专利名称：基于共极化特征功率图的海面溢油检测方法
技术领域：
本发明涉及极化合成孔径雷达海洋遥感应用技术领域，特别涉及一种基于共极化特征功率图的海面溢油检测方法。
背景技术：
石油泄漏造成的污染是目前严重的海洋污染现象之一，对生态环境以及人们的生活都造成了很大的影响。海面上的石油污染一般由两种原因造成，一种是由漏油事故引起，而另一种则由海运过程中的燃油非法排放引起。漏油事故引起的污染包括石油平台的原油泄漏、沉船造成的燃油泄漏等，这类事故造成的漏油通常会由媒体报道出来，油污面积大，漏油大致地点明确，例如，2 OIO年墨西哥湾B P公司石油平台的漏油、2 011年蓬莱19 - 3 油气田平台的漏油以及2011年新西兰“雷纳”号货轮的漏油等。运输船只在海运过程中的非法排放造成油污污染，这类现象事先不可预知，并且由此产生的海面油膜的形状通常是窄而长的条带型。由于海面石油污染对人类生产、生活的影响巨大，因此对海面油膜现象进行实时监测并及时清理是非常必要的。目前，对海面溢油污染的监测手段主要是利用 SAR(Synthetic Aperture Radar,合成孔径雷达)进行监测,SAR由于具有全天时、全天候、 可穿透、可以进行大范围观测等特点，已经成为海洋遥感应用中的主要技术手段。然而，传统的单极化SAR系统对目标进行观测时，仅能得到目标的一个后向散射强度信息，信息量少而对目标进行判别的能力有限，而全极化SAR系统可以获得目标完整的后向散射信息， 因此受到了人们的广泛重视。海面油膜是一种有机物膜表面活性物质，具有粘稠性，与海水表面的粘弹性区别很大,其对海面最大的影响是可以衰减海洋表面的重力毛细波从而减少反射率,进而在SAR 图像上表现为暗区域，因此利用SAR对海洋表面溢油现象进行监测是实际可行的。其物理解释为在雷达波的照射下，海洋表面的重力毛细波与雷达波在一定的条件下会产生共振， 这种共振现象被称为Bragg散射现象。油膜由于衰减了此Bragg共振，所以其后向散射系数相比于周围环境要低，这就是SAR对海面溢油进行检测的机理。然而，由于海洋环境比较复杂，其他海洋现象在SAR图像上也会产生类似的暗区域，例如低风速区域、海洋内波、单分子表层生物膜、油脂冰川、降雨、洋流、以及上升流区域等，这些因素大大影响了 SAR对海面溢油的检测。对油膜的检测就是将海面油膜和油膜类似物区分开。经过人们大量的研究表明，在中低海况下(海面风速为2. 5m/s 12. 5m/s)，最适宜利用SAR系统对海面油膜进行检测，此时油膜与海面的对比度较大。利用SAR系统对海洋表面油膜进行检测的主要技术经历了从单极化到全极化的发展历程。在利用单极化(VV极化)数据对油膜进行检测时，主要依据的技术手段是后向散射系数的衰减比。根据单分子表面膜的Marangoni衰减模型，M. Gade在1998年利用SIR-C/ X-SAR数据研究了生物膜以及人工膜的后向衰减特性，指出了表面膜的衰减特性受到雷达视线、风向以及风速的影响。但是，不同表面膜物质的后向散射系数的衰减比略有差别却不明显。2010年，Kim利用TerraSAR-X数据研究了 VV极化方式下油膜在不同风速下的后向衰减比，同时检验结果也用了 ERS-2、ENVISAT, RADARSAT-1和AL0S-PALSAR的数据加以验证，结果表明TerraSAR-X数据可以有效地对油膜进行检验，但是基于衰减特性的检测有时候很难区分油膜和生物膜。随后发展了基于极化SAR的海面溢油检测方法，极化SAR数据可以加强对油膜的检测性能。应用到的技术手段有基于极化特征值分解的生物膜分类方法， 其中极化熵、极化角以及反熵可以用于区分不同的生物膜。还有基于Mueller矩阵滤波的油膜检测方法，并用了多视的SIR-C/X-SAR数据和AL0S-PALSAR数据加以验证。对海面油膜进行检测也还有基于Wishart分布的最大似然分类方法，但是此方法需要油膜的先验信息。现有方法对油膜进行检测时，有些方法仅应用了油膜的后向衰减特性，有些方法仅应用了油膜的极化特性。这样的检测方法对噪声限较低的SAR系统或者油膜较厚时是适用的，但当油膜厚度较小，周围舰船等金属目标的旁瓣效应过大时则不适用。油膜厚度较小，对后向散射系数的衰减不明显，此时的衰减特性受到斑点噪声的影响大；油膜周围金属目标的旁瓣效应过大，则会影响对油膜区域极化特性的分析。因此，上述方法在海面环境或海况复杂的情况下很难准确地对油膜进行检测和面积估计。
发明内容
本发明的目的旨在至少解决上述技术缺陷之一。为此，本发明提出了一种基于共极化特征功率图的海面溢油检测方法，该方法不需要额外的计算量，能够大大提高油膜的正确检测概率，并能保持对油膜区域分割的完整性。为达到上述目的，本发明实施例公开了一种基于共极化特征功率图的海面溢油检测方法，包括如下步骤根据极化合成孔径雷达目标的散射相干矩阵，计算每个像素点的极化特征功率图；根据所述极化合成孔径雷达数据的特征功率图，保留所述每个像素点的最大特征功率值，计算观测区域的极化基架高度；根据所述观测区域的最大特征功率图，计算在相同入射角下所述观测区域每个像素点的特征功率衰减比；利用窗函数分别估计所述极化基架高度的海杂波统计分布以及所述特征功率衰减比的海杂波统计分布；设置虚警率，根据所述虚警率、所述极化基架高度的海杂波统计分布以及所述特征功率衰减比的海杂波统计分布分别计算所述极化基架高度的检测门限和所述特征功率衰减比的检测门限，将所述极化基架高度和所述特征功率衰减比分别与对应的检测门限进行比较以得到溢油检测结果。根据本发明实施例的海面溢油检测方法，减少了计算量，提高了油膜和海面之间的对比度，因此能够大大提高油膜的正确检测概率，并能保持对油膜区域分割的完整性，可以及时有效地对海面溢油情况进行监测。在本发明的一个实施例中，所述极化合成孔径雷达数据的特征功率图可以在共极化天线收发方式和交叉极化天线收发方式任何一种方式下计算得到。
在本发明的一个实施例中，所述极化合成孔径雷达数据的特征功率图中表示的极化特征功率为
权利要求
1.一种基于共极化特征功率图的海面溢油检测方法，其特征在于，包括如下步骤根据极化合成孔径雷达数据目标的散射相干矩阵，计算每个像素点的极化特征功率图；根据所述极化合成孔径雷达数据的特征功率图，保留所述每个像素点的最大特征功率值，计算观测区域的极化基架高度；根据所述观测区域的最大特征功率图，计算在相同入射角下所述观测区域每个像素点的特征功率衰减比；利用窗函数分别估计所述极化基架高度的海杂波统计分布以及所述特征功率衰减比的海杂波统计分布；以及设置虚警率，根据所述虚警率、所述极化基架高度的海杂波统计分布以及所述特征功率衰减比的海杂波统计分布分别计算所述极化基架高度的检测门限和所述特征功率衰减比的检测门限，将所述极化基架高度和所述特征功率衰减比分别与对应的检测门限进行比较以得到溢油检测结果。
2.如权利要求I所述的海面溢油检测方法，其特征在于，所述极化合成孔径雷达数据的特征功率图在共极化天线收发方式和交叉极化天线收发方式之一获得。
3.如权利要求I所述的海面溢油检测方法，其特征在于，所述极化合成孔径雷达数据的特征功率图中表示的共极化特征功率为
4.如权利要求I所述的海面溢油检测方法，其特征在于，所述极化基架高度为
5.如权利要求I所述的海面溢油检测方法，其特征在于，所述海面回波的特征功率衰减比为
6.如权利要求I所述的海面溢油检测方法，其特征在于，利用parzen窗函数分别估计所述极化基架高度的海杂波统计分布以及所述特征功率衰减比的海杂波统计分布。
7.如权利要求6所述的海面溢油检测方法，其特征在于，所述parzen窗函数的核函数采用对数正态分布。
8.如权利要求I所述的海面溢油检测方法，其特征在于，根据所述虚警率，利用下述公式计算所述极化基架高度的检测门限，
9.如权利要求I所述的海面溢油检测方法，其特征在于，根据所述虚警率，利用下述公式计算所述特征功率衰减比的检测门限，
10.如权利要求1-9中任一项所述的海面溢油检测方法，其特征在于，所述将所述极化基架高度和所述特征功率衰减比分别与对应的检测门限进行比较以得到溢油检测结果，包括如下步骤根据所述虚警率和所述极化基架高度的海杂波统计分布，得到所述极化基架高度的检测结果；根据所述虚警率和所述特征功率衰减比的海杂波统计分布，得到所述特征功率衰减比的检测结果；以及将所述极化基架高度的检测结果和所述特征功率衰减比的检测结果进行融合以得到所述溢油检测结果。
11.如权利要求1-10中任一项所述的海面溢油检测方法，其特征在于，还包括如下步骤对所述溢油检测结果进行最大连通区域分析以得到海面溢油面积，其中，所述海面溢油面积为S = connected (res) X p a X p gr其中，Ρ#= Pr/sin( Θ i), QiS雷达波束的入射角，Pa为方位向像素单元的大小， P ^为距离向像素单元的大小，connected (res)表示对二值图像的所述溢油检测结果的最大连通域分析过程。
全文摘要
本发明提出一种基于共极化特征功率图的海面溢油检测方法，包括如下步骤根据散射相干矩阵获得极化合成孔径雷达(SAR)数据的共极化特征功率图；计算极化SAR观测区域中的每个像素点的极化基架高度和最大极化特征功率；计算不同入射角下海面回波数据的最大极化特征功率衰减比；利用parzen窗函数分别估计极化基架高度的海杂波统计分布以及特征功率衰减比的海杂波统计分布；给定检测虚警率，将极化基架高度和特征功率衰减比分别与计算得出的相对应的检测门限进行比较以得到溢油检测结果。该方法不需要额外的计算量，能够提高油膜的正确检测概率，及时有效地对海面溢油情况进行检测，并且通过最大连通域分析方法可以正确估计出油膜面积。
文档编号G01S13/90GK102608604SQ20121006762
公开日2012年7月25日 申请日期2012年3月14日 优先权日2012年3月14日
发明者张庆君, 李延, 杨健, 殷君君, 齐亚琳 申请人:北京空间飞行器总体设计部, 清华大学