基于GF3的不同極化方式SAR圖像海面油膜識(shí)別的比較

付弘濤 秦平

摘要：基于我國(guó)自主研發(fā)的首顆分辨率達(dá)到1 m的C頻段多極化合成孔徑雷達(dá)高分三號(hào)衛(wèi)星（GF3），通過(guò)典型溢油案例定性和定量地比較了雙極化與單極化圖像預(yù)處理性能，分析了不同的極化組合對(duì)海面油膜識(shí)別結(jié)果的影響。得出結(jié)論：同向極化與異向極化成像差異明顯，VV極化明顯比VH極化回波強(qiáng)度高，并且油膜識(shí)別度較高;相反，雙極化VHVV方式與單極化VH方式圖像效果區(qū)別不大，雙極化方式并不能絕對(duì)性地提高地物識(shí)別度。

關(guān)鍵詞：合成孔徑雷達(dá);案例;雙極化;單極化;油膜識(shí)別

中圖分類(lèi)號(hào)：P76文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號(hào)：1005-9857（2019）03-0054-03

Comparison of Sea Surface Oil Film Identification in Different Polarizationbased GF3 SAR Images： A Case Study of the “Sangji” Accident

FU Hongtao，QIN Ping

（East China Sea Forecast Center，Ministry of Natural Resources

，Shanghai 200136，China）

Abstract：Based on the first cband multipolarization synthetic aperture radar satellite data （GF3） with a resolution of 1m independently developed in China，the dualpolarization and unipolarization image preprocessing performance was compared qualitatively and quantitatively in typical oil spill cases，and the influence of different polarization combinations on the identification results of offshore oil film was analyzed.It was concluded that the imaging difference between unidirectional polarization and anisotropic polarization was obvious，the VV polarization was obviously higher than the VH polarization echo，and the oil film identification was higher.On the contrary，the image effect of dualpolarization VHVV mode was not much different from that of singlepolarization VH mode，and dualpolarization mode could not absolutely improve the recognition of ground objects.

Key words：Synthetic aperture radar，Case，Double polarization，Literal，Oil film identification

0引言

20世紀(jì)90年代，星載合成孔徑雷達(dá)已成為空間對(duì)地觀測(cè)發(fā)展的“熱點(diǎn)”，高分三號(hào)衛(wèi)星（GF3）不受云、雨等天氣條件的限制，可全天候、全天時(shí)監(jiān)視監(jiān)測(cè)全球海洋和陸地資源，是高分專(zhuān)項(xiàng)工程實(shí)現(xiàn)時(shí)空協(xié)調(diào)、全天候、全天時(shí)對(duì)地觀測(cè)目標(biāo)的重要基礎(chǔ)，服務(wù)于海洋、減災(zāi)、水利、氣象以及其他多個(gè)領(lǐng)域，為海洋監(jiān)視監(jiān)測(cè)、海洋權(quán)益維護(hù)和應(yīng)急防災(zāi)減災(zāi)等提供重要技術(shù)支撐，對(duì)海洋強(qiáng)國(guó)、“一帶一路”建設(shè)具有重大意義。

礦物油對(duì)脆弱的海洋和當(dāng)?shù)亟渡鷳B(tài)系統(tǒng)的危害影響是眾所周知的。然而，只要全球依賴(lài)于石油產(chǎn)品，溢油將會(huì)繼續(xù)發(fā)生，加強(qiáng)對(duì)溢油的監(jiān)測(cè)是非常必要的。因?yàn)楹铣煽讖嚼走_(dá)（Synthetic Aperture Rdar）具有上述特點(diǎn)，所以SAR在溢油監(jiān)測(cè)中起著非常重要的作用。

然而，SAR衛(wèi)星的測(cè)定能力仍依賴(lài)于天氣條件和石油膜的厚度。在低風(fēng)速的情況下，自然因素導(dǎo)致的海面浮油可能會(huì)誤導(dǎo)監(jiān)測(cè)結(jié)果[1]。在高風(fēng)速的情況下，油水混合同樣不能探測(cè)到表面抑制的效果。SAR圖像上的信息是地物目標(biāo)對(duì)雷達(dá)波束的反映，主要是地物目標(biāo)的后向散射形成的圖像信息。反映SAR圖像信息的灰度值主要受后向散射的影響。雷達(dá)發(fā)射的能量脈沖的電場(chǎng)矢量，可以在垂直或水平面內(nèi)被偏振。雷達(dá)遙感系統(tǒng)常用4種極化方式——HH、VV、HV、VH。前兩者為同向極化，后兩者為異向（交叉）極化。具有HH、HV、VH和VV4種極化的全極化SAR的散射矩陣包含了地物的全部散射信息，有利于深入分析地物特性。

然而，異向極化與同向極化在回波強(qiáng)度有什么區(qū)別，與單極化方式相比，雙極化能在多大程度上提高識(shí)別度，是否雙極化就一定帶來(lái)更好的識(shí)別效果，這是人們普遍關(guān)注的問(wèn)題[2]。本研究以近期海上溢油事故為例，研究了基于GF3雷達(dá)數(shù)據(jù)的海面溢油處理流程。同時(shí)，結(jié)合實(shí)測(cè)資料定性、定量地分析了不同極化組合方式對(duì)海面油膜識(shí)別的影響。

1GF3雷達(dá)數(shù)據(jù)處理

雷達(dá)數(shù)據(jù)處理主要是將L1A級(jí)單視斜距復(fù)數(shù)（SLC）數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為地理編碼后的L2級(jí)強(qiáng)度或幅度數(shù)據(jù)?；A(chǔ)SAR處理模塊一般包括數(shù)據(jù)導(dǎo)入、輻射定標(biāo)、復(fù)數(shù)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、影像裁剪、多視處理、自適應(yīng)濾波、轉(zhuǎn)DB影像、斜地距轉(zhuǎn)換和地理編碼9個(gè)部分。目前SAR數(shù)據(jù)處理常用軟件有ENVI、Gamma以及國(guó)內(nèi)使用較多的PIE等。技術(shù)流程如圖1所示。

11GF3數(shù)據(jù)導(dǎo)入

將GF3數(shù)據(jù)導(dǎo)入成雷達(dá)處理模塊標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)格式，包括GF3單極化數(shù)據(jù)入和GF3雙極化數(shù)據(jù)導(dǎo)入。

（1）輸入元數(shù)據(jù)文件：輸入待導(dǎo)入的雷達(dá)數(shù)據(jù)元文件（matexmL）。

（2）極化類(lèi)型選項(xiàng)：包括HH、HV、VH、VV 4類(lèi)極化選項(xiàng);其中HH和VV為單極化數(shù)據(jù)類(lèi)型，HV和VH為雙極化數(shù)據(jù)類(lèi)型，全極化數(shù)據(jù)則包括以上4種極化形式。

（3）輸出文件：設(shè)置輸出結(jié)果的保存路徑及文件名，目前支持ENVI IMG、ERDAS IMG、GeoTIFF Files格式。

12輻射定標(biāo)

由于多種誤差源的存在，不同來(lái)源的 SAR 數(shù)據(jù)通常存在輻射誤差，輻射定標(biāo)將不同來(lái)源的SAR數(shù)據(jù)校正到統(tǒng)一的參考基準(zhǔn)，以精確反映地物回波特性。

13復(fù)數(shù)的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換

強(qiáng)度幅度特征是SAR影像最主要的特征之一，基于SAR強(qiáng)度幅度影像可以提取地物目標(biāo)信息，因此需要將SAR復(fù)數(shù)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為SAR強(qiáng)度幅度數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換即可將復(fù)數(shù)格式數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為強(qiáng)度、幅度、相位、實(shí)部和虛部等類(lèi)型。

14多視處理

為提高圖像的視覺(jué)效果，同時(shí)提高對(duì)每個(gè)像元后向散射的估計(jì)精度，需要進(jìn)行多視處理。多視處理是指將整個(gè)有效合成孔徑長(zhǎng)度分成多段分別對(duì)同一場(chǎng)景成像，然后將所得的圖像求和疊加到一幅SAR圖像。多視處理的目的是抑制斑點(diǎn)噪聲，代價(jià)是降低方位分辨率。

15地理編碼

地理編碼是依據(jù)相關(guān)基準(zhǔn)將影像數(shù)據(jù)從雷達(dá)成像時(shí)的坐標(biāo)系統(tǒng)（距離-方位）轉(zhuǎn)換到某種較為通用的參考坐標(biāo)系統(tǒng)。

地理編碼類(lèi)型：地理編碼橢球校正（GEC），GEC將地球表面簡(jiǎn)化為一個(gè)橢球面。地理編碼地形校正（GTC），GTC利用數(shù)字高程表面模型作為真實(shí)地球表面進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化。

2不同極化方式油膜識(shí)別比較

極化是微波的一個(gè)突出特點(diǎn)，極化方式不同返回的圖像信息也不同。極化方式對(duì)雷達(dá)波束響應(yīng)的影響比較大[4]。以2018年1月6日巴拿馬籍油船“桑吉”輪碰撞事故為例，使用我國(guó)自主GF3號(hào)雷達(dá)衛(wèi)星數(shù)據(jù)，隨機(jī)抽取3個(gè)時(shí)相案例分3組解譯比對(duì)，并結(jié)合船只出油點(diǎn)比較不同極化方式SAR圖像油膜特征，定性、定量地分析不同極化方式對(duì)識(shí)別油膜準(zhǔn)確度的影響。

3結(jié)果與分析

通過(guò)對(duì)圖像對(duì)比分析，可以得出同向極化與異向極化成像差異明顯，VV極化明顯比VH極化回波強(qiáng)度高，并且油膜識(shí)別度較高;相反，雙極化VHVV方式與單極化VH方式圖像效果區(qū)別不大，雙極化方式并不能絕對(duì)性地提高地物識(shí)別度。

同樣，異向極化方式VH和雙極化方式VHVV并不能有效呈現(xiàn)海面油膜信息，而同向極化VV方式仍然可以監(jiān)測(cè)到細(xì)微油膜信息，故更加印證了同向VV極化方式對(duì)與海面油膜監(jiān)測(cè)較為有效，并且佐證了VV極化明顯比VH和VHVV回波強(qiáng)度高。

因此，對(duì)于光滑的水體（尤其是海面油膜），HH極化比VV極化回波強(qiáng)度低;一般情況，交叉極化（HV和VH）的回波強(qiáng)度比同極化（HH和VV）低很多，與單極化方式相比，雙極化方式并不能絕對(duì)性提高地物識(shí)別效果。

參考文獻(xiàn)

[1]吳永輝，計(jì)科峰，郁文賢.利用SVM的全極化、雙極化與單極化SAR圖像分類(lèi)性能的比較[M].北京：科學(xué)出版社，2008.

[2]BYUNG H C，DUK J K，JI H H.Detection of oyster habitat in tidal flats using multifrequency polarimetric SAR data[J].Estuarine，Coastal and Shelf Science，2011，97.

[3]張兵，董臻，梁甸農(nóng).極化目標(biāo)檢測(cè)算法性能評(píng)價(jià)研究[J].系統(tǒng)工程與電子技術(shù)，2001（3）：28-30.

[4]李穎，李冠男，崔璨.基于星載SAR的海上溢油檢測(cè)研究進(jìn)展[J].海洋通報(bào)，2017，36（3）：241-249.