基于非反射对称散射分量提取的PolSAR图像两层目标分解方法

摘要

基于非反射对称散射分量提取的PolSAR图像两层目标分解方法，属于微波遥感领域，解决现有基于散射模型的目标分解方法不能区分森林和有一定旋转角度的建筑物的局限性问题。获取PolSAR图像数据：将散射矩阵矢量化并形成常规散射矢量；根据常规散射矢量计算极化散射协方差矩阵；将极化散射协方差矩阵分解为反射对称散射成分和非反射对称散射成分；对获得的反射对称散射成分和非反射对称散射成分进行再分解；将获得的平行二面角散射与旋转二面角散射的能量进行求和；合成RGB伪彩色图，通过区分不同颜色对建筑物区域和森林区域进行区分。本发明可以广泛应用于雷达遥感图像分解领域。

主权项

基于非反射对称散射分量提取的PolSAR图像两层目标分解方法，它包括如下步骤：步骤一：获取PolSAR图像数据：将获取的PolSAR数据通过水平‑水平极化HH、水平‑垂直极化HV、垂直‑水平极化VH、垂直‑垂直极化VV四个极化通道输入，并利用SAR成像算法得到四幅PolSAR图像数据：$\left[S\right]=\left[\begin{array}{cc}{S}_{\mathrm{hh}}& S_{\mathrm{hv}}\\ S_{\mathrm{vh}}& S_{\mathrm{vv}}\end{array}\right];$[S]是后向散射矩阵，S_hh、S_hv、S_vh、S_vv分别代表HH、HV、VH、VV四个极化通道的后向散射系数；步骤二：将散射矩阵矢量化并形成常规散射矢量步骤三：根据步骤二获得常规散射矢量计算极化散射协方差矩阵<[C]>：$<\left[C\right]>=<{\overrightarrow{k}}_{3L}{\overrightarrow{k}}_{3L}^{T*}>=\left[\begin{array}{ccc}{C}_{11}& C_{12}& C_{13}\\ C_{12}^{*}& C_{22}& C_{23}\\ C_{13}^{*}& C_{23}^{*}& C_{33}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{ccc}<{\left|S_{\mathrm{hh}}\right|}^2>& \sqrt{2}<S_{\mathrm{hh}}{S}_{\mathrm{hv}}^{*}>& <S_{\mathrm{hh}}{S}_{\mathrm{vv}}^{*}>\\ \sqrt{2}<S_{\mathrm{hv}}{S}_{\mathrm{hh}}^{*}>& 2<{\left|S_{\mathrm{hv}}\right|}^2>& \sqrt{2}<S_{\mathrm{hv}}{S}_{\mathrm{vv}}^{*}>\\ <S_{\mathrm{vv}}{S}_{\mathrm{hh}}^{*}>& \sqrt{2}<S_{\mathrm{vv}}{S}_{\mathrm{hv}}^{*}>& <{\left|S_{\mathrm{vv}}\right|}^2>\end{array}\right]$其中，<□>表示多视处理或空间平均，上标^*表示复数共轭；步骤四：将步骤三获得极化散射协方差矩阵<[C]>分解为反射对称散射成分<[C]>_sym和非反射对称散射成分<[C]>_asym；步骤五：对步骤四获得的反射对称散射成分<[C]>_sym和非反射对称散射成分<[C]>_asym进行再分解；将反射对称散射成分<[C]>_sym分解为表面散射、平行二面角散射和体散射，获得三种散射成分的能量；将非反射对称散射成分<[C]>_asym分解为螺旋散射、线散射和旋转二面角散射，获得三种散射成分的能量；步骤六：将步骤五获得的平行二面角散射与旋转二面角散射的能量进行求和，获得偶次散射能量P_d；步骤七：利用上述步骤的表面散射的能量P_s、体散射的能量P_v和偶次散射的能量P_d合成RGB伪彩色图，通过区分不同颜色对建筑物区域和森林区域进行区分；其特征在于，所述步骤四：将步骤三获得极化散射协方差矩阵<[C]>分解为对称散射成分<[C]>_sym和非对称散射成分<[C]>_asym的过程为：针对反射对称散射体，<S_hhS_hv*>≈<S_hvS_vv*>≈0，故其协方差矩阵满足形式：${\left[C\right]}_{\mathrm{sym}}=\frac{1}{A+B+C}\left[\begin{array}{ccc}A& 0& D\\ 0& B& 0\\ D*& 0& C\end{array}\right]$其中，A、B、C为实数，D为复数；针对非反射对称散射体，其协方差矩阵满足形式：${\left[C\right]}_{\mathrm{asym}}=\frac{1}{\Lambda }\left[\begin{array}{ccc}{\left|\gamma \right|}^2& \sqrt{2}\mathrm{\gamma \rho }*& \gamma \\ \sqrt{2}\gamma *\rho & 2{\left|\rho \right|}^2& \sqrt{2}\rho \\ \gamma *& \sqrt{2}\rho *& 1\end{array}\right]$其中，γ表示水平‑水平极化HH与垂直‑垂直极化VV的后向散射系数的比值；ρ表示水平‑垂直极化HV与垂直‑垂直极化VV的后向散射系数的比值；根据反射对称和非反射对称散射体的协方差矩阵的形式，将极化散射协方差矩阵<[C]>分解为：$<\left[C\right]>=P_{\mathrm{sym}}{\left[C\right]}_{\mathrm{sym}}+P_{\mathrm{asym}}{\left[C\right]}_{\mathrm{asym}}=\frac{P_{\mathrm{sym}}}{A+B+C}\left[\begin{array}{ccc}A& 0& D\\ 0& B& 0\\ D*& 0& C\end{array}\right]+\frac{P_{\mathrm{asym}}}{\Lambda }\left[\begin{array}{ccc}{\left|\gamma \right|}^2& \sqrt{2}\mathrm{\gamma \rho }*& \gamma \\ \sqrt{2}\gamma *\rho & 2{\left|\rho \right|}^2& \sqrt{2}\rho \\ \gamma *& \sqrt{2}\rho *& 1\end{array}\right]$其中：Λ＝|γ|²+2|ρ|²+1；根据极化散射协方差矩阵<[C]>的相应元素相等，得到：$C_{12}=\frac{P_{\mathrm{asym}}}{\Lambda }\sqrt{2}\mathrm{\gamma \rho }*$$C_{22}=\frac{P_{\mathrm{sym}}}{A+B+C}B+\frac{P_{\mathrm{asym}}}{\Lambda }2{\left|\rho \right|}^2$$C_{23}=\frac{P_{\mathrm{asym}}}{\Lambda }\sqrt{2}\rho$假设非反射对称散射能量占总能量的比重为η，即P_asym＝ηP_t,0≤η≤1，其中，P_t＝C₁₁+C₂₂+C₃₃＝P_sym+P_asym，代表总散射能量，P_sym和P_asym分别代表反射对称及非反射对称散射成分的能量；η由输入的四个极化通道的数据求得：$\eta =\sqrt{\frac{{|<S_{\mathrm{hh}}{S}_{\mathrm{hv}}^{*}>|}^2+{|<S_{\mathrm{hv}}{S}_{\mathrm{vv}}^{*}>|}^2}{<{\left|S_{\mathrm{hh}}\right|}^2><{\left|S_{\mathrm{hv}}\right|}^2>+<{\left|S_{\mathrm{hv}}\right|}^2><{\left|S_{\mathrm{vv}}\right|}^2>}}$已知η后，P_sym,P_asym,ρ,γ由下式求得：P_sym＝ηP_tP_asym＝(1‑η)P_t$\rho =\frac{{\mathrm{\eta C}}_{22}}{\sqrt{2}{C}_{23}^{*}}$$\gamma =\frac{C_{12}}{C_{23}^{*}}=\frac{\sqrt{2}{C}_{12}\rho }{{\mathrm{\eta C}}_{22}}$最终获得反射对称散射成分<[C]>_sym和非反射对称散射成分<[C]>_asym：<[C]>_asym＝P_asym[C]_asym                       。<[C]>_sym＝<[C]>‑<[C]>_asym