機載SAR在海冰航空監(jiān)測中的應(yīng)用研究*

蔣旭惠,張漢德,董 梁,別 君,崔璐璐

(中國海監(jiān)北海航空支隊 青島 266061)

機載SAR在海冰航空監(jiān)測中的應(yīng)用研究*

蔣旭惠,張漢德,董 梁,別 君,崔璐璐

(中國海監(jiān)北海航空支隊 青島 266061)

文章研究了機載合成孔徑雷達(Synthetic Aperture Radar,SAR)在海冰航空監(jiān)視監(jiān)測中的應(yīng)用,闡述了SAR數(shù)據(jù)獲取、預(yù)處理、信息提取與解譯圖成圖的整個流程。研究了機載SAR用于我國海冰監(jiān)測業(yè)務(wù)化運行的可行性。

機載SAR;預(yù)處理;信息提取

1 引言

在我國,每年冬季,北海區(qū)海冰災(zāi)害異常嚴重,對海上運輸、海上石油開采、港口海岸工程設(shè)計帶來許多不利影響。近年來,隨著全球氣候的變化,中國北海區(qū)域的海冰有愈演愈烈之勢,加強對海冰的監(jiān)視監(jiān)測對于保護人們的生命財產(chǎn)安全以及進行海洋科學(xué)研究有重要的意義。航空遙感由于機動性強、監(jiān)視范圍廣、分辨率高而成為海冰監(jiān)測的重要手段。常規(guī)的海冰航空監(jiān)測主要依靠目視、攝錄像、光學(xué)遙感手段完成,不僅受氣象條件、空域管制等條件制約,監(jiān)測效率較低。

合成孔徑雷達(Synthetic Aperture Radar, SAR)是一種主動式高分辨率的微波傳感器,它向地表發(fā)射電磁波并通過對回波信號距離向的脈沖壓縮技術(shù)和方位向的合成孔徑技術(shù)獲取二維圖像。海水與海冰的電磁波特性差異很大,使得雷達波在海冰和海水中的傳播有顯著區(qū)別。在冰水接觸面上會形成強烈的雷達反射層,海冰部分在雷達圖像上表現(xiàn)出豐富的回波現(xiàn)象,而海水部分則呈現(xiàn)出衰減與吸收的現(xiàn)象。根據(jù)二者的表面粗糙特征可實現(xiàn)冰水分類。并且, SAR具有全天候、全天時、不受大氣傳播和氣候影響、穿透力強等工作特點,機載SAR更具有機動、靈活的優(yōu)勢。因此,用機載SAR進行海冰的航空監(jiān)視監(jiān)測對于提高我國目前的海冰航空監(jiān)測能力具有重要意義。

目前,在國外,如加拿大海冰管理中心、美國國家海冰中心,以及芬蘭、瑞典、丹麥、挪威等國家的各種商業(yè)和政府的海冰中心,對海冰的監(jiān)視監(jiān)測技術(shù)研究已經(jīng)從衛(wèi)星遙感擴展到航空遙感,并開始了業(yè)務(wù)化運行,都已具備業(yè)務(wù)化海冰監(jiān)測的能力。他們對各種航空遙感數(shù)據(jù)的應(yīng)用與研究也在日益深入,并向更高空間分辨率、光譜分辨率和時間分辨率的方向發(fā)展,海冰遙感監(jiān)測數(shù)據(jù)精度不斷提高。中國開展海冰監(jiān)測的研究起步較晚,對海冰的探測研究主要集中在采用SAR衛(wèi)星數(shù)據(jù)[1-3]。通過機載SAR進行海冰監(jiān)測在20世紀90年代進行過嘗試,但當(dāng)時搭載的傳感器SAR精度指標較低,不能滿足目前越來越高的監(jiān)測精度要求。因此,有必要對機載SAR海冰探測技術(shù)進行深入的探討與研究。

2 數(shù)據(jù)獲取

本研究采用了X波段SAR進行了海冰數(shù)據(jù)的獲取。X波段干涉SAR系統(tǒng)是我國自主知識產(chǎn)權(quán),達到世界先進水平的高分辨率、寬測繪帶干涉合成孔徑雷達系統(tǒng),突破了系統(tǒng)總體與系統(tǒng)集成、雙通道相位一致性技術(shù),高精度POS技術(shù),成像及干涉處理技術(shù),地形測圖處理等關(guān)鍵技術(shù),平面分辨率0.5 m,高程分辨率0.5 m,主要參數(shù)見表1。2013年2月,海監(jiān)飛機搭載SAR在遼東灣底和北黃海沿岸進行了海冰數(shù)據(jù)獲取,其中北黃海沿岸的SAR影像數(shù)據(jù)見圖1。

表1 X波段雷達系統(tǒng)主要技術(shù)指標

圖1 SAR影像

3 數(shù)據(jù)處理

3.1 SAR濾波處理

SAR的相干成像方式使圖像有相干斑點噪聲,斑點噪聲的存在使得SAR圖像的信噪比下降,嚴重時使得圖像模糊,甚至圖像特征消失,嚴重影響了圖像的質(zhì)量[4]。因此,SAR圖像使用前必須進行濾波處理以抑制斑點噪聲。

SAR圖像的斑點噪聲不能單靠提高雷達系統(tǒng)本身的信噪比來消除影響。改善和濾除斑點噪聲常用濾波技術(shù),具體方法有均值濾波、中值濾波、改良K均值、自適應(yīng)濾波等。自適應(yīng)濾波方法按照數(shù)學(xué)估計的準則,對圖像信息進行統(tǒng)計,在壓制噪聲的同時保留了圖像的信息細節(jié)。其估計準則有多種,如最小均方誤差準則(MMSE),極大似然準則(ML)和最大后驗概率準則(MAP)等等。常用的濾波器主要有Lee、Kuan、Frost、Gamma等,它們都是基于SAR圖像乘性模型的基礎(chǔ)上獲得的[4]。

對SAR影像分別通過不同的算法,采用3 ×3的濾波窗口進行濾波處理,對各濾波結(jié)果進行客觀評價,利用平滑指數(shù)SI來評價濾波方法優(yōu)劣。SI=MEAN/STD (1)其中,MEAN表示由分布目標回波所形成的均質(zhì)區(qū)域的像元灰度均值,STD為標準差。SI的值越大,表示平滑效果越好[5]。具體濾波結(jié)果見表2。

表2 濾波效果比較

表2數(shù)據(jù)顯示,gamma濾波方法更好地保留了影像數(shù)據(jù)信息,且平滑效果較好。因此,采用gamma濾波方法對原始影像進行預(yù)處理。

3.2 數(shù)據(jù)融合

中國海冰遙感數(shù)據(jù)的分析目前還大多偏重于單波段或單一傳感器數(shù)據(jù)的分析,但隨著數(shù)據(jù)集的大量快速的增加,如何充分利用多源海冰遙感數(shù)據(jù)越來越重要,多源數(shù)據(jù)融合技術(shù)是解決這一問題的最有潛力的途徑之一[6]。

SAR能全天候獲取圖像數(shù)據(jù),且圖像有良好的空間特性,但其數(shù)據(jù)無光譜特性,而光學(xué)圖像含豐富的光譜信息,有較好的光譜特性,適合于分類、變化檢測等實際應(yīng)用,將SAR圖像與光學(xué)圖像互補信息進行融合,既可以改善SAR圖像的分辨率,還能夠增強SAR圖像的譜信息,獲得對地物或目標更為客觀和更為本質(zhì)的認識,為特征提取、分類、目標識別以及最終的理解和解譯提供更為有效的信息[4,7]。

在本次試驗中,選取分辨率為250 m的MODIS可見光影像(圖2)的光譜信息來補充SAR數(shù)據(jù)的不足,采用主成分變換分辨率融合的方法,使結(jié)果影像既具備SAR的高分辨率,又具備MODIS影像的光譜信息,生成更符合視覺經(jīng)驗的有可見光信息的高分辨率的影像。融合結(jié)果見圖3。若有該區(qū)域的更高分辨率的同步可見光影像,則能得到更好的融合結(jié)果。從圖4中可以看出,海冰類型主要為尼羅冰、冰皮和少量擱淺冰,冰狀為冰塊和大量碎冰,見飛行時同步拍攝的側(cè)方照片。采用監(jiān)督分類方法,確定冰水分類。

圖3 融合影像結(jié)果

圖4 冰型與冰狀側(cè)方照片

3.3 數(shù)據(jù)解譯、出圖

對融合后的影像,進行海冰邊緣線的識別,結(jié)合圖像與紋理特征進行影像分類,劃定海冰范圍與密集度。并完成海冰分布矢量示意圖的出圖工作 (圖5),結(jié)果顯示該實驗區(qū)域海冰分布總面積為45.6 km2。

圖5 基于機載SAR數(shù)據(jù)的海冰分布

4 結(jié)束語

本次搭載X波段SAR進行的海冰監(jiān)測結(jié)果顯示,用X波段SAR能夠突破傳統(tǒng)的海冰航空監(jiān)視監(jiān)測手段的限制,更準確地獲取海冰分布位置與狀態(tài),成為海冰監(jiān)視監(jiān)測的全天候手段,基本滿足海冰監(jiān)測業(yè)務(wù)化應(yīng)用的要求。有必要充分利用SAR的技術(shù)優(yōu)勢,打造一套面向海洋監(jiān)測業(yè)務(wù)應(yīng)用的,集數(shù)據(jù)采集、處理和應(yīng)用于一體的SAR航空遙感業(yè)務(wù)化運行系統(tǒng),實現(xiàn)所見即所得的SAR數(shù)據(jù)獲取、處理與傳輸系統(tǒng),以縮短目前一個架次SAR數(shù)據(jù)3～4 h的數(shù)據(jù)后處理時間,提高成圖速度與效率。

[1] 金亞秋,陳軼,張巍,等.雷達衛(wèi)星SAR與防衛(wèi)氣象衛(wèi)星SSM/I對渤海海冰的觀測研究[J].地球物理學(xué)報,2001,44(2):163-170.

[2] 國巧真,陳云浩,李京,等.遙感技術(shù)在我國海冰研究方面的進展[J].海洋預(yù)報,2006,23(4):95-103.

[3] 紀永剛,張杰,孟俊敏.遼東灣海冰類型SAR響應(yīng)[J].遙感技術(shù)與應(yīng)用,2007,22(2):195-199.

[4] 焦李成,張向榮,侯彪,等.智能SAR圖像處理與解譯[M].北京:科學(xué)出版社,2008.

[5] 郭華東.雷達對地觀測理論與應(yīng)用[M].北京:科學(xué)出版社,2000.

[6] 吳奎橋,王滸,黃潤恒.基于小波多分辨率分析方法的海冰遙感影像數(shù)據(jù)融合[J].遙感學(xué)報,2001,5 (2):130-134.

[7] 宋建社,鄭永安,袁禮海.合成孔徑雷達圖像理解與應(yīng)用[M].北京:科學(xué)出版社,2008.

國家海洋局青年海洋科學(xué)基金資助項目(2012406).