基于微波穿透性能对双极化SAR数据识别浅覆盖层岩石的研究

叶 超，邢立新，崔建楠

(吉林大学地球探测科学与技术学院，吉林长春 130026)



基于微波穿透性能对双极化SAR数据识别浅覆盖层岩石的研究

叶 超，邢立新*，崔建楠

(吉林大学地球探测科学与技术学院，吉林长春 130026)

在对雷达波穿透性能影响因素研究的基础上，通过对阿巴嘎地区ALOS卫星地物后向散射强度数据进行分析，显示出在不同极化方式下ALOS数据具有的差异性。结合Landsat 7卫星获得的影像数据，对其差异性进行分析，表明HH极化方式能够识别山体边缘浅覆盖层下的岩石。研究结果表明，ALOS HH极化方式对浅覆盖层下岩石的识别更具优势。

双极化SAR；ALOS；穿透性能；后向散射

SAR是一种使用微波探测地表目标的主动式成像传感器，具有全天候、全天时成像能力[1]。极化SAR正是在SAR技术发展的大背景下发展起来的，是SAR的一个重要部分。极化SAR技术利用不同的式交替发射和接收雷达信号，从而使得雷达系统能够获得丰富的地物目标散射特性信息[2]。由于目标对于不同极化方式的电磁波具有不同的调制作用，因此极化雷达能够全面地获取目标在观测方向上的散射特性，相比于传统的固定极化方式的 SAR蕴含了更加丰富的信息量，这使得人们对于目标的物理特性如方向、形状、粗糙度、介电常数等有更为深入的分析[3]。此外，由于微波对地表有一定的穿透能力，因此不仅能够对地表目标进行观测，还可以对一定深度的地下目标进行探测。

ALOS卫星是日本2006年发射的对地观测卫星，装有3个传感器，其中一个为相控阵型L波段合成孔径雷达(PALSAR)，用于全天时全天候陆地观测。PALSAR是一种主动式微波传感器，它不受云层、天气和昼夜影响，可全天候对地观测，比传统卫星所携带的SAR传感器性能更优越。该传感器具有高分辨率、扫描式合成孔径雷达、极化3种观测模式，使之能获取比普通SAR更宽的地面幅宽。目前国内主要将数据应用于植被分类的研究；对裸土信息提取及土壤含水量的反演；对特定地物的分类识别等。

笔者在研究雷达穿透能力基础上，通过对地物后向散射系数的分析，对比不同时相和极化方式的ALOS数据，取山体边缘区域与Landsat 7卫星获得的影像数据作对比，证实了ALOS双极化在地表浅覆盖层的条件下对地探测的优势。

1 微波穿透性能

1.1 波长电磁波在介质中传播总会发生衰减，引起衰减的原因主要是介质的吸收和传播过程中的散射，但对一些低损耗介质，波长较长的电磁波具有一定的穿透能力[4]。

对于土壤层，可以将其视为均匀介质层。其复介电常数分为实部和虚部，虚部表示介质将电磁波能量吸收并转化的能力[5]。穿透深度δp定义为电场强度在有损介质中衰减到1/e时介质中的深度δp：

(1)

式中，a为电场衰减系数，计算公式为：

(2)

所以δp也可以表示为：

(3)

式中，λ为波长；μ为磁导率；εr为复介电常数实部；εi为复介电常数虚部。由于在微波波段，非铁磁质的相对导磁率十分接近于1，即μ≌1，正常条件下εr≫εi，即εi/εr<0.1。

则(3)式最终可简化为：

(4)

可见穿透深度与波长成正比，与复介电常数实部成反比，对于各种自然的松散介质，复介电常数的大小主要与含水量有关。除水以外，大多数自然介质材料可用上式(4)计算[6]。

1.2 入射角如图1所示，平面电磁波在不同介质界面上反射与折射特性与可见光的特性基本相似，折射角θ2与入射角θ1之间则满足Snell定律[7]：

图1 Snell定律

(5)

式中，ε1代表空气的介电常数；ε2代表介质的介电常数。

微波电磁波的入射角越小，在穿透相同深度的情况下传播的路径就越短，损失的能量就越小。因此采用较小的入射角可以提高探测次地表地物的能力。

1.3 入射波极化方式电场在入射平面，称为平行极化，即H极化；电场垂直于入射平面，称垂直极化，即V极化。分别对两种极化波在不同介质界面上进行折射的能力进行分析：

入射波为平行极化时，透射系数T11为：

(6)

入射波为垂直极化时，透射系数T⊥为：

(7)

理论上定义的穿透深度并不代表雷达波仅可探测到的次地表目标的深度。因为电场强度衰减到 1/e，能量的减弱还不到1 dB，而一般情况下雷达波能探测到的动态范围可达20 dB 以上，因此雷达波探测次地表目标的极限深度取决于雷达系统的信噪比和次地表目标最终回波强度与背景回波强度的反差。

此外雷达对地表具有一定的穿透能力还需要3个条件；土壤表层颗粒小；厚度小；气候非常干燥[8]。

2 研究区与数据源

2.1 研究区研究区位于内蒙古自治区锡林格勒盟阿巴嘎旗地区，气象资料表明该地区属中温带半干旱大陆性气候，冷暖剧变，昼夜温差大，降水量少，蒸发量大。地势东北高西南低，海拔960～1 500 m，是以低山阶状高平原、台地、丘陵为主体，兼有多种地貌单元组成的地区。土壤类型为暗栗钙土，其次是风沙土，满足理论要求。

2.2 数据源研究采用的数据为两幅日本ALOS卫星上搭载的PALSAR所获取的雷达图像。一幅图像获取时间为2008年9月23日，极化方式为双极化，数据级别为1.1级数据；另一幅图像获取时间为2010年9月29日，极化方式为双极化，数据级别为1.5级数据。ALOS卫星上搭载的PALSAR具体参数见表1。

表1 ALOS卫星上搭载的PALSAR基本参数

另外选用美国1999年发射的Landsat 7 卫星获得的影像数据，获取时间为2010年9月23日，包括8个波段，空间分辨率为30 m，选用了741波段。741波段组合图像具有兼容中红外、近红外及可见光波段信息的优势，图面色彩丰富，层次感好，具有极为丰富的地质信息和地表环境信息；而且清晰度高，干扰信息少，地质可解译程度高，各种构造形迹显示清楚，不同类型的岩石区边界清晰，岩石地层单元的边界、特殊岩性的展布以及火山机构也显示清楚，在各波段组合中效果最好。

3 数据处理与分析

3.1 数据预处理

3.1.1多视处理。由于使用1.1级别的数据为单视复数图像，经过距离和方位(单视)的压缩，因此需要进行多视处理来提高SAR图像的信噪比，进而有效抑制斑点噪声。该研究使用ENVI SARscape对研究区的PALSAR双极化数据进行了距离向和方位向的4视处理，原始图像和多视处理后的图像分别见图2、图3。

图2 原始图像

图3 多视处理后的图像

3.1.2后向散射辐射定标。该研究采用日本宇宙航空研究开发机构为PALSAR数据提供的定标方法：

σ0=10lg(I2+Q2)+CF-32.0

(8)

式中，I和Q分别代表复型数据的实部与虚部；CF为定标常数；HH极化数据为-83；HV极化数据为-80。经过辐射定标处理后，得到1.1级别数据的后向散射强度图像。

3.1.3滤波和几何校正。分别对多视处理后的图像进行滤波处理，局部统计滤波既可以抑制相干斑噪声，又能保留极化信息，因此是一种综合性能良好的极化滤波方法。该研究中采取了精制Lee滤波，不仅可以有效地抑制相干斑噪声，同时还能保持图像的分辨率和保留目标的极化信息[9-10]。以ALOS PALSAR1.5级数据作为参考影像对1.1级数据进行几何校正。

3.2 地物后向散射特性分析地面目标的表面都要对入射电磁波产生反射，只是随物体性质，大小尺寸以原表面形态与波长的相对关系的不同，将分别发生镜面反射或漫反射(即散射)。将沿电磁波入射方向返回的散射称之为后向散射。雷达接收的电磁波中包含有地物的信息，不同地物具有不同的介电常数和回波特性，因此在雷达图像上也显示出不同的后向散射系数。

3.2.1建筑物。由于建筑物较易与地面形成角反射器，不同高度的建筑物也易形成强反射体，从而产生偶次散射。同极化图像上的回波信号主要由面散射决定，交叉极化图像上的回波信号则主要由体散射来决定，因此交叉极化图像不易受角反射器类特殊回波的影响。同时相较于HH极化数据，HV数据中对建筑工地和裸土与建筑物的区别也更加清晰。所以用HV极化数据来识别建筑物群效果较好，也与实际相符。

3.2.2道路。人工铺设的道路表面一般比较光滑，在小范围内标准高度差小，粗糙度较小，易发生镜面反射，在影像上表现比较暗。特别是卫星方位向上的道路在HV极化方式下基本不能识别。

3.2.3网围栏。研究区主要为牧区草原，大范围的建有网围栏。草原围栏网普遍采用高强度钢丝、铁丝材质，自动化拧编而成，高度一般不超过2 m。金属的介电常数具有随频率高低产生变化的特性，该研究所选用数据频率为1.27 GHz，远远小于金属的阻尼指数(γ0约为1013Hz)，这种情况下金属的介电常数是一个复数。此时金属的相对介电常数很大与其他非导体差别很大，在图像上较易分辨。

3.2.4土壤。土壤参数对雷达后向散射回波有着重要的影响，其中包含地表粗糙度，土壤成分，含水量等。在同样的均方根高度或相关长度的变化范围内，对于波长较长的 L 波段，这种地表状况比较平滑，因此相对与其他波段的微波数据L波段数据受地表粗糙度影响较小。该地区风成作用比较强烈，土壤主要为暗栗钙土，其次是风沙土，颗粒小成分较单一。由于降水量小，蒸发量大，气候干旱，且所选数据为9月底，植被稀少，土壤含水量低。因此该地区整体土壤介电常数较小，反射回波弱在影像上表现为深色调。

此外，复介电常数虚部与土壤含水量呈线性相关，土壤水分含量低造成该地区土壤复介电常数虚部较小。由于复介电常数虚部一般标志着电介质损耗的大小，因此也为L波穿透浅层地表土壤提供了依据。

3.2.5岩石。由于岩石结构的不同以及地形的影响，使得其雷达回波信号强度差异极大，同时受各种潜覆盖土层的影响，很难将其与其他的地物类型区分开来[11]。但是由于岩石的结构和地形相对比较稳定，相同位置的岩石在不同时相的后向散射基本相同。

不同时相的ALOS数据在对岩石的识别上基本一致，由于在不同极化方式下得到的数据岩石的后向散射差异较大，俯角越大差异越大，因此取在HH极化数据上判断为岩石而HV极化上未识别的部分(见图4黑色部分)，成条带状依山势的走向分布，宽度几十米不等。

图4 HH与HV极化差异部分

对具体各部分进行详细区分，HH与HV 2种极化方式对山体的识别差异主要是在山体边缘附近。其中靠近山体的一部分在Landsat 7卫星获得的影像数据上区分出是山体岩石，另外更远离山体的一部分在HV极化方式数据和L7数据上均未发现，说明H极化波在该地区拥有较深的穿透深度。同时由于地势较平缓，风化作用强，表面相对较光滑，去极化作用弱，造成HV极化回波弱，识别能力较差。

4 结论

基于微波的穿透性能，SAR技术可以对次地表地物进行探测。通过比较ALOS不同极化方式得到的后向散射强度数据，可以得出不同极化方式之间识别的差异性。在对山体边缘岩石识别中结合Landsat 7卫星影像数据，可以证实HH极化对山体边缘浅覆盖层岩石的识别。由此得出结论：ALOS HH极化方式基于特定的波长和极化方式可以对浅覆盖层下的岩石进行有效的识别。

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Based on the Study of Microwave Penetration Performance in the Dual-Polarisation SAR Data for Recognizing the Shallow Layer of Rock

YE Chao, XING Li-xin*, CUI Jian-nan

(College of GeoExploration Science and Technology, Jilin University, Changchun, Jilin 130026)

Firstly, the ALOS data of ground objects scattering intensity are analyzed in Abaga area based on the research of influence factors in the radar wave penetration performance. In terms of the data, there are the certain differences shown between diverse polarization modes of ALOS data. Then, combining acquired image data from the Landsat 7, it reflects the fact that HH polarization mode of ALOS data manages to identify the rocks which isolate beneath the shallow layer of mountains margin by the means of analysis these differences. Overall, ALOS HH polarization mode demonstrates the superiority in the identification of rocks beneath the shallow layer of mountains margin.

Dual-polarisation SAR; ALOS; Penetration performance; Backscatter

叶超(1987- )，男，硕士研究生，从事极化SAR技术的原理及应用研究。*通讯作者，教授，从事遥感与地理信息系统方面的教学与研究工作。

2014-12-15

S 126；TP 79

A

0517-6611(2015)04-369-03