參數(shù)隨VV極化散射強(qiáng)度基本呈直線分布，見圖4a)，如極化總功率、幾何強(qiáng)度、最大本征值、同極化交叉積實(shí)部和極化差。

2)極化特征參數(shù)與VV極化散射強(qiáng)度相關(guān)性中等。極化特征參數(shù)隨VV極化散射強(qiáng)度的增大而增大，見圖4b)，如同極化相關(guān)系數(shù)、各向異性參數(shù)A12、極化度、一致性系數(shù)和極化比。

3)極化特征參數(shù)與VV極化散射強(qiáng)度的關(guān)系不明顯，相關(guān)性較低，如同極化功率比、相干系數(shù)和各向異性參數(shù)A。同極化功率比隨VV極化散射強(qiáng)度的變化見圖4c)。

圖4 極化特征參數(shù)隨VV極化散射強(qiáng)度的變化

為量化極化SAR特征的相關(guān)性，計(jì)算各極化特征(P2～P19)與VV極化后向散射特征(P1)的相關(guān)系數(shù)。將極化SAR特征參數(shù)，依據(jù)相關(guān)性進(jìn)行歸類，見表3。第一類，與VV極化散射強(qiáng)度相關(guān)系數(shù)大于0.95，極化總功率、幾何強(qiáng)度、最大本征值、同極化交叉積實(shí)部和極化差；第二類，與VV極化散射強(qiáng)度相關(guān)系數(shù)約0.8，同極化相位差標(biāo)準(zhǔn)差、同極化相關(guān)系數(shù)、極化熵、各向異性A12、平均散射角、極化度、基準(zhǔn)高度、一致性系數(shù)、交叉極化比和極化比；第三類，與VV極化散射強(qiáng)度相關(guān)系數(shù)0.3～0.6，相干系數(shù)、同極化功率比和各向異性A。

表3 極化特征與VV極化散射幅度(P1)的關(guān)系

對(duì)第二類和第三類極化特征參數(shù)，再計(jì)算極化特征參數(shù)間的相關(guān)性。計(jì)算第二類特征與同極化相位差標(biāo)準(zhǔn)差的相關(guān)性，以及第三類特征與相干系數(shù)的相關(guān)性，篩選代表性的極化特征參數(shù)用于極化SAR溢油檢測(cè)。

綜上，19個(gè)極化SAR溢油檢測(cè)特征參數(shù)中篩選出7個(gè)代表性特征，應(yīng)用于溢油檢測(cè)，分別為VV極化散射強(qiáng)度、同極化相位差標(biāo)準(zhǔn)差、交叉極化比、同極化相關(guān)系數(shù)、同極化功率比、相干系數(shù)和各向異性參數(shù)A等。

3.2 基于分類樣本的極化特征參數(shù)相關(guān)性

極化SAR溢油檢測(cè)重點(diǎn)關(guān)注油膜、疑似油膜和無油膜樣本的特征差異，因此,分別對(duì)油膜、疑似現(xiàn)象和無油膜海面樣本分析極化SAR特征參數(shù)的相關(guān)性。

搜集油膜樣本160個(gè)、疑似油膜樣本91個(gè)和無油膜清潔海面樣本172個(gè)，分別計(jì)算極化總功率等特征(P2～P19)與VV極化散射強(qiáng)度(P1)的相關(guān)系數(shù)，見表4。

由表4可見，油膜、疑似現(xiàn)象和無油膜海面樣本，表3中第一類極化特征參數(shù)極化總功率(P2)、幾何強(qiáng)度(P3)、最大本征值(P4)、同極化交叉積實(shí)部(P8)、極化差(P18)與VV極化散射強(qiáng)度(P1)的相關(guān)系數(shù)都大于0.9，相關(guān)性較強(qiáng)，且均為正相關(guān)；第二類特征參數(shù)極化相位差標(biāo)準(zhǔn)差(P5)等與P1的相關(guān)系數(shù)均介于0.5與0.8間，相關(guān)程度中等，油膜、疑似現(xiàn)象和無油膜海面差異不明顯；第三類特征參數(shù)同極化功率比(P6)、相干系數(shù)(P9)和各向異性參數(shù)A(P11)與P1的相關(guān)性，在油膜、疑似現(xiàn)象和無油膜海面間差別較大。其中，無油膜海面的同極化功率比(P6)與VV極化散射強(qiáng)度(P1)的相關(guān)性明顯大于油膜和疑似現(xiàn)象；疑似現(xiàn)象的相干系數(shù)(P9)與P1的相關(guān)性、各向異性參數(shù)A(P11)與P1的相關(guān)性均明顯大于油膜和無油膜海面。

表4 油膜、疑似現(xiàn)象和無油膜海面的極化特征的相關(guān)系數(shù)

據(jù)此，利用極化SAR影像進(jìn)行溢油檢測(cè)時(shí)，可以考慮重點(diǎn)關(guān)注同極化功率比、相干系數(shù)和各向異性參數(shù)A，分析其與VV極化散射強(qiáng)度的相關(guān)性，以及油膜、疑似現(xiàn)象和無油膜海面的差異。

4 結(jié)論

基于46景極化SAR影像和423個(gè)目標(biāo)樣本，開展極化SAR溢油檢測(cè)的特征參數(shù)分析。

極化SAR影像進(jìn)行溢油檢測(cè)時(shí)，可以重點(diǎn)關(guān)注VV極化散射強(qiáng)度、同極化相位差標(biāo)準(zhǔn)差、交叉極化比、同極化相關(guān)系數(shù)、同極化功率比、相干系數(shù)和各向異性參數(shù)A等極化特征，實(shí)現(xiàn)采用較少的極化SAR特征，達(dá)到需要的檢測(cè)效果。

極化SAR溢油檢測(cè)，還受到觀測(cè)條件、環(huán)境條件和影像噪聲條件等因素的影響，對(duì)于不同條件下不同極化SAR特征的適用性，需要繼續(xù)開展研究。