利用多時相雷達數據進行多云多雨地區的土地利用分類研究

徐 天，丁華祥

(廣東省國土資源測繪院，廣東廣州 510500)

利用多時相雷達數據進行多云多雨地區的土地利用分類研究

徐 天，丁華祥

(廣東省國土資源測繪院，廣東廣州 510500)

光學遙感數據在多云多雨地區應用受到限制，而具有全天候、全天時的雷達數據在該類地區具有廣闊的應用前景。本文采用3期ALOS PALSAR雷達數據對廣東省東莞市進行土地利用分類研究。研究結果表明，多時相雷達數據相比單時相雷達數據可以提高土地利用分類精度；剔除土地利用變化信息、融合多時相雷達數據、選擇合適的解譯標志是多時相雷達數據進行土地利用分類的關鍵步驟。

多時相雷達；多云多雨；土地利用分類

一、引 言

光學遙感數據在土地利用分類中的應用已經比較成熟，但是其受天氣的影響和成像時間的限制，往往無法獲取關鍵時間的影像，影響了其在多云多雨地區土地利用分類的應用。合成孔徑雷達(SAR)具有全天候、全天時的工作特點，并且對地表有一定的穿透能力，近年來逐步應用在土地利用分類中。

Dekker使用單極化ERS-1數據對新西蘭的城區進行分類，最佳情況下僅獲得了52.4%的總體分類精度[1]。尤淑撐等分別對TerraSAR、COSMO-SkyMed、RadarSat-2高分辨率SAR衛星中1 m聚束模式和3 m條帶模式數據新增建設用地監測能力進行綜合評價，結果表明，1 m聚束模式新增建設用地屬性識別準確率可達80%，3m條帶模式識別準確率約75%[2]。溫禮等分別評價了單波段單極化RadarSat-2雷達數據和THEOS、QuickBird光學數據的變化圖斑提取精度，結果表明，RadarSat-2雷達數據發現變化圖斑的能力明顯不如同分辨率的光學遙感數據。因此，目前雷達數據在土地利用分類中的應用還遠不如光學數據，其精度也有一定的差距[3]，這主要是由于利用單時相SAR影像進行土地覆蓋分類時，雷達反射信號在強散射區的飽和性及不同覆蓋地物間的模糊性導致單時相雷達數據具有較大的局限性[4]。為提高SAR影響的土地利用分類精度，結合SAR可重復周期觀測性的特點，并采用多時相雷達數據，根據不同地表覆蓋物在不同時期表現出來的后向散射系數，對地表覆蓋物進行分類，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雷達數據進行多時相雷達數據土地利用分類研究。

二、試驗區域和影像數據

1.試驗區域

東莞市位于廣東省中南部，珠江口東岸，陸地面積約2465 km2；地勢東南高、西北低，地貌以丘陵臺地、沖積平原為主。東莞屬亞熱帶季風氣候，長夏無冬，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，水網密布，地貌類型以低山丘陵、沖積平原為主。

2.影像數據

PALSAR是ALOS衛星攜帶的一個L波段的合成孔徑雷達傳感器，不受云層、天氣和晝夜影響，可全天候對地觀測，獲取高分辨率、掃描式合成孔徑雷達、三種極化觀測模式的數據。本文采用了3期高分辨率的HH極化雷達數據，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年的冬季數據和一景東莞地區植被生長旺季的8月份的數據，具體參數見表1。

表1 PALSAR數據參數

3.數據預處理

為了對PALSAR數據進行土地利用分類，需要對其進行絕對輻射定標、斑點噪聲去除、幾何定標，以及多時相數據融合處理。

(1)絕對輻射定標

PALSAR雷達影像的后向散射系數計算公式如下

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

將后向散射系數轉化為DB表示的后向散射系數，便于對影像進行點目標的定量度量和分析，具體如下

(2)幾何校正

本文以東莞市校正過的高分辨率遙感影像作為參考圖像，以田埂、橋梁、水庫大壩、十字路口、水渠等不變的標志為控制點，在每景PALSAR影像中選擇30個點均勻分布于全圖像，選擇三角網內插校正模型，校正誤差小于0.5個像元，對雷達遙感影像進行精確的幾何校正。

(3)斑點噪聲去除

根據PALSAR數據的特點，借鑒其他的研究成果，本文采用Gamma MAP濾波方法對PALSAR數據進行濾波。Gamma MAP濾波公式如下

(4)變化檢測

由于3景PALSAR數據相隔1年，研究區內個別地方的土地利用方式發了變化，采用多時相遙感數據進行土地利用分類可能存在誤判的地方，因此需要剔除變化區域。本文采用以下公式檢測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數據的后向散射系數圖；Db2是2007年12月25日PALSAR數據的后向散射系數圖。

通過式(4)的計算，對明顯發生變化的地方予以剔除，以免影響最后土地利用分類精度。

(5)多時相數據融合

為了充分利用3景PALSAR數據的多時相遙感信息，同時避免3景PALSAR數據存在相關性，影響分類精度，本文將3期PALSAR數據進行了主成分變換，去除了大量冗余和重復的信息。

三、結果與分析

1.解譯標志的建立

本文根據多時相PALSAR數據融合后的目標可解譯性，將研究區分為水體、耕地、林地和城鎮4種土地利用方式。

為準確選擇土地利用類型的解譯標志，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的特性，將PALSAR數據粗分割為水體、耕地、林地和城鎮，具體后向散射系數區間見表2；然后在各自分割后的圖像中建立解譯標志，保證了解譯標志選擇的正確性。解譯標志的選擇如圖1所示，每個解譯標志都選擇了50個樣本。

表2 PALSAR數據樣本圖像分割區間表

圖1 樣本選擇結果

2.分類結果和精度評價

本文選擇了70%的解譯標志，采用最小距離分類法對多時相ALOS PALSAR雷達數據和單時相ALOS PALSAR雷達數據進行分類；根據剩下的30%的樣本對多時相ALOS PALSAR雷達數據和單時相ALOS PALSAR雷達數據進行精度驗證，相應的混淆矩陣見表3—表6。

表3 多時相雷達遙感影像的分類精度混淆矩陣(%)

表4 2006年12月26日的雷達遙感影像的分類精度混淆矩陣(%)

表5 2007年8月9日的雷達遙感影像的分類精度混淆矩陣(%)

表6 2007年12月25日的雷達遙感影像的分類精度混淆矩陣(%)

從表3—表6可以看出，采用3期PALSAR數據進行土地利用分類時，水體、耕地、林地和城鎮的分類精度都高于采用單時相PALSAR數據進行土地利用分類的精度。由此可見，采用多時相雷達數據進行土地利用分類比單時相雷達數據進行土地利用分類可獲得更高的分類精度。

四、討 論

雖然采用多時相雷達數據進行土地利用分類能夠明顯地提高分類精度，但是這種方法還是存在不少不足之處，需要進一步探討。

1)采用多時相雷達遙感數據進行土地利用分類時，土地利用變化信息往往對土地利用分類結果產生很大的影響。因此，如何剔除土地利用變化信息，是多時相雷達遙感數據進行土地利用分類首要解決的問題[5]。本研究采用相隔一年且處于相同物候時間的PALSAR數據進行土地利用變化分析，提高了土地利用變化信息提取的準確性，減少了其對最后土地利用分類結果的影響。

2)解譯標志選擇的好壞對圖像分類結果影響很大。解譯標志確定方法很多，各具有優缺點。本文根據雷達影像的特點，利用圖像分割的成果選取解譯標志的樣本，極大提高了解譯標志之間的可分離性，保證了最后的土地利用分類精度。

3)采用多時相雷達數據進行土地利用分類時，必須進行多時相數據融合，主要原因是多時相雷達數據往往含有大量無用的細節和冗余的信息，這些細節和信息常常誤導土地利用分類，影響最后的土地利用分類精度。

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

五、結束語

本文采用多時相雷達數據對多云多雨地區進行了土地利用分類研究，結果表明，多時相雷達數據比單時相雷達數據的土地利用分類精度高；同時研究還發現，剔除土地利用變化信息、解譯標志選擇的可靠性、多時相雷達數據的融合對多時相雷達數據土地利用分類精度都會產生影響。

[1] DEKKER R.Texture Analysis and Classification of ERS SAR Images for Map Updating of Urban Areas in the Netherlands[J].IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing，2003，41(9)：1950-1958.

[2] 尤淑撐，劉順喜，徐宗學.星載高分辨率SAR土地利用調查監測應用潛力評價[J].中國農學通報，2011 (8)：460-463.

[3] 曹云剛.多時相ASAR數據的地表覆蓋分類研究[J].測繪科學，2007(5)：103-105，204.

[4] 陳富龍，王超，張紅，等.單極化合成孔徑雷達影像在土地利用分類中的潛力分析[J].遙感技術與應用，2008(3)：289-293，241.

[5] CHU H T，GE L.Synergistic Use of Multi-temporal ALOS/ PALSAR with SPOT Multispectral Satellite Imagery for Land Cover Mapping in the Ho Chi Minh City Area，Vietnam[J].IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing，2010，48(7)：1465-1468.

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，高級工程師，研究方向為大地測量、工程測量和測繪技術在國土資源管理中的應用等。引文格式:徐天，丁華祥.利用多時相雷達數據進行多云多雨地區的土地利用分類研究[J].測繪通報，2014(9)：84-86.

10.13474/j.cnki.11-2246.2014.0301