基于SAR典型地物后向散射特性研究

程子瑩,王延霞,楊海燕，施慧宇，歐陽(yáng)龍，夏奇亮

(滁州學(xué)院 地理信息與旅游學(xué)院，安徽 滁州 239000)

合成孔徑雷達(dá)(SAR)作為先進(jìn)的微波遙感手段，已成為遙感研究的重要領(lǐng)域之一[1]。其具有研究范圍廣、可全天候檢測(cè)、分辨率高的優(yōu)勢(shì)[2]。研究表明，雷達(dá)觀(guān)測(cè)可以及時(shí)監(jiān)測(cè)作物類(lèi)型和預(yù)測(cè)作物產(chǎn)量[3]。通過(guò)SAR數(shù)據(jù)獲取相關(guān)作物長(zhǎng)勢(shì)、產(chǎn)量、面積等信息，已逐漸成為農(nóng)業(yè)遙感研究的領(lǐng)域之一[4]。極化和頻率是電磁波的兩個(gè)重要特征。工作在微波波段的合成孔徑雷達(dá)，所觀(guān)測(cè)的地物在不同頻率和不同極化條件下，將呈現(xiàn)不同的特點(diǎn)[5]。所以，這項(xiàng)技術(shù)可以廣泛應(yīng)用于城市規(guī)劃、作物產(chǎn)量估算、地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域。

多年來(lái)，國(guó)內(nèi)外對(duì)于SAR的相關(guān)研究已經(jīng)取得眾多成果。在地物識(shí)別分類(lèi)方面，許璟等利用遙感數(shù)據(jù)和SAR數(shù)據(jù)進(jìn)行地物對(duì)比分析和目標(biāo)識(shí)別，得出SAR數(shù)據(jù)分類(lèi)精度可滿(mǎn)足實(shí)際應(yīng)用的需要[6]。廖娟等采用支持向量機(jī)分類(lèi)方法提取煙草種植分布情況等關(guān)鍵信息并對(duì)其進(jìn)行分析，該方法可有效提高煙草識(shí)別的準(zhǔn)確性，為煙草農(nóng)業(yè)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)提供可靠的技術(shù)[7]。Baghdadi等使用經(jīng)驗(yàn)反演方法，對(duì)不同極化方式和入射角下的SAR數(shù)據(jù)進(jìn)行反演估算土壤水分，得出單極化方式SAR數(shù)據(jù)，獲得最佳土壤濕度估算值[8]。凌飛龍通過(guò)研究分析利用ALOS PALSARFBD數(shù)據(jù)發(fā)展1種基于規(guī)則的分類(lèi)方法識(shí)別森林[9]。前人的研究結(jié)果表明SAR影像中的豐富信息可用于地物識(shí)別與分類(lèi)，同時(shí)其準(zhǔn)確性也可滿(mǎn)足實(shí)際應(yīng)用的需求。在地物監(jiān)測(cè)研究方面，楊浩等人通過(guò)研究小麥在不同極化和不同時(shí)間下雷達(dá)后向散射動(dòng)態(tài)響應(yīng)規(guī)律，得出可以依據(jù)雷達(dá)極化指數(shù)來(lái)監(jiān)測(cè)小麥倒伏情況的結(jié)論與方法[10]。在后向散射特性影響因素的研究方面，王安琪等研究不同極化方式下SAR數(shù)據(jù)中的植被地物后向散射特性[11]。邵云等研究結(jié)果表明水稻的后向散射特性與其物理參數(shù)和極化狀態(tài)有關(guān)[12]。王延霞等研究結(jié)果表明水稻的生長(zhǎng)周期不同其后向散射特性也不同[1]。

本研究以江蘇鹽城沿海灘涂作為研究區(qū)，分別研究不同時(shí)相下和不同極化方式下7種典型地物的后向散射特性，進(jìn)一步探究不同極化方式下不同植物的后向散射特性及地物后向散射特性隨時(shí)間的變化規(guī)律。

1 研究區(qū)域與數(shù)據(jù)來(lái)源

1.1 研究區(qū)概況

江蘇省鹽城市海岸屬于淤泥質(zhì)海岸帶，地理坐標(biāo)為32°52′N(xiāo)～33°29 ′N(xiāo)，120°24′E～121°15′E，總面積約占江蘇省總灘涂區(qū)面積的70%，乃至全國(guó)灘涂區(qū)面積的14%。地勢(shì)多為平原地貌，河溝縱橫，水網(wǎng)密布，大部分地區(qū)海拔不到5 m，屬于亞熱帶氣候，受海洋影響較大，季風(fēng)氣候較為明顯，雨水較多，無(wú)霜期較長(zhǎng)。研究區(qū)內(nèi)主要地物類(lèi)型包括：潮溝、旱地、光灘、水田、米草沼澤、蘆葦沼澤和淡水養(yǎng)殖。因此，本文主要研究這7種地物的后向散射特性。研究區(qū)域如圖1所示。

圖1 研究區(qū)

1.2 數(shù)據(jù)來(lái)源

本研究所用數(shù)據(jù)為HH極化方式下2009-03-16—2009-09-16 ALOS PALSAR影像L波段數(shù)據(jù)共4景。HH和HV極化方式下ALOS PALSAR影像L波段數(shù)據(jù)共2景。研究區(qū)內(nèi)90 m分辨率的DEM數(shù)據(jù)和1:500土地利用分類(lèi)圖。ALOS數(shù)據(jù)波長(zhǎng)相對(duì)較長(zhǎng),對(duì)地表的穿透深度也較大,所以干涉性相對(duì)較好[13]。

2 研究方法及過(guò)程

2.1 后向散射機(jī)制

雷達(dá)影像中包含目標(biāo)地物的后向散射信息，它反應(yīng)研究區(qū)內(nèi)的地物對(duì)于微波的散射特性。當(dāng)雷達(dá)發(fā)射的微波信號(hào)接觸到地物時(shí)，再由地物反射回去的電磁波被雷達(dá)天線(xiàn)接收，此時(shí)電磁波所包含的信息會(huì)呈現(xiàn)在雷達(dá)影像中。由于每種地物自身的結(jié)構(gòu)各不相同，其具有的反射和輻射特性也不同，因而在雷達(dá)影像中顯示出的圖像灰度和色度也不盡相同。

2.2 后向散射強(qiáng)度影響因素

后向散射即是雷達(dá)傳感器測(cè)量的發(fā)射脈沖和接收信號(hào)強(qiáng)度的比值。雷達(dá)影像中的圖像亮度代表地物的后向散射強(qiáng)度，亮度越高，表明地物的后向散射強(qiáng)度越強(qiáng)。影響地物后向散射強(qiáng)度的因素主要有雷達(dá)系統(tǒng)參數(shù)、地物目標(biāo)參數(shù)和環(huán)境變量。

2.3 雷達(dá)系統(tǒng)參數(shù)

雷達(dá)遙感系統(tǒng)的主要參數(shù)有極化方式、波長(zhǎng)、入射角度等。雷達(dá)系統(tǒng)常見(jiàn)的4種極化方式為VV、HH、VH 、HV，前兩種為同極化，后兩種為交叉極化。一般情況下同極化方式的回波強(qiáng)度比交叉極化要高。

2.4 地物目標(biāo)參數(shù)

目標(biāo)地物自身的特性也會(huì)影響其后向散射強(qiáng)度，主要影響因素有目標(biāo)地物的表面粗糙程度和有介電屬性。地物表面越粗糙，發(fā)生的散射強(qiáng)度越大，雷達(dá)回波信號(hào)越強(qiáng)，地物的后向散射系數(shù)越高，地物表面越光滑，回波信號(hào)越弱，甚至沒(méi)有回波信號(hào)反射。

2.5 環(huán)境變量

環(huán)境變量主要包括地形、氣候、地理位置、濕度和土地利用類(lèi)型等。對(duì)于同一地物目標(biāo)，生長(zhǎng)周期不同其后向散射強(qiáng)度也會(huì)隨之發(fā)生變化。

2.6 數(shù)據(jù)處理

2.6.1 不同極化方式下的后向散射特性

對(duì)SAR影像數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，包括互配準(zhǔn)、多視處理、輻射定標(biāo)、幾何校正等，生成雷達(dá)平均強(qiáng)度圖像，同時(shí)通過(guò)ENVI平臺(tái)，結(jié)合SARscape軟件，對(duì)研究區(qū)內(nèi)的DEM數(shù)據(jù)進(jìn)行地理編碼和輻射定標(biāo)，最終得到能夠提取地物后向散射強(qiáng)度信息的雷達(dá)影像。借助ENVI軟件，結(jié)合實(shí)驗(yàn)前所獲得的研究區(qū)內(nèi)1∶500土地利用分類(lèi)圖，建立感興趣區(qū)，提取水田、潮溝、旱地、光灘、蘆葦沼澤地、米草沼澤地和淡水養(yǎng)殖用地7種研究區(qū)內(nèi)典型地物的后向散射強(qiáng)度圖，統(tǒng)計(jì)7種典型地物的后向散射強(qiáng)度值。

2.6.2 不同時(shí)相下的后向散射特性

選取HH極化方式下研究區(qū)內(nèi)的SLC數(shù)據(jù)，對(duì)4種不同時(shí)相下的遙感數(shù)據(jù)基于ENVI平臺(tái)，結(jié)合SARscape軟件，使用SBAS操作方法，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行圖像匹配、輻射定標(biāo)、重采樣、大氣校正、地理編碼、幾何校正等處理。在研究同一地區(qū)不同時(shí)像下的典型地物的后向散射特性時(shí)，對(duì)同一地區(qū)不同時(shí)期的雷達(dá)影像進(jìn)行圖像匹配處理。使用SARscape中的SBAS(Satellite-Based Augmentation System)操作方法，按照短空間基線(xiàn)組合原則，為影像建立一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系，進(jìn)行圖像匹配，生成連接圖。為了更加直觀(guān)地反應(yīng)高程信息，去除平地效應(yīng)，對(duì)影像進(jìn)行干涉處理。使用SBAS操作方法，利用衛(wèi)星軌道參數(shù)，結(jié)合研究區(qū)DEM數(shù)據(jù)，最終生成干涉相干圖和后向散射強(qiáng)度圖。最后將不同時(shí)相下的四景影像，借助ENVI軟件，結(jié)合實(shí)驗(yàn)前所獲得的研究區(qū)內(nèi)1∶500土地利用分類(lèi)圖，建立感興趣區(qū)，提取7種地物的后向散射強(qiáng)度曲線(xiàn)。統(tǒng)計(jì)7種典型地物的后向散射強(qiáng)度值。

3 結(jié)果與分析

3.1 不同極化方式下典型地物后向散射特性對(duì)比

雷達(dá)天線(xiàn)發(fā)射的電磁波與地物反射的電磁波均有不同的極化方式，分為垂直極化(V)和水平極化(H)。因此，由發(fā)射波和接收波在不同極化狀態(tài)下組合所得到的地物目標(biāo)信息形成SAR圖像散射特性。由圖2可以看出，不同極化方式下各地物的后向散射強(qiáng)度曲線(xiàn)各不相同，且HV極化方式下典型地物的后向散射強(qiáng)度要小于HH極化方式下典型地物的后向散射強(qiáng)度。HH極化方式下，不同地物的后向散射強(qiáng)度曲線(xiàn)各不相同，其中，光灘的后向散射強(qiáng)度平均值最小，水田的后向散射強(qiáng)度平均值最大。

由圖2兩種極化下各地物后向散射強(qiáng)度曲線(xiàn)圖，再結(jié)合表1的統(tǒng)計(jì)結(jié)果對(duì)比可以看出，在同一時(shí)相不同極化方式下，即使是同一地物，其后向散射強(qiáng)度也不相同，且HV極化方式小于HH極化方式下的后向散射強(qiáng)度，產(chǎn)生這種結(jié)果的原因是同極化方式下電磁波的穿透能力較強(qiáng)，而HV極化方式由于受到不同地物反射的影響，回波信號(hào)弱，則地物的后向散射強(qiáng)度低。

3.2 同極化方式下典型地物后向散射特性對(duì)比

由于HH比HV的后向散射強(qiáng)度要強(qiáng)，結(jié)合圖2與表1的統(tǒng)計(jì)結(jié)果，相同極化方式下，研究區(qū)內(nèi)7種典型地物的后向散射強(qiáng)度差別也很大，由于光灘靠近沿海，受到海面的影響，其后向散射強(qiáng)度最小是-22.641 0 dB；后向散射強(qiáng)度最大的是水田，其平均系數(shù)為-12.827 1 dB；其次是旱地平均強(qiáng)度系數(shù)為-13.1008dB,與水田相差不大。產(chǎn)生這種 現(xiàn)象的主要原因是不同地物所產(chǎn)生的回波機(jī)制不 同,地表粗糙程度越大的地物回波信號(hào)越強(qiáng),其后 向散射系數(shù)越大,例如水田和旱地。而地表反射物 表面越光滑,其回波信號(hào)越弱,后向散射強(qiáng)度越弱, 例如光灘和潮溝。

表1 各極化下各地物后向散射強(qiáng)度值

圖2 兩種極化下各地物后向散射強(qiáng)度曲線(xiàn)

3.3 不同時(shí)相下的典型地物后向散射特性對(duì)比

由圖3和圖4可以看出，米草沼澤和蘆葦沼澤在不同時(shí)期下的后向散射強(qiáng)度變化較大，產(chǎn)生這種現(xiàn)象的主要原因是米草沼澤的生長(zhǎng)周期隨季節(jié)的變化而變化。

圖3 不同時(shí)相下米草沼澤后向散射強(qiáng)度曲線(xiàn)

圖4 不同時(shí)相下蘆葦沼澤后向散射強(qiáng)度曲線(xiàn)

在不同時(shí)期內(nèi)米草沼澤地和蘆葦沼澤地的后向散射強(qiáng)度曲線(xiàn)各不相同，這是由于不同地物其內(nèi)部結(jié)構(gòu)不同，所反射和輻射的回波信號(hào)各不相同，則后向散射強(qiáng)度曲線(xiàn)也不一致。耕地表面的農(nóng)作物在不同季相具有不同的物候特性,其在遙感影像上也有不同的體現(xiàn)[14]。不同時(shí)期內(nèi)其地表植被處于不同的生長(zhǎng)期，導(dǎo)致后向散射平均系數(shù)有所變化。由圖3和圖4可以看出，本次實(shí)驗(yàn)表明即使是同一地區(qū)，在不同時(shí)間內(nèi)，由于地面植被生長(zhǎng)季節(jié)的變化，其后向散射強(qiáng)度也會(huì)隨之變化。為了提高識(shí)別的精度，后向散射的時(shí)相特征多被用于農(nóng)作物識(shí)別、長(zhǎng)勢(shì)監(jiān)測(cè)及估產(chǎn)中[15]。

4 結(jié) 論

本文以ALOS PALSAR影像L波段為數(shù)據(jù)源，以江蘇鹽城沿海灘涂岸為例，對(duì)SAR數(shù)據(jù)進(jìn)行強(qiáng)度圖像處理，對(duì)比分析同一研究區(qū)不同極化方式下典型地物的后向散射特性，并探究灘涂區(qū)相同地物在不同時(shí)相下，其后向散射強(qiáng)度變化情況。主要結(jié)論如下：

1)同一區(qū)域不同極化方式下，HH極化方式下地物的后向散射強(qiáng)度要大于HV極化方式。

2)同一區(qū)域同一極化方式下，不同地物間的后向散射特性差別較大。研究區(qū)內(nèi)的7種典型地物，其中，水田后向散射強(qiáng)度最大，光灘后向散射強(qiáng)度最小，這是由于不同地物表面的粗糙程度不同，其回波反射強(qiáng)度也不同，地物表面越粗糙，其后向散射強(qiáng)度也相對(duì)越大。

3)研究區(qū)內(nèi)的同一地物，在不同時(shí)相下，其后向散射強(qiáng)度也有很大變化。研究區(qū)內(nèi)7種典型地物中，旱地、水田、潮溝和光灘這4種地物的后向散射強(qiáng)度隨時(shí)間變化較大。

本文研究沿海灘涂區(qū)典型地物SAR后向散射特性，所得結(jié)果可以用于區(qū)分不同地物，為提取不同地物選取合適的閾值，并且為SAR影像的高精度土地分類(lèi)提供科學(xué)依據(jù)，有利于灘涂區(qū)的植被保護(hù)。

本研究中仍然存在不足之處，實(shí)驗(yàn)研究典型地物的后向散射特性?xún)H是L波段的雷達(dá)數(shù)據(jù)，并沒(méi)有對(duì)其他波段的數(shù)據(jù)進(jìn)行研究，例如未將C、P波段的數(shù)據(jù)納入研究中，未來(lái)的研究會(huì)考慮其他波段，如C、P波段等。