SAR圖像處理.

1、SAR圖像處理 班級(jí)： 學(xué)號(hào)： 姓名： 一：SAR圖像概述：SAR是一種可成像的雷達(dá)，它所用的雷達(dá)波段大約是300MHz到30GHz。比如一般用的波段是110GHz的合成孔徑雷達(dá)，大氣對(duì)這種波段的影響不大。也就是說如果天上有一個(gè)合成孔徑雷達(dá)衛(wèi)星，白天黑夜、大氣的云霧雨雪等天氣變化對(duì)雷達(dá)看到的結(jié)果影響甚微，可忽略不計(jì)。所以合成孔徑雷達(dá)是一種全天時(shí)、全天候的雷達(dá)，它所成的圖像就是SAR圖像了。 SAR圖像的場(chǎng)景和照相機(jī)拍出來的場(chǎng)景類似，只不過波段不同看到的事物也不一樣。SAR都是斜視的，而光學(xué)的可以垂直照射。二 SAR圖像成像原理雷達(dá)是通過發(fā)射微波，接收地面目標(biāo)反射的回波來獲得信息的一種主動(dòng)微波遙

2、感，而且主要采用側(cè)視雷達(dá)。側(cè)視雷達(dá)的工作原理是把天線安裝在飛行器的側(cè)面，在垂直于航線的一側(cè)或兩側(cè)發(fā)射雷達(dá)波束，這個(gè)波束在航向上很窄，在距離向上很寬，覆蓋了地面上一個(gè)很窄的條帶，隨著飛行器向前移動(dòng)，不斷地發(fā)射這樣的波束，并接收相應(yīng)的地面窄帶上各種地物的回波信號(hào)。這樣，雷達(dá)波束在目標(biāo)區(qū)域上掃過，獲得該地區(qū)的連續(xù)帶狀。平行于飛行航線的方向稱為方位向，垂直于航線的方向稱為距離向。圖像的灰度與后向散射波強(qiáng)相關(guān)，反映地表的粗糙性、介電常數(shù)等性質(zhì)。側(cè)視雷達(dá)又可以分為真實(shí)孔徑側(cè)視雷達(dá)和合成孔徑側(cè)視雷達(dá)。真實(shí)孔徑雷達(dá)是一種以天線的真實(shí)孔徑工作的側(cè)視雷達(dá)，這種雷達(dá)的方位向分辨率比較低，要提高方位向分辨率，只有加大

3、天線的孔徑，盡量縮短觀測(cè)距離和采用較短波長的電磁波，但是在實(shí)際應(yīng)用中，這些辦法受到很多因素的限制，因此要想進(jìn)一步提高方位向分辨率，往往采用合成孔徑技術(shù)。合成孔徑雷達(dá)（SAR）作為一種高分辨成像雷達(dá)，其基本思想是：將同時(shí)處于天線主波束內(nèi)的真實(shí)孔徑雷達(dá)不能區(qū)分的多個(gè)目標(biāo)的多普勒頻率和相位同時(shí)加以記錄和處理，然后再根據(jù)多普勒頻率和相位的不同來識(shí)別相鄰的目標(biāo)。也就是說，利用飛行器的移動(dòng)，將真實(shí)孔徑雷達(dá)的小天線依次攜帶到相應(yīng)于線性天線陣列的各個(gè)陣元應(yīng)該放置的位置上，而在每個(gè)位置上發(fā)射一個(gè)雷達(dá)信號(hào)并接收其回波加以存儲(chǔ)，當(dāng)發(fā)射單元移動(dòng)一個(gè)波束寬度的距離后，存儲(chǔ)的信號(hào)與一個(gè)實(shí)際線性天線陣諸陣元所接收到的天線信

4、號(hào)非常相似。所不同的是，前者是在不同的時(shí)刻記錄不同位置的相干信號(hào)，然后進(jìn)行合成；后者是在同一時(shí)刻記錄不同位置的信號(hào)并加以合成。因此，只要通過信號(hào)處理器的處理，就可以使一個(gè)物理長度的短天線起到一個(gè)有效長度很長的長天線的作用。因此，從根本上突破了真實(shí)孔徑天線的限制，使得側(cè)視雷達(dá)的方位向分辨率得到了較大的提高。三：光學(xué)圖像與SAR圖像的異同：對(duì)于初學(xué)者來說，區(qū)分光學(xué)圖像與SAR圖像是很重要的。通過查閱資料以及新技術(shù)講座這門課的學(xué)習(xí)，以下是我的一些見解：按傳感器采用的成像波段分類，光學(xué)圖像通常是指可見光和部分紅外波段傳感器獲取的影像數(shù)據(jù)。而SAR傳感器基本屬于微波頻段，波長通常在厘米級(jí)?？梢姽鈭D像通常

5、會(huì)包含多個(gè)波段的灰度信息，以便于識(shí)別目標(biāo)和分類提取。而SAR圖像則只記錄了一個(gè)波段的回波信息，以二進(jìn)制復(fù)數(shù)形式記錄下來；但基于每個(gè)像素的復(fù)數(shù)數(shù)據(jù)可變換提取相應(yīng)的振幅和相位信息。振幅信息通常對(duì)應(yīng)于地面目標(biāo)對(duì)雷達(dá)波的后向散射強(qiáng)度，與目標(biāo)介質(zhì)、含水量以及粗糙程度密切相關(guān)；該信息與可見光成像獲得的灰度信息有較大的相關(guān)性。而相位信息則對(duì)應(yīng)于傳感器平臺(tái)與地面目標(biāo)的往返傳播距離，這與GPS相位測(cè)距的原理相同。由于SAR影像分辨率相對(duì)較低、信噪比較低，所以SAR影像中所包含的振幅信息遠(yuǎn)達(dá)不到同光學(xué)影像的成像水平；但其特有的相位信息是其他傳感器所無法獲取的，基于相位的干涉建模也是SAR的主要應(yīng)用方向。在成像模式

6、方面，光學(xué)影像通常采用中心投影面域成像或推帚式掃描獲取數(shù)據(jù)；而SAR處于信號(hào)處理的需要（合成孔徑過程，這里就不展開討論了）不能采用垂直向下的照射方式而只能通過測(cè)視主動(dòng)成像方式發(fā)射和接受面域雷達(dá)波，并通過信號(hào)處理（聚焦、壓縮、濾波等）手段后期合成對(duì)應(yīng)于地面目標(biāo)的復(fù)數(shù)像元。單一SAR影像的相位信息基本沒有統(tǒng)計(jì)特征，只有振幅信息可用于目標(biāo)識(shí)別和分類等應(yīng)用。正如前面所說，振幅信息深受噪聲的影響，加之SAR影像特有的幾何畸變（疊掩、透視收縮、多路徑虛假目標(biāo)等）特征，個(gè)人認(rèn)為仁兄若是想在圖像分割領(lǐng)域做探討的話，可以直接忽略掉SAR影像了。四：SAR圖像的幾何特征與糾正方法在雷達(dá)成像中，目標(biāo)的位置在方向上按

7、雷達(dá)飛行的時(shí)序記錄成像，而在距離向是按目標(biāo)反射信息先后來記錄成像及斜距成像，因而它有不同于一般光學(xué)影像的幾何特征。透視收縮：出現(xiàn)在距離向是指圖像依比例尺測(cè)量距離比實(shí)際距離小的特征。收縮的大小隨波束入射角的變化而變化，例如山坡這樣的目標(biāo)，即使前、后坡的大小一樣，由于透視收縮的原理，使得圖像正對(duì)波束的一面較窄，而背對(duì)波束的一面較寬。定點(diǎn)位移：雷達(dá)是距離成像，目標(biāo)距天線的距離越近，成像則越靠近航跡線，因此，高出地面的物體的影像靠近航跡線，而低于地面的物體的影像原理航跡線。頂點(diǎn)位移的大小同物體的高度和波束的入射角有關(guān)。陰影：雷達(dá)成像是側(cè)視的，發(fā)射的電磁波沿直線傳播，因此，高的物體阻擋雷達(dá)發(fā)射的電磁波，

8、而位于高物體之下的地物不能反射電磁波，不能成像從而形成陰影。陰影的大小跟物體的高度、雷達(dá)天線的俯角以及背坡坡角有關(guān)。疊掩：多個(gè)目標(biāo)由于斜距相同，它們?cè)谟跋裆暇哂邢嗤奈恢?，使這點(diǎn)的灰度值很大，這種現(xiàn)象叫做疊掩。SAR 圖像幾何糾正方法目前已經(jīng)提出了一些處理方法，如：1）利用SAR的斜距信息和DEM來模擬SAR成像的透視收縮，然后利用TM影像來與之相匹配，最后達(dá)到糾正的目的。2）利用DEM和后向散射函數(shù)以及衛(wèi)星輔助數(shù)據(jù)記錄模擬雷達(dá)影像并生成DEM地址文件，在模擬影像上給每個(gè)像素指定一個(gè)地理參考位置，然后進(jìn)行匹配與重采樣，以實(shí)現(xiàn)圖像的每個(gè)像素作必要的坐標(biāo)變換，生成一種以地面坐標(biāo)系為標(biāo)準(zhǔn)的新圖像。

9、3）方圣輝 舒寧 潘斌在“ERS-1SAR圖像的幾何處理的研究”中，提供的模式是按照SAR的構(gòu)象方程，利用星歷參數(shù)建立的，可以達(dá)到很好的糾正精度：（1）利用影像的頭文件提供的參數(shù)把地距產(chǎn)品轉(zhuǎn)化為斜距產(chǎn)品；（2）利用斜距投影建立糾正數(shù)學(xué)模型。五：SAR 圖像相干斑的形成機(jī)理由于雷達(dá)所照射場(chǎng)景的特性表面的粗造程度、分布式散射體的密度等等，總是不確定的，因而SAR原始信號(hào)表現(xiàn)為一個(gè)隨機(jī)過程。SAR圖像中的噪聲包括系統(tǒng)噪聲和斑點(diǎn)噪聲。其中，系統(tǒng)噪聲主要包括系統(tǒng)的非線性性質(zhì)，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行采樣、量化、壓縮、傳輸和解碼等數(shù)字化過程以及圖像本身在成像過程中的退化等因素的影響所產(chǎn)生的噪聲，是直接作用到圖像上的，一

10、般可以用高斯噪聲或椒鹽噪聲進(jìn)行描述。而對(duì)SAR圖像質(zhì)量影響最大的斑點(diǎn)噪聲與成像系統(tǒng)本身固有的噪聲有著本質(zhì)的不同，這是因?yàn)樗麄冃纬傻奈锢磉^程有著本質(zhì)的差別。SAR是一種相干成像傳感器。信號(hào)的相干性是合成孔徑雷達(dá)能夠提高分辨率的關(guān)鍵。它的一個(gè)分辨率單元內(nèi)有大量散射子。SAR回波強(qiáng)度圖像中的每一個(gè)素記錄的是它所覆蓋的地面區(qū)域的總回波強(qiáng)度，在理想情況下，這些散射子的回波為球面波，在球面上其幅度處處相等。如圖2.4。在這個(gè)分辨率單元內(nèi)的每個(gè)散射中心都產(chǎn)生一個(gè)子回波，每個(gè)子回波都有獨(dú)立的相位和振幅。所有子回波的矢量和形成了總的回波。子回波的相位是隨機(jī)的，在矢量求和時(shí)振幅會(huì)相互抵消或疊加，得到的總回波強(qiáng)度與

11、子回波的平均強(qiáng)度之間存在偏差。在SAR圖像中這種隨機(jī)的偏差呈現(xiàn)出強(qiáng)噪聲的形式，通常稱為相干斑現(xiàn)象。由于SAR發(fā)射相干電磁波，因此各散射中心的回波是相互干涉的。當(dāng)相干電磁波照射實(shí)際目標(biāo)時(shí)，其散射回來的總回波并不完全由地物目標(biāo)的散射系數(shù)決定，而是圍繞這些散射系數(shù)值有很大的隨機(jī)起伏，這種起伏將會(huì)使具有均勻散射系數(shù)目標(biāo)的SAR圖像并不具有均勻灰度，而會(huì)出現(xiàn)許多斑點(diǎn)。斑點(diǎn)噪聲的存在使圖像信噪比下降，嚴(yán)重時(shí)使圖像模糊，甚至圖像特征消失。六：SAR圖像的應(yīng)用SAR 在國民經(jīng)濟(jì)的許多領(lǐng)域和軍事上均得到了廣泛的應(yīng)用5。在農(nóng)林方面，SAR 已應(yīng)用于土地利用情況調(diào)查、作物和樹木分類、作物和樹木長勢(shì)檢測(cè)、作物產(chǎn)量和樹

12、木蓄積量估計(jì)等諸多方面，帶來了可觀的經(jīng)濟(jì)效益。在地質(zhì)方面，SAR的側(cè)視工作方式以及雷達(dá)波對(duì)地表物質(zhì)的穿透能力在揭示地質(zhì)構(gòu)造方面具有突出的優(yōu)勢(shì)，因此，SAR 廣泛地應(yīng)用于巖性識(shí)別、構(gòu)造分析、地形測(cè)繪、火山監(jiān)測(cè)和礦產(chǎn)資源勘探等。在水文方面，SAR 圖像己經(jīng)用于土壤水分監(jiān)測(cè)、水系分析、水資源調(diào)查、海水入侵監(jiān)測(cè)、河道變遷分析等方面，并取得了許多重要的研究成果。在海洋方面，世界上第一部星載SAR(SEASAT-A)的設(shè)計(jì)就著眼于海洋研究，目前SAR 已經(jīng)在海浪研究、洋流分析、海冰監(jiān)測(cè)、淺海水下地形研究、海底油氣勘探、漁業(yè)估產(chǎn)、海洋氣象預(yù)報(bào)等方面得到了廣泛應(yīng)用。在防災(zāi)減災(zāi)方面，SAR 可用于一些自然災(zāi)害的

13、預(yù)報(bào)、災(zāi)情調(diào)查、森林火災(zāi)監(jiān)測(cè)、強(qiáng)臺(tái)風(fēng)預(yù)報(bào)和地震減災(zāi)等。在軍事偵察方面6，現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)要求偵察設(shè)備具有大范圍、高精度、機(jī)動(dòng)靈活、抗偽裝能力強(qiáng)、全天時(shí)、全天候的偵察能力，SAR 以其特有的優(yōu)勢(shì)能夠適應(yīng)現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)的高要求，可廣泛地用于戰(zhàn)略和戰(zhàn)術(shù)偵察，尤其是夜間偵察和云霧覆蓋地區(qū)的偵察，更是可見光和紅外偵察設(shè)備所無法代替的。此外，由于SAR 具有一定的穿透力，而且雷達(dá)回波與目標(biāo)表面材料的介電常數(shù)有關(guān)，所以可對(duì)目標(biāo)表面材質(zhì)進(jìn)行定量分析，從而辨明目標(biāo)的真?zhèn)??？偠灾?，SAR 在處于信息時(shí)代的當(dāng)今社會(huì)中發(fā)揮著越來越重要的作用。目前，SAR 數(shù)據(jù)獲取技術(shù)有了長足的發(fā)展，不少國家和一些聯(lián)合組織發(fā)射了自己的星載SAR

14、系統(tǒng)，并有了商業(yè)化的數(shù)據(jù)來源。與SAR 數(shù)據(jù)源快速增長的現(xiàn)狀相比，以SAR 圖像解譯為核心的SAR 應(yīng)用技術(shù)研究相對(duì)滯后。SAR 成像機(jī)理與普通光學(xué)傳感器有很大的差異，其數(shù)據(jù)處理的難度主要在于成像過程中電磁波與地表目標(biāo)相互作用的機(jī)理還有待進(jìn)一步揭示，難以直接反演地表物理現(xiàn)象；成像過程所必然帶來的相干斑(Speckle)噪聲使地物目標(biāo)在SAR 圖像中具有獨(dú)特的信息特點(diǎn)，因而常規(guī)的基于灰度的數(shù)字圖像處理與分析技術(shù)難以奏效。對(duì)SAR 圖像快速、自動(dòng)地解譯成為了一個(gè)世界性的研究課題7。作為SAR 數(shù)據(jù)應(yīng)用研究重要環(huán)節(jié)之一的圖像處理與分析技術(shù)的研究與開發(fā)面臨巨大的挑戰(zhàn)，其研究成果直接關(guān)系到SAR 在諸領(lǐng)

15、域的應(yīng)用。我國的SAR 應(yīng)用技術(shù)雖然經(jīng)過十多年的努力，有了較大的提高，但是與世界先進(jìn)水平相比，仍有較大的差距8。在數(shù)據(jù)源充足，SAR應(yīng)用日益廣泛的今天，有必要盡快發(fā)展成像后的SAR 圖像處理技術(shù)，以便從觀測(cè)數(shù)據(jù)中獲取大量的實(shí)時(shí)信息。七：國內(nèi)外的研究狀況隨著SAR在軍用、民用等方面的廣泛應(yīng)用，SAR圖像的后處理技術(shù)逐漸得到人們的廣泛關(guān)注，其中對(duì)SAR圖像紋理的分析一直是一個(gè)重要的課題。多年來，研究者們建立了許多紋理算法以測(cè)量紋理的特性。一般的紋理分析算法可以分為兩種：統(tǒng)計(jì)分析方法和結(jié)構(gòu)分析方法9。統(tǒng)計(jì)分析方法從圖像有關(guān)屬性的統(tǒng)計(jì)分析出發(fā)，而結(jié)構(gòu)分析方法則著力找出紋理基元，再從結(jié)構(gòu)組成探索紋理構(gòu)成

16、的結(jié)構(gòu)規(guī)律，還有直接去探求紋理構(gòu)成的結(jié)構(gòu)規(guī)律。由于遙感圖像上的紋理沒有規(guī)則不變的局部模式和簡(jiǎn)單的周期重復(fù)，其紋理信息往往只有統(tǒng)計(jì)學(xué)上的意義，使得結(jié)構(gòu)分析方法在遙感圖像中的應(yīng)用效果不佳，所以遙感圖像紋理分析主要采用的是統(tǒng)計(jì)紋理分析方法10。常用的紋理分析方法有傅立葉功率譜法基于模型的Gabor 濾波分析法、Markov 隨機(jī)場(chǎng)模型、分形模型紋理描述、灰度共生矩陣、灰度游程長度紋理測(cè)度等?；叶裙采仃嚰y理析法已有較長的研究歷史，是人們公認(rèn)的一種重要的紋理分析方法11。1973 年Haralick12在其文章詳細(xì)列舉了14 個(gè)灰度共生矩陣特征并將其應(yīng)用到圖像的分類中。Acqua 和Gamba13借助灰度共生矩陣紋理分析方法對(duì)意大利帕維亞城區(qū)的ESR-1 圖像進(jìn)行市中心、城郊、市郊的分類提取，通過對(duì)不同時(shí)相的SAR 圖像分析結(jié)果表明相對(duì)于灰度分析法而言，紋理分析法可以提高分類精度。Anne H.SchistadSolberg14等比較了不同條件下得的同一區(qū)域SAR 圖像的灰度共現(xiàn)矩陣、局部統(tǒng)計(jì)及隨機(jī)場(chǎng)模型的提取方法，認(rèn)為幾種方法綜合可以得到更好的分類，L.Bruzzone15等分析了灰度共現(xiàn)矩陣不同窗口、方向、步長對(duì)SAR 圖像分類結(jié)果的影響，Leen-Kiat Soh16等研究了基于海小波分析自提出以來，就得到了數(shù)學(xué)界、物理學(xué)界和信號(hào)處理界等眾多學(xué)科領(lǐng)域?qū)＜液蛯W(xué)者的密切關(guān)