基于PALSAR雷達數據在南方水體信息提取研究

崔舜銚 姚佛軍 連琛芹

摘要 [目的]利用具有L波段的雙極化PALSAR雷達數據在福建壽寧地區開展水體信息提取的研究。[方法]對雙極化PALSAR雷達數據進行了極化差、濾波、彩色合成等圖像處理手段，增強地物信息，分析了典型地物在雷達影像上的特點，利用地形建模消除山區陰影影響，基于SVM分類方法對研究區進行了水體信息提取，最后結合目視解譯結果進行了精度評價。[結果] PALSAR雷達數據可準確地在我國南方地區進行水體信息的提取應用。[結論]該研究為解決在我國南方地區受云雨天氣影響，光學遙感數據無法準確地提取地表水體信息的問題提供了理論依據。

關鍵詞 PALSAR；雷達；水體；支持向量機；南方

中圖分類號 TP79 文獻標識碼 A 文章編號 0517-6611（2018）21-0090-03

Abstract [Objective]The ALOS Phased Arrayed Lband Synthetic Aperture Radar （PALSAR） was used for water extraction in Shouning.[Method]Firstly，used filtering，color synthesis and polarized difference to enhance the description of targets，and then analyzed the scattering mechanism of typical object，such as water，vegetation，settlement and shadow.Secondly，the shadow from the terrain modeling was used to mask the mislabeled water from PALSAR imagery due to its shadow influence.Finally，the water body was processed using support vector machine classification method.The comparison was made between the results of the extracted water body and visual interpretation from location accuracy and extraction accuracy.[Result]The PALSAR appeared to be more effective in areas of extracting water body in southern China.[Conclusion]The results provide reference for solving the problem that optical remote sensing data in southern China is affected by cloud and rain，it is impossible to accurately extract surface water body information.

Key words PALSAR；Radar；Water；Support vector machine；South

水體信息的提取在水資源研究、水體監測、農業應用、災害防護、工程建設等方面發揮著重要作用[1-2]。近20年來，隨著遙感技術的發展，衛星遙感技術在水體信息提取方面得到了廣泛應用，光學遙感技術在水體提取中的技術較為成熟，主要分為閾值法和譜間關系法[3]。但是在南方地區，光學影像受到常年多云雨天氣和植被覆蓋的影響，加之地物類型的復雜性，同物異譜和異物同譜現象導致了光學遙感在南方水體信息提取中存在著局限性。近10年來，微波遙感技術得到了迅速發展，合成孔徑雷達（SAR）憑借著全天候、全天時、主動成像、具有一定穿透力的優勢為南方植被覆蓋區的信息提取提供了新思路、新方法[4]。具有L波段PALSAR雷達數據不僅具有更好的穿透能力而且可以提供多極化數據，極大地增強了對地物的提取能力[5-6]。2015年，陳幫乾等[7]基于PALSAR雷達數據對海南島的土地進行了分類研究，結果表明PALSAR雷達數據對水體具有較高的識別精度。雖然合成孔徑雷達可以幫助解決信息提取中植被覆蓋的難題，但是由于雷達成像特點，導致山體陰影與水體混淆成為了一個無法避免的問題。目前針對山體陰影去除主要有地形建模和與光學遙感影像融合2種方法[8]。

結合研究區特點，筆者利用具有一定穿透特性的L波段雙極化PALSAR雷達數據，對圖像進行預處理，利用極化差、假彩色合成、濾波等方法增強地物表征，分析了雷達圖像上不同典型地物的后向散射特性，并基于SVM分類器提取水體，利用DEM地形建模的方法去除水體提取中誤提的陰影，最后結合目視解譯結果進行了精度評價。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

研究區位于福建省寧德市壽寧縣境內，屬于亞熱帶海洋氣候，1—5月常陰雨綿綿，11月至次年3月經常大霧迷漫，7—9 月常有臺風影響。地處鷲峰山脈，地形切割強烈，地勢陡峻、峰巒疊嶂、山嶺聳峙。交溪干流縱貫研究區東部，沿交溪干流兩岸發育低山和中山呈階狀分布，研究區西部為霍童溪和穆陽溪的發源地，河谷形態呈倒置現象，上游多河曲和河漫灘堆積，中游則多峽谷，礁巖裸露，水流湍急。

1.2 數據來源 試驗數據采用的是雙極化PALSAR（HH+HV）雷達數據和ASTER多光譜數據。PALSAR是具有L波段的合成孔徑傳感器，于2006年搭載著日本對地觀察衛星升空，它能夠不受氣候、時間影響，全天時全天候地進行觀測，被廣泛地應用于災害監控、森林調查、地形監測等領域[9]，具體參數見表1。相比于其他雷達數據，PALSAR雷達數據L波段具有更好的穿透能力，易于在我國南方覆蓋區開展工作，并且PALSAR雷達數據在我國覆蓋區域較大，數據存檔較多，可以連續地進行對比觀察研究。為了評價雙極化PALSAR雷達數據在南方地區水體信息提取的優點和精度，選擇該區域的ASTER多光譜影像參考，進行目視解譯和對比分析。

2 結果與分析

2.1 PALSAR數據預處理

在面對雷達影像噪聲問題上，為了得到高質量的SAR圖像，需要對研究區域的PALSAR圖像進行多視處理和濾波處理，降低斑點噪聲。在Lee濾波、Frost濾波、增強Lee濾波等多種濾波方式中，反復對比試驗，發現增強型Lee濾波不僅可以降低噪聲，而且可以很好地保留各地物邊界特征。

由于雷達圖像缺乏色彩信息，為了增強地物差別，在對圖像進行降噪處理后，對雙極化PALSAR數據HH極化通道（圖1）和HV極化通道（圖2）進行差值運算，突顯不同地物在不同極化通道的差異，并且進行假彩色合成（R：HH；G：HV；B：HH-HV），突出各地物特征。通過研究區PALSAR彩色圖像（圖3）和ASTER遙感影像（圖4）的對比可以發現，ASTER影像上的云霧覆蓋導致目標信息無法準確提取，而PALSAR的彩色圖像可以很好地反映地物信息，并不受云霧的影響。

2.2 典型地物散射特征分析

在PALSAR影像上，基于訓練樣本ROI統計典型地物的HH、HV波段的后向散射系數的最大值、最小值、均值和標準差。表2、3表明，HH極化通道相對于HV極化通道更有利于對水體提取，各種典型地物區分更加明顯。在HH極化通道里，相對于PALSAR雷達L波段波長，水體表面近似平滑的鏡面，通常發生奇次散射，后向散射很弱，平均為-16.51 dB，在PALSAR影像上表現為暗區。居民地由于大量的人工建筑存在，房屋、墻體與路面發生二面角反射，后向散射系數遠遠高于其他地物，平均值為6.55 dB，影像上表現為亮區。植被區由于植被覆蓋，高低不同，后向散射系數位于中間值，平均為-6.45 dB，可以較好地與水體區分。由于研究區的西部和東部多山地，在山坡上，一些地物目標阻擋了斜射的波束，被遮擋的地方就形成了陰影區，所以在PALSAR雷達影像HH極化通道上，這些區域的后向散射系數平均值為-10.76 dB，在自動提取時，易與水體混淆。根據地物在HH極化通道和HV極化通道的后向散射系數的特點，引入極化差進行綜合地物區分判別。

2.3 陰影處理

為了消除提取的陰影信息，利用陰影掩膜處理。基于地理空間數據云所獲取的DEM高程數據，根據雷達成像的基本原理，對研究區的地形進行建模，提取陰影所在位置，消除陰影區域對水體提取的影響。

2.4 水體的提取

水體提取采用面對對象分類方法，對雙極化PALSAR假彩色合成圖進行多尺度分割后，采用支持向量機（SVM）法進行水體信息提取[10]。面向對象分類方法關鍵在于分割尺度和合并尺度的選擇，根據影像臨近像素的紋理、亮度、顏色等信息分割出相應的單元，通過反復對比試驗，確定該研究區的分割尺度選擇為25，合并尺度為60。在有限的訓練樣本情況下，SVM分類方更能發揮出解決小樣本分類問題的優勢。通過提取結果（圖5）可以發現，白色區域為水體部分，邊緣較為平滑。

2.5 精度評價

為了客觀地評價PALSAR雷達數據提取水體的效果和精度，結合研究區ASTER數據進行了三維影像分析（圖6），在研究區西部和東部山區所產生的陰影被較好地剔除，未產生誤提。結合目視解譯樣本，選擇了2 000個水體相元和15 000個非水體像元，分別對試驗區的2類分類結果進行精度分析。總體分類結果為98%，Kappa系數為0.94。說明PALSAR雷達數據能夠進行精度很好的水體信息提取。

3 結論與討論

基于雙極化PALSAR雷達數據對地物特點進行分析，利用面對對象的提取水體信息，并將提取結果與目視解譯結果進行對比，統計分析提取精度。結果表明：①在南方植被區域，多云，多霧，并且受植被覆蓋的影響，光學影像難以進行快速準確的提取，雷達影像利用其穿透能力可以進行快速準確的提取。②多極化數據的極化差、彩色合成等處理方式可以增強雷達數據的色彩信息，增強地物信息的識別能力。③濾波、地形建模等處理方式可以很好地消除斑點噪聲和陰影產生的錯誤信息。但是由于雙極化PALSAR雷達數據分辨率的影響，對于區域面積較小的水體難以很好的提取，在后續研究中，可嘗試利用高分辨率的雷達數據進行南方植被覆蓋區的水體信息提取。

參考文獻

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