一種基于雙極化sar圖像的冰雪面積提取方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及積雪面積監測技術領域，具體為一種基于雙極化SAR圖像的冰雪面積提取方法。
【背景技術】
[0002]冰雪圈的存在影響著地球上的水資源、交通運輸、農業生產、社會經濟等人類活動的各個方面，對氣象的檢測和預估也起到了重要的作用。雪蓋面積是冰雪圈信息的一個關鍵量值，它直接反應了水資源循環和氣候變化。對于人類而言，雪既可以被認為是資源，同時也可以被作為威脅。一方面，豐富的降雪為水利發電和水資源補給提供了可靠的保障，同時一定程度的降雪對緩解旱情和促進農作物的生長也起到了積極的作用。另一方面，由于氣溫升高導致的雪融化易產生突發性洪水和雪崩等自然災害。全球變暖導致的冰川融化是當今世界重點關注的議題，海平面的上升對沿海國家和小島國家有著極大的威脅，伴隨著雪山融化，部分江河流域和地勢海拔低地區的洪災風險增大，農作物生長也會受到影響。另夕卜，近幾年在世界各地爆發的極端寒流天氣，如2008年伊始我國南方的特大雪災、2012年冬季歐洲70余年來的最強寒流、2014年初美國的強暴風雪天氣等等，都給人類的生命財產造成了巨大的損失。因此，積雪覆蓋面積制圖在全球氣候變化和水資源管理的研究，以及雪災范圍和程度快速準確評估的方面，起到了非常重要的作用。
[0003]早期的積雪檢測主要依賴于地面氣象臺站采集信息，然而這種觀測方法受地理位置的限制，對偏遠地區和高海拔的冰川雪山無法進行全面的監測。遙感技術是監測積雪面積的有效手段，具有大面積、實時性等優勢。光學遙感技術發展比較早，具有高分辨率、多譜段、周期性等優勢，針對各國發射的光學遙感衛星，國內外已經有不少學者提出了基于光學遙感的積雪制圖方法。但因積雪地區常常伴隨著惡劣的氣候，有大量云層覆蓋，光學遙感成像不免要受到云雨天氣的影響。被動微波遙感技術也應用于雪蓋信息研究，可用于積雪分布和雪水當量的檢測，但因分辨率較低，無法提供精確的測量結果。
[0004]合成孔徑雷達(Synthetic Aperture Radar，SAR)屬于主動式微波遙感，通過發射微波脈沖信號，傳輸至地表并被經過散射體反射后，接收回波信號。合成孔徑雷達具有全天時、全天候、可變分辨率的優勢，由于微波具有穿透云雨的特性，因此SAR成像能夠不受積雪地區云層、霧霾等影響。與光學衛星受太陽光的限制不同的是，SAR可以在各個時間段成像，還可以通過調節分辨率進行不同尺度范圍的測量。
[0005]但由于冰雪的時空變化較快，如何充分利用單時相SAR數據提取冰雪信息，增強冰雪信息提取的時效性是現有技術需要解決的難題。
【發明內容】
[0006]針對上述問題本發明的目的在于提供一種基于雙極化SAR圖像的冰雪面積提取方法，以增強SAR圖像的冰雪面積信息提取的時效性，技術方案如下:
[0007]—種基于雙極化SAR圖像的冰雪面積提取方法，包括以下步驟:
[0008]I)在同一檢測區獲取原始雙極化SAR圖像，即原始HH極化圖像和原始HV極化圖像；
[0009]2)獲取原始HH極化圖像或原始HV極化圖像的DEM高程數據圖像；
[0010]3)對原始雙極化SAR圖像進行預處理得到基準SAR圖像，即基準HH極化圖像和基準HV極化圖像；
[0011]4)分別計算出基準HH極化圖像和基準HV極化圖像中所有像元點的后向散射系數；
[0012]5)根據各像元點的后向散射系數對基準HH極化圖像進行二值化處理，得到圖像A;
[0013]6)將基準HH極化圖像和基準HV極化圖像對應像元點的后向散射系數相除得到比值圖像，對比值圖像進行二值化處理得到圖像B;
[0014]7)對圖像A和圖像B進行邏輯與運算，從而得到濕雪信息圖像；
[0015]8)結合所述DEM高程數據圖像的信息從濕雪信息圖像中提取出包含有濕雪像元點和干雪像元點的冰雪信息圖像；
[0016]9)根據冰雪信息圖像統計出濕雪像元點和干雪像元點的總個數K，根據每個像元點覆蓋的面積m，計算出所有冰雪像元點的總面積，8卩S=m X K。
[0017]進一步的，所述對原始雙極化SAR圖像進行預處理具體方法為:對原始雙極化SAR圖像依次進行輻射定標和地理編碼。
[00? 8]更進一步的，所述像元點的后向散射系數Mo的計算方法為:Mo = 1logo，單位為db ；其中σ為基準SAR圖像中各個象元點的值。
[0019]更進一步的，得到所述圖像A的方法具體為:設置后向散射系數閾值Μ，將基準HH極化圖像中所有像元點的后向散射系數與閾值M比較，將大于等于M的像元點標記為I，將小于M的像元點標記為O，從而得到圖像A;
[0020]得到所述圖像B的方法具體為:設置比值閾值N，將基準HH極化圖像和基準HV極化圖像對應像元點的后向散射系數的比值與閾值N比較，將比值圖像中大于等于閾值N的像元點標記為I，小于閾值N的像元點標記為0，從而得到圖像B;
[0021]所述濕雪信息圖像中標記為I為濕雪像元點。
[0022]更進一步的，所述后向散射系數閾值M的取值為-17;所述比值閾值N的取值為0.2。
[0023]更進一步的，所述提取冰雪信息圖像的方法為:
[0024]將濕雪信息圖像中nXn的像元點作為一個像元窗口，計算每個像元窗口的濕雪像元點個數k，進而計算得到每個像元窗口的濕雪像元比例:R = k/ (η X η);
[0025]根據所述DEM高程數據圖像攜帶的每個像元點的海拔信息計算出每個像元窗口中像元點的平均海拔H ；
[0026]設置濕雪像元比例閾值Ro和海拔閾值Ho，找出濕雪信息圖像中H > Ho且R > Ro的像元窗口，將該像元窗口中的所有像元點標記為2，作為干雪像元點，其余像元窗口保持不變，從而得到冰雪信息圖像。
[0027]更進一步的，所述濕雪像元比例閾值Ro取值為10%，所述海拔閾值Ho取值為3900米。
[0028]本發明的有益效果是:本發明通過單時相的SAR圖像的幅度特征和極化特征實現了濕雪面積的提取，在此基礎上加入DEM海拔信息實現了干雪面積的提取，有效的增強了冰雪面積提取的準確性和時效性。
【附圖說明】
[0029]圖1為基于雙極化SAR圖像的冰雪面積提取方法的步驟框圖。
[0030]圖2-1為待檢測區域的原始HH極化圖像。
[0031]圖2-2為待檢測區域的原始HV極化圖像。
[0032]圖2-3為待檢測區域的DEM高程數據圖像。
[0033]圖3為對原始HH極化圖像進行輻射定標和地理編碼后的基準HH極化圖像。
[0034]圖4為對基準HH極化圖像進行二值化處理的方法示例圖。
[0035]圖5為對比值圖像進行二值化處理的方法示例圖。
[0036]圖6獲取濕雪信息圖像的方法示例圖。
[0037]圖7待檢測區域的濕雪信息圖像。
[0038]圖8待檢測區域的冰雪信息圖像。
[0039]圖9待檢測區域的冰雪覆蓋面積圖像。
【具體實施方式】
[0040]下面結合附圖和具體實施例對本發明做進一步說明:如圖1所示，本發明一種基于雙極化SAR圖像的冰雪面積提取方法，包括以下步驟:
[0041 ] I)獲取原始雙極化SAR圖像:
[0042]在本實施例中，可以通過ASAR(advanced synthetic aperture radar高級合成孔徑雷達)衛星獲取C波段在同一檢測區獲取原始雙極化SAR圖像，在此原始雙極化SAR圖像中，包括HH、HV兩個極化圖像，即同極化圖像和交叉極化圖像，如圖2-1和圖2-2所示，此為黑河上游祁連山冰溝流域的兩個極化圖像，圖2-1為原始HH極化圖像，圖2-2為原始HV極化圖像。
[0043]2)獲取DEM高程數據圖像:
[0044]利用NEST圖像處理軟件打開原始HH極化圖像或原始HV極化圖像，利用NEST圖像處理軟件的圖像下載功能獲取到原始H H極化圖像或原始H V極化圖像的D E M (D i g i t a IElevat1n Model數字高程模型)高程數據圖像，圖2_3為本地區DEM高程數據圖像。DEM高程數據圖像中攜帶有每個像元點的海拔信息。
[0045]3)獲取基準雙極化SAR圖像:
[0046]對原始雙極化SAR圖像進行預處