基于InSAR技术的SAR图像冰雪覆盖信息提取方法与流程

本发明属于图像处理技术领域，更为具体地讲，涉及一种基于InSAR技术的SAR图像冰雪覆盖信息提取方法。

背景技术：
冰雪圈影响着人类的工程设施、交通运输、电力、生产、经济军事活动等各个方面，它的变化将对水资源循环和气候变化产生深刻影响。此外，冰雪灾害给人类的正常生活造成的影响和灾难也是巨大的，而电网是受到冰灾影响最严重的领域之一。电网是现代社会正常运行的保障，而我国是电网覆冰灾害较为严重的几个国家之一，近几十年来，大面积冰雪灾害在全国各地时有发生。2005年春节期间湖南湖北发生了50年一遇的冰灾，十几条供电线路瘫痪。发生在2008年的大面积覆冰灾害中，影响范围覆盖了我国南方大部分地区十几个省。早期的输电走廊覆冰检测主要依靠国家电网在各个输电线路设立的观冰站，可是这种观测方法消耗大量的人力物力，并极大的受到地理环境的约束，无法对高海拔的山区和偏远地区进行全面的监测。由于微波具有穿透云雨的特性，因此SAR成像能够不受积雪地区云层、雾霾等影响，为冰雪信息监测提供了发展方向。基于多极化，多时相等方法的SAR图像冰雪信息提取中，仅仅利用SAR图像的幅度信息。而针对输电走廊等地物地形较为复杂区域，当地入射角影响较大，使得SAR图像数据中的后向散射系数可靠性降低，对冰雪覆盖信息的准确提取带来一定困难，此外，SAR图像中所含有的相位信息也没有得到利用。而InSAR技术将SAR图像中的幅度信息和相位信息充分利用，为地物及地形较为复杂区域的冰雪覆盖信息提取提供了新方向。目前对输电走廊等地物及地形较为复杂区域冰雪覆盖信息的准确提取是现有技术需要解决的难题。

技术实现要素：
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种基于InSAR技术的SAR图像冰雪覆盖信息提取方法，利用高分辨率SAR图像，对地物、地形较为复杂的区域，在不需要借助DEM信息即可有效地剔除阴影区域，同时解决低相干非雪区域对冰雪信息提取带来的干扰，提高冰雪信息提取精度，克服现阶段冰雪覆盖信息提取技术的不足。为实现上述发明目的，本发明一种基于InSAR技术的SAR图像冰雪覆盖信息提取方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)、获取待处理原始SAR图像获取监测区域含冰雪覆盖信息的单视复数SAR图像Psnow，及两幅或两幅以上包含监测区域但不含冰雪覆盖信息的单视复数SAR图像Pk，k＝1,2,…表示包含监测区域但不含冰雪覆盖信息的单视复数SAR图像的个数；(2)、图像预处理对单视复数SAR图像Psnow进行多视处理和辐射定标，得到后向散射系数强度图pwr；利用ENVI软件对多幅单视复数SAR图像Pk进行滤波、配准和基线估计，去除图像斑点噪声，同时获得多幅单视复数SAR图像Pk之间基线信息；(3)、干涉组的选取根据步骤(2)获取的基线信息，从多幅单视复数SAR图像Pk中，选取与单视复数SAR图像Psnow之间时间基线与空间基线最短的一幅单视复数SAR图像，再与单视复数SAR图像Psnow共同作为一个干涉组Z1；根据步骤(2)获取的基线信息，从多幅单视复数SAR图像Pk中分别选取时间基线与Z1相同，空间基线相对较短的两幅单视复数SAR图像作为一个干涉组Z2；(4)、生成相干系数图读取干涉组Z1中两幅单视复数SAR图像中每个像元点存储的包含地物幅度和相位信息的复数数据S(m，n)，(m，n)为像元点坐标；计算两幅单视复数SAR图像对应像元点的相干系数ρ(m,n)：其中，S1(m,n)表示第一幅单视复数SAR图像像元点存储的复数数据，S2(m,n)表示第二幅单视复数SAR图像像元点存储的复数数据，S1*(m,n)和S2*(m,n)分别表示S1(m,n)，S2(m,n)的共轭，＜·＞表示期望值，且表示图像窗口的期望值；再根据两幅单视复数SAR图像对应像元点的相干系数ρ(m,n)，生成相干系数图CC1；同理，按照步骤(4)所述方法，利用干涉组Z2生成相干系数图CC2；(5)、生成冰雪覆盖信息图像设定相干系数图CC1中的阈值为M1；相干系数图CC1与相干系数图CC2之间的相干系数变化设定阈值为M2；设置后向散射系数强度图pwr的阈值区间为[p,q]；根据设定的阈值对冰雪区域进行判断，若像元点(m,n)同时满足CC1(m,n)＜M1，CC2(m,n)-CC1(m,n)＞M2,p＜pwr(m,n)＜q，则将该像元点(m,n)判定为冰雪，并对该像元点赋值1；若不能同时满足上述三个条件，则将该像元点(m,n)判定为非冰雪，并对该像元点赋值0，最终得到二值化冰雪覆盖信息图像。本发明的发明目的是这样实现的：本发明基于InSAR技术的SAR图像冰雪覆盖信息提取方法，通过对多幅不含冰雪信息的单视复数SAR图像进行预处理、配准、基线估计，并对含冰雪信息的单视复数SAR图像进行辐射定标得到后向散射系数图，再通过SAR图像基线信息中时间基线和空间基线的长短分别选取两个干涉组，第一个干涉组由一幅含冰雪信息和一幅不含冰雪信息的单视复数SAR图像构成，第二个干涉组由两幅不含冰雪信息的单视复数SAR图像构成，再通过相干系数公式分别计算每个干涉组中两幅图像的相干系数，得到相干系数图，最终通过对两幅相干系数图和含冰雪信息SAR图像的后向散射系数图设定阈值，实现冰雪覆盖信息的提取。同时，本发明基于InSAR技术的SAR图像冰雪覆盖信息提取方法还有以下有益效果：(1)、本发明克服了复杂地形、地物造成的冰雪区域误判的缺陷，对于复杂地形区域的冰雪覆盖信息提取仍保持较高的精度；(2)、本发明不需要DEM等辅助数据，即可实现对SAR图像中阴影、叠掩等不可靠区域进行剔除，降低了辅助数据的要求，使得适用范围更加广泛。(3)、本发明具在保持较高精度的条件下，具有大面积、实时监测能力及低成本的特点；附图说明图1是本发明基于InSAR技术的SAR图像冰雪覆盖信息提取方法流程图；图2是含冰雪信息SAR图像的后向散射系数强度图pwr图3是基线估计所得多幅单视复数SAR图像之间基线信息；图4是相干系数图；图5是部分冰雪覆盖信息提取结果图；图6是与SAR图像同时期对应的光学图像冰雪覆盖信息提取图。具体实施方式下面结合附图对本发明的具体实施方式进行描述，以便本领域的技术人员更好地理解本发明。需要特别提醒注意的是，在以下的描述中，当已知功能和设计的详细描述也许会淡化本发明的主要内容时，这些描述在这里将被忽略。实施例为了方便描述，先对具体实施方式中出现的相关专业术语进行说明：SAR(SyntheticApertureRadar)：合成孔径雷达；INSAR(InterferometricSyntheticApertureRadar)：干涉合成孔径雷达；图1是本发明基于InSAR技术的SAR图像冰雪覆盖信息提取方法流程图。在本实施例中，如图1所示，本发明一种基于InSAR技术的SAR图像冰雪覆盖信息提取方法，包括以下步骤：S1、获取待处理原始SAR图像在本实施例中，某一监测区域范围为：经度102.3368°E-102.3886°E，纬度27.7325°N-27.6964°N。获取星载Terra-SAR，X波段，HH极化，距离向分辨率为0.6m，方位向分辨率为1m的高分辨率单视复数SAR图像，其中含监测区域含冰雪覆盖信息的单视复数SAR图像Psnow一幅，包含监测区域但不含冰雪覆盖信息的单视复数SAR图像三幅，即Pk，k＝1,2,3。S2、图像预处理对单视复数SAR图像Psnow进行多视处理和辐射定标，得到后向散射系数强度图pwr，如图2所示；利用ENVI软件，以单视复数SAR图像Psnow为主图像，对多幅单视复数SAR图像Pk进行滤波、配准和基线估计，去除图像斑点噪声，同时获得多幅单视复数SAR图像Pk之间基线信息，基线信息又包括时间基线与空间基线，具体的基线信息如图3所示，图中包含任意两幅单视复数SAR图像之间的时间基线和空间基线信息。S3、干涉组的选取根据步骤S2获取的基线信息，从多幅单视复数SAR图像Pk中，选取与单视复数SAR图像Psnow之间时间基线与空间基线最短的一幅单视复数SAR图像，再与单视复数SAR图像Psnow共同作为一个干涉组Z1；在本实施例中，得到的干涉组Z1中的空间基线长度为198.079m，时间基线长度为11天；根据步骤S2获取的基线信息，从多幅单视复数SAR图像Pk中分别选取时间基线与Z1相同，空间基线相对较短的两幅单视复数SAR图像作为一个干涉组Z2；在本实施例中，得到的干涉组Z2中的空间基线长度为166.861m，时间基线为11天。S4、生成相干系数图相干系数是干涉测量的重要参数之一，主要受到干涉组中两幅图像之间时间间隔、空间基线等因素影响，而时间间隔的影响主要是由于下垫面散射特征的变化导致的相干性差异，其范围在0-1之间，0代表不相干，1代表完全相干；读取干涉组Z1中两幅单视复数SAR图像中每个像元点存储的包含地物幅度和相位信息的复数数据S(m，n)，(m，n)为像元点坐标；在本实施例中，两幅单视复数SAR图像中第m行，第n列像元点包含的复数数据S1(m，n)，S2(m，n)可分别表示：S1(m，n)＝S1r(m，n)+jS1i(m，n)S2(m，n)＝S2r(m，n)+jS2i(m，n)其中S1r(m，n)和S2r(m，n)分别代表复数数据的实部，S1i(m，n)和S2i(m，n)分别代表复数数据的虚部；将两幅单视复数SAR图像分割成30×30的小窗口，再计算两幅单视复数SAR图像对应像元点的相干系数ρ(m,n)：其中，S1(m,n)表示第一幅单视复数SAR图像像元点存储的复数数据，S2(m,n)表示第二幅单视复数SAR图像像元点存储的复数数据，S1*(m,n)和S2*(m,n)分别表示S1(m,n)，S2(m,n)的共轭，＜·＞表示期望值，且表示图像30×30窗口的期望值；再根据两幅单视复数SAR图像对应像元点的相干系数ρ(m,n)，生成相干系数图CC1，如图4(a)所示；同理，按照步骤S4所述方法，利用干涉组Z2生成相干系数图CC2，如图4(b)所示；S5、生成冰雪覆盖信息图像设定相干系数图CC1中的阈值为M1＝2.5；相干系数图CC1与相干系数图CC2之间的相干系数变化设定阈值为M2＝1.8；设置后向散射系数强度图pwr的阈值区间为[-20,-13]；相干系数图CC1中的阈值M1的设置：由于积雪的影响，对于干涉组Z1中含有积雪像元的相干系数会急剧下降并呈现出低相干的特点。因此通过阈值M1将图像中地物分为两大类：将满足CC1(m,n)＜M1的区域划分为第一类，包含积雪和一些低相干非雪区域；对于不满足此条件的则被第二类，第二类中完全为非雪区域。在本实例中，相干系数图CC1的阈值为M1＝2.5；相干系数图CC1与相干系数图CC2之间的相干系数变化设定阈值M2的设置：由于一些复杂地物及地形导致的低相干区域(例如：湖泊、阴影、植被等)会对积雪覆盖信息提取带来一定干扰，但是经研究发现这些区域会长期处于低相干，当有积雪出现时，这些低相干区域的相干系数仍然会降低，因此通过对于阈值M2的设定，将阴影区域及一些不含积雪的低相干区域进行剔除；本实例中，相干系数图CC1与相干系数图CC2之间的相干系数变化设定阈值为M2＝1.8；后向散射系数强度图pwr的阈值区间为的设置：通过利用积雪与非积雪区域的极化特征及散射机制的不同，利用后向散射系数，进一步对非积雪区域剔除；本实例中，后向散射系数强度图pwr的阈值区间为[-20,-13]；根据设定的阈值对冰雪区域进行判断，若像元(m,n)同时满足CC1(m,n)＜2.5，CC2(m,n)-CC1(m,n)＞1.8,-20＜pwr(m,n)＜-13，则将该像元(m,n)判定为冰雪，并对该像元赋值1；若不能同时满足上述三个条件，则将该像元(m,n)判定为非冰雪，并对该像元赋值0，最终得到二值化冰雪覆盖信息图像，在本实施例中，如图5所示，部分冰雪覆盖信息提取结果图。在本实施例中，由于图像较大，截取部分二值化冰雪覆盖信息图像，利用与含冰雪覆盖信息SAR图像同时期的16×16米分辨率GF-1光学图像对提取结果进行验证，其与SAR图像同时期对应的光学图像冰雪覆盖信息提取结果如图6所示。由于分辨率不同，利用混合像元法，使得高分辨率SAR图像中每个16×27窗口中的每个像元与代表相同空间位置的光学图像中的一个像元进行一一对比，从而对提取结果验证其正确性，最终验证得到冰雪提取精度为82.44％。尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。