博士学位论文

利用雷达干涉数据检测城区地物变化分方法研究

研究生姓名：　　江利明

指导教师： 　　 林 珲 教授 廖明生 教授

学科专业名称：　摄影测量与遥感

研究方向：　　　合成孔径雷达遥感

　　　　　　　　　　　　　摘　要

利用多时相遥感影像进行变化检测提取地表覆盖的变化信息是对地观测应用领域广泛关注和重点研究的课题。合成孔径雷达（SAR）作为一种工作在微波波段的相干成像雷达，是目前世界各国普遍重视的对地观测前沿技术。由于具备大面积、全天时、全天候数据获取能力，并且能够提供地物关于幅度、相位、频率和极化等完整电磁波参数在内的丰富信息， SAR 已成为遥感变化检测数据获取的重要技术手段，尤其对传统光学传感器成像困难地区有着特别重要的意义，如多云多雨地区、地球两极地区以及战场敏感地区等。然而，在当前遥感变化检测研究和应用中，绝大部分变化检测算法都是为适应光学遥感数据的信息特点而设计，相比较而言，专门针对 SAR 影像的变化检测方法并不多见。另外， SAR 传感器成像机理与光学传感器有着本质的差异，使得 SAR 影像具有独特的信息特点，常规基于光学遥感的变化检测技术难以奏效。因此，研究针对雷达遥感信息特点的变化检测方法不仅具有实际应用意义，也有其学术研究价值。

论文研究目标是利用多时相 SAR 幅度特性和相干特性进行城市土地利用/覆盖变化信息的高效可靠提取，在系统回顾雷达遥感变化检测的研究现状和发展趋势的基础上，力图将统计信号处理、统计模式识别和城市研究等领域的新理论、新方法引入雷达遥感的变化检测研究中，针对城区变化的具体应用问题提出一些新思路和新策略。

论文共分七章，涉及地物雷达后向散射特性分析、SAR差异图像的非高斯信号建模、多时相雷达干涉数据的差异特征构造、融合以及变化区域自动提取等关键问题的研究：

（1）深入系统地研究了城市地物的雷达后向散射特性。在分析了建筑物雷达后向散射机制的基础上，通过大量实验数据，系统地分析了城市典型地物的后向散射强度特性和干涉相干特性，并总结了它们在空间和时相上的变化规律。该研究内容为本文雷达遥感的变化检测提供了理论依据。

（2）针对 SAR 差异图像的非高斯信号建模问题，引入统计信号处理领域中基于分数低阶统计量的新理论和新方法，采用 SaS 分布模拟 SAR 差异图像中后向散射增强、不变和减弱三种类别的统计特性。实验结果验证了 SaS 模型对 SAR 差异图像具有稳健和可靠的建模能力，能够有效提高变化检测精度。

SaS 分布的 概率密度函 数（PDF）缺乏封闭表达式，这限制了其在基于统计模型的信号（或图像）处理中的应用，如 Bayes 决策等。针对这个难点，提出并实现了一种基于 有限项高斯混合模型的SaS分布 PDF 解析计算方法。仿真数据的实验结果表明，与目前精确但没有闭合表达式的FFT方法相比，本文提出的PDF计算方法不仅实现了其解析表达，而且在估算精度上与之相当，并在 计算效率方面提高了约 2 个数量级 。

（3）为了减小Speckle噪声对变化检测的影响，提出了一种顾及空间邻域关系的SAR影像非监督变化检测方法。两个信号与图像分析模型确保了该方法的有效性：SaS分布模型和马尔可夫随机场(MRF)模型。前者用于模拟SAR差异图像类别统计分布；后者则为描述空间上下文信息提供了非常好的建模工具。针对该方法中模型参数估算和能量函数求解问题，提出了一种随机迭代的 EM/MPM 非监督分割算法，相比确定性的 EM-MPM 算法而言，实现了模型参数估计与标号场估计同时迭代进行，这种处理过程有助于提高变化区域提取的精度。

实验结果表明，空间上下文信息能够显著减少Speckle噪声影响下的 孤立点和不连通区域，结合SaS分布模型能够进一步提高变化检测精度。

（4）提出了一种基于多时相 SAR 幅度特性和相干特性的城区变化检测方法，该方法主要由两部分组成：1）SAR 差异特征选取和提取；2）差异特征融合与分类。

在差异特征提取部分，根据地物在时间维上的雷达后向散射特性分析结果，本文设计并实现了一种基于局部均值比的自适应多时相强度变化检测器(AMTCD)，从三维 SAR 数据集中有效提取后向散射强度时相差异特征(BITV)；在相干信息利用方面，利用两景具有短空间垂直基线且长时间基线的相干图像获得相干差异特征(LTCD)。在特征融合和分类部分，本文提出了一种基于 MRF 模型的非监督融合分类方法，该方法是前面SaS -MRF变化检测方法的扩展。

实验结果表明，该方法能够很好地解决单一SAR差异特征存在的变化信息难以集中和对城区建筑物变化不敏感等问题，虚检和漏检现象大为减少。

（5）研究了城市不透水层百分比（ISP）的雷达遥感估算和变化检测问题，探讨了雷达干涉数据在ISP估算和变化检测中的可行性和潜力。提出了一种基于CART集成学习的不透水层亚像元估算和变化检测方法，该方法运用于ERS-1/2重复轨道干涉数据中获得了与Landsat7 ETM+和SPOT5 HRV数据相当的ISP估算精度。

实验结果验证了雷达遥感在城区ISP估算和变化检测中的可行性和有效性。同时，我们认为，基于ISP的变化检测方法为城市土地利用 / 覆盖变化信息的提取和分析提供了一种新的思路，可作为现有其他变化检测方法的一个有益补充。

关键词：变化检测，雷达遥感，雷达干涉测量(InSAR)，城市地区，Alpha-stable分布模型，MRF模型，不透水层百分比，决策树学习