基于二阶统计量扰动分析的sar图像变化检测方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于雷达技术领域，涉及SAR图像检测方法，可用于对不同时段同一场景 的变化区域的检测。
【背景技术】
[0002] 雷达成像技术是20世纪50年代发展起来的，在此后的60年里得到了突飞猛进的 发展，目前，已经在军事、农林、地质、海洋、灾害、测绘等诸多方面得到广泛的应用。
[0003] SAR作为一种主动微波传感器，具有全天候、全天时、分辨率高以及穿透能力强等 特点，在突发事件、自然灾害的检测和评估等方面具有独特优势，利用SAR图像进行变化检 测具有重要意义。目前，SAR图像变化检测已经在多个方面取得广泛的应用，如土地分析、 森林采伐监测、灾情估计、军事侦察、打击效果评估等。
[0004] SAR图像变化检测分为监督和非监督两大类。其中，非监督变化检测不需要先验变 化信息的支持，可直接从配准好的前后两个时刻SAR图像获取变化信息，这种检测方法不 仅降低人为误差的影响，同时也符合实际中先验变化信息获取困难的现实情况，因此非监 督变化检测成为国内外研宄的重点。SAR图像非监督变化检测的流程可概括为三个步骤，首 先对待检测的两幅图像进行图像配准、斑噪滤波、辐射校正、几何校正等预处理，然后比较 两幅图像获得差异图，最后对差异图进行分割得到最终的检测结果。
[0005] 现有文献提出很多差异图的的获取方法。例如将两幅图像分别按像素取对数，然 后将取对数后的结果做差后取模值的结果作为差异图；或将两幅图像按像素互相做商，取 商较小的值，与一相减并取模值作为差异图中的该像素的值。对图像取对数的目的是将SAR 图像的相干斑噪声由乘性噪声转化为加性噪声，并通过对两幅取对数之后的SAR图像做差 来消除相干斑噪声。但实际上，由于相干斑噪声有时变性，SAR图像的相干斑噪声由乘性转 化为加性之后直接相减并不能地抑制时变的相干斑噪声。将两幅图像按像素做商的目的也 是为了消除乘性的相干斑噪声，同样由于相干斑噪声具有时变特性，按像素做商也不能完 全抑制相干斑噪声。由于差异图中相干斑噪声的存在会影响后续的差异图分割的性能，造 成变化检测的结果中存在大量虚警。
[0006] 由于两次成像时飞机飞行的方向存在微小差异，不变区域中同一位置的雷达回波 的强度会存在轻微的扰动，这种扰动会导致该不变区域在差异图中呈现较大的幅值，影响 差异图分割的性能，导致变化检测的结果中存在虚警。
【发明内容】
[0007] 本发明针对上述已有技术的不足，提出一种基于二阶统计量扰动分析的SAR图像 变化检测方法，以减小相干斑噪声和不变区域的扰动对差异图分割的影响，提高变化检测 的性能。
[0008] 本发明是这样实现的：
[0009] 一、技术思路
[0010] 变化检测的关键在于找到一个特征域，在这个特征域中，变化区域与非变化区域 有良好的可分性。本发明结合扰动分析，以SAR图像二阶统计量的相关系数域作为特征域 得到差异图。由于SAR图像的相干斑噪声有时变性，相干斑噪声对每个像素的幅值造成的 变化差异很大，但是相干斑噪声对每个像素造成的功率差异是一定的，本发明结合SAR图 像中像素的邻域信息来计算SAR图像的二阶统计量，来描述变化区域与非变化区域的功率 信息，以有效地抑制SAR图像的相干斑噪声。在两幅SAR图像中，未变化区域本身可能存在 扰动，导致在特征域中这些有扰动的区域比较接近变化区域，本发明通过引入扰动分析来 降低未变化区域中扰动的影响，并利用SAR图像二阶的统计量来抑制SAR图像的相干斑噪 声，结合扰动分析，获取到有更准确的变化区域以及良好的可分性的差异图。用该差异图进 行变化检测以有效减少非变化区域的虚警，提高检测率。
[0011] 二.技术方案
[0012] 本发明基于二阶统计量扰动分析的SAR图像变化检测方法，包括如下步骤：
[0013] (1)对采集场景初次的SAR图像X和该场景出现变化后的SAR图像Y依次进行配 准、几何校正、辐射校正的预处理，并对这两幅图像做差取模值，得到差图像Z= |X-Y|;
[0014] (2)用上述三个图像X、Y、Z中相同坐标的元素构造一组输入向量k= K(x,y)>Y(x；y),Z(xy) ]1，并将1^的形式简化为1^=&1沙2沙3] 1，其中父(")是图像父在〇^，5〇坐 标处的像素值，￥0")，2 0")分别对应图像￥，2在（1，7)坐标处的像素值，1^1，1^匕分别与 X(x,y)，Y(x；y),Z(x；y)对应；
[0015] (3)根据向量k定义二阶统计量向量t:
[0016]t= [<^2>, <k22>, <k32>, <^^>, <k1k3>, <k2k3>]T/|I[<^2>, <k22>, <k32>, <^^>, <k!k3 >,<k2k3>]||2
[0017] 其中〈?>代表求集合平均，选择像素点周围3X3邻域的元素作为一个集合， II?I|2代表求向量的二范数；
[0018] (4)计算二阶统计量向量标准形式tm到不变区域二阶标准向量tu的投影矩阵P:
[0019] (4a)在不考虑相干斑噪声的前提下，设不变区域的输入向量k=a[l, 1，0]，a是 一个与雷达回波强度有关的标量；
[0020] (4b)根据二阶统计量向量t的构造方式，计算出理想情况下不变区域二阶统计量 向量t的形式为力/3fl,l,0,l,0,〇f，去掉系数力/3，记作二阶统计量向量t的标准形式tm =[1, 1,0, 1,0,0]T〇
[0021] (4c)将标准形式乜投影到[1，0, 0, 0, 0, 0]T方向，记作不变区域二阶标准向量tu =[1，0, 0,0,0, 0]T;
[0022] (4d)计算出从tm到tu的投影矩阵P:
[0023] P =E-2(w?wT)
[0024] 其中，E是一个6阶单位矩阵，w是一个中间变量，T为转置操作符，
[0025]
【主权项】
1. 一种基于二阶统计量扰动分析的SAR图像变化检测方法，包括如下步骤： (1) 对采集场景初次的SAR图像X和该场景出现变化后的SAR图像Y依次进行配准、几 何校正、辐射校正的预处理，并对这两幅图像做差取模值，得到差图像Z= |X-Y|; (2) 用上述三个图像X、Y、Z中相同坐标的元素构造一组输入向量k= [X〇￡，y)，Yfcy)，Z(x，y)]T，并将k的形式间化为k= [k^，k2,k3]T， 其中Xfcy)是图像X在（x，y)坐标处的像素值，Y 分别对应图像Y，Z在（x，y) 坐标处的像素值，h，k2,匕分别与X(x，y),Y(x，y),Z(x，y) 对应，T为转置操作符； (3) 根据向量k定义二阶统计量向量t: t= [<^2>, <k22>, <k32>, <^^>, <k1k3>, <k2k3>]T/|I[<^2>, <k22>, <k32>, <^^>, <k1k3>,<k2k3>]||2 其中〈?>代表求集合平均，II?I|2代表求向量的二范数； (4) 计算二阶统计量向量标准形式tm到不变区域二阶标准向量tu的投影矩阵P: (4a)在不考虑相干斑噪声的前提下，设不变区域的输入向量k=a[l, 1，0]T，a是一个 与雷达回波强度有关的标量； (4b)根据二阶统计量向量t的构造方式，计算出理想情况下不变区域二阶统计量向 量t的形式为
，记作二阶统计量向量t的标准形式tm = [1，1，0, 1，0,0]T。 (4c)将标准形式tm投影到[1，0, 0, 0, 0, 0]T方向，将[1，0, 0, 0, 0, 0] 作不变区域二 阶标准向量tu; (4d)计算出从tm到tu的投影矩阵P: P=E-2(w?wT) 其中，E是一个6阶单位矩阵，w是一个中间变量，T为转置操作符，
，W = (tm-1 tj ? [1，0, 0, 0, 0, 0]) / I I tm-1 tj ? [1，0, 0, 0, 0, 0] |2， ?I代表取模操作，11 ?I|2代表求向量的二范数； (5) 通过投影矩阵P对全部二阶统计量向量t进行线性投影，得到一组二阶向量、= P?t，结合扰动分析，依次计算对每个坐标下的与不变区域二阶标准向量tu的相关系数 r：
其中，R是根据实际数据设置的扰动分析参数，取值为R= 〇. 5,为共轭操作符， (6) 每个坐标下的tj"都能计算出一个y，将这些y按tj"对应的坐标排列，构成差异 图D; (7) 对上述差异图D做均值滤波，并对做均值滤波之后的差异图依次进行幂次变换和 模糊C均值聚类，得到二值图像I，完成变化检测。
2. 根据权利要求1所述的方法，其中（4b)所述的根据二阶统计量向量t的构造方 式，计算出理想情况下不变区域二阶统计量向量t的形式为^
是将步骤 (4a)中所述的不变区域的输入向量k=a[l，1，0]代入到步骤（3)中的二阶统计量向量公 ^：t= [<k:2>, <k22>, <k32>, <^^>, <k1k3>, <k2k3>]T/|I[<^2>, <k22>, <k32>, <^^>, <k1k3>,<k 2k3>] | |2中，计算出二阶统计量向量
3. 根据权利要求1所述的方法，其中所述（7)对均值滤波之后的差异图依次进行幂次 变换和模糊C均值聚类，得到二值图像I，按如下步骤进行： (7a)对差异图D进行幂次变换，得到变换后的差异图％，其中幂次变换之后的差异图％ 在坐标（x，y)处的像素值为
代表差异图D在坐标（x，y)处的像素值， n是幂次数，取值为n= 6 ; (7b)使用Matlab软件中的fcm函数对上述幂次变换之后的差异图％进行聚类操作， 得到每个像素点对变化区域和不变区域两类区域的隶属度数值； (7c)令每个像素点属于隶属度数值较大的那一类区域，给定不变区域的标号为0和变 化区域的标号为1，使用每个像素点的标号组成二值图像I。
【专利摘要】本发明公开了一种基于时变SAR图像二阶统计量扰动分析的变化检测方法，主要解决时变相干斑噪声影响SAR图像变化检测结果的问题。其实现过程是：(1)将已配准且进行辐射校正和几何校正的两幅待检测SAR图像做差，并取模产生差图像；(2)用两幅待检测图像和差图像构造二阶统计量向量；(3)结合扰动分析计算二阶统计量向量与不变区域二阶统计量的标准形式的相关系数，用相关系数构造差异图；(4)用模糊C均值聚类方法对差异图聚类，实现变化检测。本发明有效地减少了由于时变相干斑噪声造成的虚警，可用于对不同时段同一场景变化区域的检测。
【IPC分类】G06T7-00
【公开号】CN104778719
【申请号】CN201510230170
【发明人】杜兰, 谷明非, 王燕, 刘宏伟
【申请人】西安电子科技大学
【公开日】2015年7月15日
【申请日】2015年5月7日