基于多時相全極化sar的建筑物倒損率估計(jì)方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001 ] 本發(fā)明屬于全極化SAR(Synthetic Aperture Radar，合成孔徑雷達(dá))成像遙感技 術(shù)領(lǐng)域，涉及一種基于全極化SAR散射機(jī)理分析的建筑物倒損率估計(jì)方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 近年來，具有較大破壞力的地震等自然災(zāi)害頻發(fā)，嚴(yán)重威脅著人民的生命和財(cái)產(chǎn) 安全。據(jù)統(tǒng)計(jì)（Debarati Guha-Sapir,Philippe Hoyois,Regina Below, "Annual disaster statistical review 2013 : The numbers and trends CRED , Brussels ,Belgium, Technical Report,2014)，2000年以來，每年世界范圍內(nèi)7級以上地震超過240次。其中， 2008年汶川地震造成約919億美元的損失，2011年東日本大地震大海嘯造成約2175億美元 的損失。房屋建筑物倒損直接關(guān)系人員傷亡和經(jīng)濟(jì)損失，對建筑物目標(biāo)倒損的定量評估能 夠?yàn)闉?zāi)后救援和重建提供關(guān)鍵信息支撐。作為微波成像遙感的極化SAR能夠全天候全天時 地對地觀測，不受地面狀況限制，具有快速、靈活、廣域等優(yōu)勢，是快速全面掌握災(zāi)區(qū)受災(zāi)情 況最為有效的技術(shù)途徑。
[0003] 世界各發(fā)達(dá)國家都在大力發(fā)展極化SAR對地觀測技術(shù)，涌現(xiàn)出大批代表微波成像 技術(shù)發(fā)展最前沿的應(yīng)用系統(tǒng)。星載方面有德國的TanDEM-X、加拿大的Radarsat-2、意大利的 COSMO-SkyMed和日本的AL0S-2等。機(jī)載方面有德國最新一代具備P、L、S、C、X等多波段同時 成像能力的F-SAR系統(tǒng)。對自然災(zāi)害進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測、變化檢測和損毀評估是上述極化SAR系 統(tǒng)的重要應(yīng)用領(lǐng)域，并在近年的地震海嘯等自然災(zāi)害中取得了實(shí)際應(yīng)用。
[0004] 目前，在微波成像遙感領(lǐng)域，建筑物倒損評估技術(shù)主要基于多時相的單極化SAR圖 像。通過分析建筑物倒損后和倒損前的單極化SAR圖像的后向散射系數(shù)幅度和相關(guān)系數(shù)等 特征量的變化，進(jìn)行建筑物倒損區(qū)域的檢測和提取。然而，建筑物的后向散射系數(shù)的變化和 多時相SAR圖像間的相關(guān)特性并不僅僅由建筑物損毀決定，還取決于時間/空間基線、入射 角等多種因素。因此，基于單極化SAR圖像后向散射系數(shù)幅度和相關(guān)系數(shù)等特征量的震災(zāi)評 估技術(shù)并不穩(wěn)健，面臨發(fā)展瓶頸。
[0005] 極化SAR通過收發(fā)極化狀態(tài)正交的電磁波能夠獲得目標(biāo)的全極化信息，對目標(biāo)的 幾何結(jié)構(gòu)和散射特性進(jìn)行完整刻畫。建筑物目標(biāo)在損毀前后對電磁波的響應(yīng)和極化調(diào)制機(jī) 理是明顯不同的。極化特征量能夠表征目標(biāo)固有的結(jié)構(gòu)屬性和散射特性，基本不受時間/空 間基線等參數(shù)影響，相比于傳統(tǒng)的單極化SAR圖像后向散射系數(shù)幅度和相關(guān)系數(shù)等特征量， 具有更穩(wěn)健的性能。目前，基于全極化SAR數(shù)據(jù)散射機(jī)理分析的建筑物損毀研究十分有限， 并基本處于定性研究和個案研究階段，缺乏普適性和適應(yīng)性。此外，當(dāng)前基于單極化SAR和 全極化SAR的建筑物倒損估計(jì)方法均僅能給出粗略的倒損程度劃分，如嚴(yán)重?fù)p毀、中度損 毀、輕度損毀和未損毀等有限等級，對建筑物倒損率的精細(xì)和定量估計(jì)方法未見報(bào)道。因 此，亟待發(fā)展具有高穩(wěn)定度和精確度的建筑物倒損率定量估計(jì)技術(shù)。利用建筑物倒損前(一 般指災(zāi)前)和倒損后(一般指災(zāi)后）的多時相全極化SAR數(shù)據(jù)，研究建筑物倒損率精確定量評 估方法，對全極化SAR圖像解譯、災(zāi)害救援、災(zāi)后重建和減災(zāi)防災(zāi)等領(lǐng)域都有顯著的應(yīng)用價(jià) 值。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是，提供一種基于多時相全極化SAR的建筑物倒損率估 計(jì)方法，本方法能夠準(zhǔn)確、快速地估計(jì)建筑物倒損率，并給出定量結(jié)果。
[0007] 本發(fā)明的基本思路是：對建筑物倒損前全極化SAR圖像而言，建筑物區(qū)域主要由 "墻體-地面"構(gòu)成的二面角結(jié)構(gòu)所形成的二次散射機(jī)理為主散射機(jī)理，即主二次散射機(jī)理 系數(shù)。對倒損后全極化SAR圖像，"墻體-地面"這種二面角結(jié)構(gòu)隨著建筑物倒損而相應(yīng)地減 少。與此同時，對應(yīng)的主二次散射機(jī)理系數(shù)也會同步減少。這樣，通過有效估計(jì)建筑物區(qū)域 災(zāi)后和災(zāi)前主二次散射機(jī)理系數(shù)的變化，就可以定量反演建筑物的倒損率。這就是本發(fā)明 的原理基礎(chǔ)。
[0008] 本發(fā)明的技術(shù)方案是:一種基于多時相全極化SAR的建筑物倒損率估計(jì)方法，利用 災(zāi)前和災(zāi)后建筑物區(qū)域的全極化SAR數(shù)據(jù)，通過極化散射機(jī)理建模和建筑物區(qū)域極化散射 機(jī)理的能量分解，提取建筑物區(qū)域的災(zāi)前主二次散射機(jī)理能量和災(zāi)后主二次散射機(jī)理能 量;利用災(zāi)前主二次散射機(jī)理能量和災(zāi)后主二次散射機(jī)理能量，構(gòu)建表征建筑物區(qū)域主二 次散射機(jī)理變化的極化特征量(稱為建筑物極化倒損因子），建立建筑物極化倒損因子與建 筑物倒損率的反演關(guān)系式，得到建筑物倒損率的定量和準(zhǔn)確估計(jì)。
[0009] 特別地，本發(fā)明的技術(shù)方案具體包括下述步驟：
[0010] 利用配準(zhǔn)的災(zāi)前和災(zāi)后包含建筑物區(qū)域的全極化SAR圖像，分別獲得建筑物區(qū)域 倒損前的極化散射矩陣，i = 1，2，…，W和建筑物區(qū)域倒損后的極化散射矩陣Sjw -t，i =丨，2，…，w，ff表示全極化SAR圖像的像素點(diǎn)數(shù)。令極化散射矩陣 s = SiP?ent或s = Sfshvw，即對上述每一個極化散射矩陣進(jìn)行下面第一步至第五步的處理：
[0011] 第一步，構(gòu)建極化散射矢量；
[0012] 設(shè)極化散射矩陣
，并且滿足互易性條件SHV = SVH，利用下式計(jì)算 Pauli極化散射矢量kP:
[0014] 其中，Shh為在水平極化Η發(fā)射和水平極化Η接收條件下獲取的復(fù)后向散射系數(shù);SVH 為在水平極化Η發(fā)射和垂直極化V接收條件下獲取的復(fù)后向散射系數(shù);SHV為在垂直極化V發(fā) 射和水平極化Η接收條件下獲取的復(fù)后向散射系數(shù);Η發(fā)射是指水平發(fā)射，V發(fā)射是指垂直發(fā) 射;Η接收是指水平接收，V接收是指垂直接收;Sw為在垂直極化V發(fā)射和垂直極化V接收條件 下獲取的復(fù)后向散射系數(shù)。上標(biāo)T為轉(zhuǎn)置處理。
[0015] 第二步，極化相干矩陣估計(jì)；
[0016] 利用Pauli極化散射矢量，選取具有散射相似性的樣本像素，并進(jìn)行集合平均處 理，得到極化相干矩陣T，即
[0018] 其中，〈·>為集合平均處理。上標(biāo)t為共輒轉(zhuǎn)置處理。
[0019] 第三步，對極化相干矩陣進(jìn)行旋轉(zhuǎn)處理；
[0020] 對極化相干矩陣T進(jìn)行旋轉(zhuǎn)處理，使交叉極化項(xiàng)T33最小時，得到旋轉(zhuǎn)后的極化相干 矩陣f為
[0022]其中，旋轉(zhuǎn)矩陣為
，旋轉(zhuǎn)角為
Re[T23]為取T23的實(shí)部。
[0023]第四步，極化散射機(jī)理的能量分解；
[0024]對每個經(jīng)過旋轉(zhuǎn)處理的極化相干矩陣f，進(jìn)行目標(biāo)極化散射機(jī)理的能量分解：
[0026] 其中，fv為體散射模型系數(shù)，fd為二次散射模型系數(shù)，匕為奇次散射模型系數(shù)。
為體散射模型，
為二次散射模型，
為奇次散射模型。a、b、c、d、e和f為體散射模型參數(shù);α二次散射模型參數(shù);β為奇次散射模型 參數(shù)。
[0027]
，l〇g為以10為底的常用對數(shù)運(yùn)算。本發(fā) 明用到的三種候選體散射模型及其選取原則分別為：當(dāng)-2dB<D<2dB時，體散射模型選取
，即a = 1、b = 1、c = 1、d = 0、e = 0和f = 0;當(dāng)D < -2dB時，體散射模型選取
，即&=15、匕=7、〇 = 8、(1 = 5、6 = 0和1^ = 0;當(dāng)1)2 2(113時，體散射模型選取
，艮Pa = 15、b = 7、c = 8、d = _5、e = 0和f = 0。
[0028] 當(dāng)確定體散射模型后，則可求取二次散射和奇次散射模型的模型參數(shù)α、β，和各散 射模型系數(shù)fv、fd和fs。這樣，就可得到各散射機(jī)理的能量分解結(jié)果。利用下式求解體散射機(jī) 理的散射能量Pv、二次散射機(jī)理的散射能量Pd和奇次散射機(jī)理的散射能量p s:
[0029] Pv=fv(a+b+c)
[0030] Pd = fd(l+|a|2)
[0031] Ps = fs(l+|P|2)
[0032] 第五步，計(jì)算主二次散射機(jī)理系數(shù)；
[0033] 利用全極化SAR圖像，提取建筑物區(qū)域。如果極化散射矩陣S對應(yīng)的像素點(diǎn)位于對 位于建筑物區(qū)域內(nèi)，則計(jì)算其N X N鄰域內(nèi)同時滿足Pd>Pv和Pd>Ps的建筑物區(qū)域像素點(diǎn)數(shù) 目，記為M，則該像素點(diǎn)的主二次散射機(jī)理系數(shù)D_Pd為：
[0035] 其中，鄰域窗NXN與全極化SAR數(shù)據(jù)的分辨率有關(guān)，根據(jù)實(shí)際情況確定，通常可取N =15〇
[0036] 利用上述第一步至第五步，分別求得建筑物倒損前和倒損后全極化SAR圖像中建 筑物區(qū)域的主二次散射機(jī)理系數(shù)，分別記為
>1/=1，2，一〇，其 中Q為提取得到的建筑物區(qū)域的像素點(diǎn)數(shù)目。
[0037] 第六步，建筑物極化倒損因子估計(jì)；
[0038] 以建筑物倒損后和倒損前建筑物區(qū)域的主二次散射機(jī)理系數(shù)的比值作為建筑物 極化倒損因子心//?_"_，即
[0040] 第七步，建筑物倒損率估計(jì)。
[0041] 建筑物極化倒損因子與建筑物倒損率DU成反線性關(guān)系，即：取值越 小，建筑物倒損率DW越大。另外，當(dāng)建筑物極化倒損因子取值較大(如0.S)時，建 筑物區(qū)域主二次散射機(jī)理系數(shù)的這種輕微減少，難以判定是由建筑物倒損引起，還是由災(zāi) 前災(zāi)后多時相數(shù)據(jù)的時間基線等因素所引起。因此，為確保估計(jì)精度，當(dāng)吣>〇.8時，不 進(jìn)行建筑物倒損率反演估計(jì)。這樣，建立的建筑物倒損率DU'的反演表達(dá)式為：
[0043] 其中，k和1為反演參數(shù)。通?？扇 = _l，l = l。
[0044] 用本發(fā)明可取得以下技術(shù)效果：
[0045] 本發(fā)明所述的多時相全極化SAR建筑物倒損率估計(jì)方法，即利用了建筑物目標(biāo)在 倒損前和倒損后的極化特征差異，通過極化散射機(jī)理的能量分解，構(gòu)建和估計(jì)敏感于建筑 物倒損率的極化倒損因子，實(shí)現(xiàn)對建筑物倒損率的反演。本發(fā)明實(shí)現(xiàn)簡單，對不同建筑物目 標(biāo)具有很好的魯棒性，并且實(shí)施起來也非常方便，可直接用于對各種全極化SAR系統(tǒng)獲得的 多時相全極化SAR圖像進(jìn)行處理。本發(fā)明對于全極化SAR建筑物倒損評估、減災(zāi)防災(zāi)等應(yīng)用 領(lǐng)域有著重要的參考價(jià)值。
【附圖說明】
[0046] 圖1本發(fā)明的實(shí)施流程圖；
[0047] 圖2建筑物震災(zāi)倒損前后的光學(xué)圖；
[0048]圖3建筑物震災(zāi)倒損情況真值圖；
[0049]