（环境科学与工程专业论文）基于纹理特征的星载sar溢油监测研究.pdf

英文摘要 a b s tr a c t o i ls p i l li so n eo ft h ep o l l u t i o n sw h i c hc a l lb r i n gs e r i o u si m p a c t st ot h em a r i n e e c o - e n v i r o n m e n t ，a n da t t r a c t st h ea t t e n t i o no fc o u n t r i e sa n dt h ep u b l i c w h e no i ls p i l l a c c i d e n to c c u r s “i sn e c e s s a r yt od e t e r m i n et h el o c a t i o no fs p i l l e do i li no r d e rt om a k ea q u i c kr e s p o n s ea n dm i n i m i z et h en e g a t i v ei m p a c to ft h ea c c i d e n t s i n c eo i ls p i l l i s u n p r e d i c m b l e ，m o n i t o r i n gt e c h n i q u es h o u l do p e r a t ei na l lw e a t h e rc o n d i t i o n s c o m p a r e d 、i t h a e r o s p a c e ，a v i a t i o n , a n dg r o u n d ，t h et h r e er e m o t es e n s i n gp l a t f o r m s ，s p a c e b o m e s y n t h e t i ca p e r t u r er a d a r ( s a g ) i sc a p a b l et om o n i t o ro i ls p i l lt i m e l ya n dc o r r e c t l y , a n di s s e l e c t e da st h em a i nt 0 0 1 o i lf i l ms u p p r e s s e st h es u r f a c ec a p i l l a r yw a v e ，a n dr e d u c e st h er o u g h n e s so fs e a s u r f a c e ，w h i c hc a u s e sad a r ka r e ai ns a gi m a g e h o w e v e r , o t h e rp h e n o m e n aa l s ot a k e o ns i m i l a rf e a t u r ea so i lf i l m s o ，i ti sn e c e s s a r yt od i s t i n g u i s ho i lf i l mf r o mo t h e r l o o k - a l i k e s i nt h i sp a p e r , t e x t u r ei si n t r o d u c e di no r d e rt oi d e n t i f yo i ls l i c kc o r r e c t l y t h i sp a p e rt a k e s p r e s t i g e a c c i d e n ta s e x a m p l e ，a n de x t r a c t s o i ls p i l l i n f o r m a t i o nb ys a gd a t a f u r t h e r m o r e ，t h ep a p e ra l s od i s c u s s e ss a ri m a g e p r e p r o c e s s i n g ，e s p e c i a l l ys e l e c t i o no ff i l t e rm e t h o d sa n df i l t e rs i z e s w i t hr e g a r dt o t e x t u r ef e a t u r e s ，g r a y l e v e lc o - o c c m t e n c em a t r i x ( g l c m ) i ss e l e c t e d , b e c a u s ei t c o n s i d e r sg r a yv a l u eo fp i x e la n dt h er e l a t i o n s h i pb e t w e e np i x e l sa tt h es a m et i m e t h e p a p e rp r o v i d e sd e t a i l e dr e s e a r c ho nt e x t u r ea n a l y s i sb e t w e e no i lf i l ma n dl o o k - a l i k e s ， e s p e c i a l l yo nt h et e x t u r ep a r a m e t e rs e l e c t i o n , s u c ha sd i r e c t i o n , s t e pl e n g t h , a n d c a l c u l a t i o nw i n d o ws i z e i no r d e rt oi m p r o v et h ee f f i c i e n c y , t h ep a p e rf u r t h e rs e l e c t st h e t e x t u r ef e a t u r ev e c t o r sw h i c ha r em o r es u i t a b l et oo i ls p i l lm o n i t o r i n g a tl a s t ，t h r e e s u p e r v i s e dc l a s s i f i c a t i o nm e t h o d s ，t h em i n i m u md i s t a n c e ，m a x i m u ml i k e l i h o o d a n d s u p p o r tv e c t o rm a c h i n e ( s v m ) a r ec o m p a r e d i ts h o w s t h a ts v mh a sab e t t e re f f e c tf o r o i lf i l mi d e n t i f i c a t i o n 、衍t l lt e x t u r ef e a t u r e sa si n p u t f i n a l l y , t h ep a p e rs u m m a r i z e so i l s p i l lm o n i t o r i n gm e t h o d s ，a n db r i n g sf o r w a r ds o m ep r o b l e m st h a tn e e dt ob er e s o l v e d 英文摘要 f u r t h e r k e yw o r d s ：s y n t h e t i ca p e r t u r er a d a r ( s a r ) ；o i ls p i l l ；t e x t u r ef e a t u r e ；s u p p o r t v e c t o rm a c h i n e ( s v m ) 大连海事大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：本论文是在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果， 撰写成博硕士学位论文“基于纹理特征的星载s a r 溢油监测研究”。除论 文中已经注明引用的内容外，对论文的研究做出重要贡献的个人和集体，均己在 文中以明确方式标明。本论文中不包含任何未加明确注明的其他个人或集体已经 公开发表或未公开发表的成果。本声明的法律责任由本人承担。 i 学位论文作者签名：盐丝 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解大连海事大学有关保留、使用研究生学 位论文的规定，即：大连海事大学有权保留并向国家有关部门或机构送交学位论 文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连海事大学可以将本 学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存和汇编学位论文。同意将本学位论文收录到中国优秀博硕士 学位论文全文数据库( 中国学术期刊( 光盘版) 电子杂志社) 、中国学位论文 全文数据库( 中国科学技术信息研究所) 等数据库中，并以电子出版物形式出 版发行和提供信息服务。保密的论文在解密后遵守此规定。 本学位论文属于：保密口在年解密后适用本授权书。 不保密( 请在以上方框内打“ ) 论文作者签名：牟 基于纹理特征的星载s a r 溢油监测研究 第1 章绪论 海上溢油污染是最常见的海洋污染物之一。随着海上石油工业和运输业的极 大发展，船舶的数量和吨位越来越大，船舶进出港口次数日渐增加，船舶发生溢 油事故的几率也随之增加。在我国，据交通部统计，沿海自1 9 7 6 年至1 9 9 9 年， 共发生船舶溢油事故2 2 5 7 起，其中危害较大的重大溢油事故5 1 起，平均每年超 过2 起。自1 9 9 4 年以来，重大溢油事故每年增至5 7 起。每次重大事故造成的 直接经济损失都高达几百万元甚至是上千万元。这一趋势，在2 0 0 0 年后，没有降 低，呈现的仍然是递增的趋势。2 0 0 4 年1 2 月7 日珠江发生了我国目前最大的一次 溢油事故，造成了1 2 0 0 吨的溢油，经济损失过亿。溢油事故的频繁发生，油污对 沿海城市生态，环境，经济产生的负面影响，使海洋石油污染事故引起公众与国 家的重视。为将溢油事故带来的污染程度降到最低，世界各地的海事国家都积极 参与溢油有关的监测研究。 1 1 遥感监测溢油概述 溢油事故发生时，第一时间掌握溢油信息，比如飘散方向，扩散速度等，对 清污船在合适位置设置围油栏，清除油污，减少对海洋，对生态的影响及其重要。 事后，对溢油范围，面积的估算也在法律上为事故各方划分责任，解决经济纠纷， 提供必要的依据。因此，对溢油的监测是必要的，各个国家都在努力的寻找更好 的监测溢油的方法。 目前监测海面溢油主要是用遥感。根据监测平台的不同，遥感监测溢油主要 分三种：航天，航空和地面，这里讲的地面遥感主要是指航海雷达。基于不同平 台的溢油遥感优缺点对比见表1 1 ： 第1 章绪论 表1 1 遥感监测溢油平台对比 t a b 1 1c o m p a r i s o nb e t w e e nd i f f e r e n tr e m o t es e n s i n gp l a t f o r m so no i ls p i l l sd e t e c t i o n 由表1 1 看出，三种遥感监测方法各有利弊，在各领域中，均有科研工作者 在探索研究。卫星遥感因为监测范围广，可利用卫星平台多，数据源丰富，经济 成本相对较低等原因，成为研究的热点。 在卫星遥感监测中，主要有光学遥感和微波遥感两种，它们成像机理上有本 质的不同，所以在图像处理及分析上，也存在巨大差异。光学卫星遥感现在使用 的比较普遍，其图像处理技术已经走向成熟，并且规模化。但因其成像机制问题， 依赖太阳辐射，工作的波段波长穿透性有限，有着自身无法跨越的局限，在多云 多雾，恶劣天气下获得的数据能用性不高。当海面发生船舶溢油事故时，天气条 件多不好，所以尽管光学卫星获得的图像有色彩鲜艳，易于辨识地物等优点，仍 不能满足溢油监测全天时全天候的要求。微波遥感包含两种，主动遥感和被动遥 感，目前能用于溢油监测的有效方法是主动遥感，即雷达遥感，雷达传感器工作 不依赖于太阳辐射，它主动向地物发射雷达波束，接收地物反射回波而成像，因 而不论白天黑夜都可以工作；工作所在的微波波段具有强穿透性，能够穿透云雾， 基于纹理特征的星载s a r 溢油监测研究 克服了光学传感器所不能突破的受制于天气状况的难题，真正的做到了对海上溢 油事故全天时，全天候的动态监测。随着越来越多的民用雷达卫星的升空，星载 s a r 数据的获取更为方便，选择性更为宽广，加上其独特的优势，越来越成为监 测溢油事故不可或缺的力量，是海上溢油监测的重要手段。 随着越来越多雷达卫星的发射，目前可利用的正在运行的雷达卫星平台有很 多，如：德国t e r r a s a r x ，日本的a l o s 卫星，意大利c o s m o s k y m e d 系统， 欧空局的e r s 2 和e n v i s a t - l ，加拿大r s i 的r a d a r s a t - 1 ，r a d a r s a t - 2 等， 用来监测溢油的星载s a r 平台主要有e r s 。2 ，d i s a t - 1 ，扎a r s a b l 和 r a d a r s a r - 2 。 e r s 2 由欧空局于1 9 9 5 年发射，取代了1 9 9 1 年发射的e r s 1 ，它在e r s 1 基础上改进，携带了多种有效载荷。其中s a r 工作的空间分辨率3 0 米，幅宽1 0 0 公里，重访周期3 5 天。 。 r a d a r s a t - i 卫星上装载的s a r 具有多模式、多波束成像的能力，用户可选 择入射角范围在2 0 。5 0 。，分辨率跨度为1 0 1 0 0 米，幅宽4 5 5 0 0 公里，重访周 期为2 4 天。通过选择工作模式、控制成像幅宽以及采用编程服务可为用户提供7 天的重复观测。用于溢油监测的a r s a - t - 1s a r 窄幅s c a n s a r 模式影像幅宽 为3 0 0 千米。 r a d a r s a t - 2 于2 0 0 7 年1 2 月1 4 日升空，其功能在涵盖了r a d a r s a t 1 以外，还有 所改进和提高，在对分辨率和极化方式的选择上更加灵活，入射角范围扩展到了 1 0 。6 0 。，分辨率精确到了地面3 米，幅宽有2 0 千米到5 0 0 千米可供选择，对紧 急事件的反应时间更是缩短到了3 天。 e n v i s a t 卫星是欧空局的对地观测卫星系列之一，e n v i s a t - 1 在2 0 0 2 年3 月1 日( 欧洲中部时间) 升空，星上载有1 0 种探测设备，其中4 种是e r s 1 2 所 载设备的改进型，所载最大设备是先进的合成孔径雷达( a s a r ) ，a s a r 传感器 有5 种工作模式，提供多极化方式，空间分辨率3 0 米到1 0 0 0 米不等，幅宽可达 4 0 0 千米，它能提供多种视角，重访周期为3 2 天。 e r s 2 ，r a d a r s a t - 1 ，r a d a r s a t - 2 ，e n v i s a t - 1a s a r 均工作在c 波段，其 第1 章绪论 中e r s 2 的极化方式为v v ，a r s a t - l 极化方式为h h ，r a d a r s a t - 2 和 e n v i s a t - 1a s a r 能提供多极化( v v ，h h ，v h ，h v ) 方式的图像。根据雷达原理： 成像雷达波长使用范围为1 c m 1 0 0 c m ，小于2 c m 电磁波透过云雾的能力受影响， 大于4 c m 雨对其几乎没有影响，同时，长波对地物具有穿透性。这四种星载s a p , 工作在c 波段，波长大于4 c m ，对云雾和雨具有很好的穿透性，对地物也具有一 定的穿透性，适合全天候监测溢油。 多年来，科研工作者在监测溢油的领域中做了大量的工作。国家海洋局第一 海洋所早在1 9 8 0 年就在大连湾首先开展了海面溢油的航空遥感试验研究，分别获 取了不同油种在可见光、红外以及微波波段范围内的地物光谱数据，为遥感探测 海上油污积累了宝贵资料【l 】。大连海事大学在“八五 期间开展了航天遥感溢油探 测的研究工作，在1 9 9 8 年和1 9 9 9 年在大连外海进行了两次撒油波谱测试，获取 了不同油种在多种厚度情况下的波谱特征数据；同时，利用t m 和a v h r r 光学数 据对几次溢油事故进行了处理和分析，通过数字图像处理技术提取了卫星影像上 的油污信息并取得较好结果，对卫星遥感手段在海上油污染探测中的可应用性做 出了有价值的验证【2 叫。 在利用星载s a r 监测溢油方面，国外学者t b e r n 等人首先利用e r s - 1s a r 数据对海洋溢油进行了试验研究【7 1 。h e id ia h o v l a n d 等人利用e r s - 1s a r 数据 对北海、波罗的海海域的溢油进行了监测并开展了溢油的半自动监测研究【8 1 。 p p a v l a k i s 等人利用e r ss a r 数据对地中海沿岸的溢油污染进行了监测【9 】。w i i i i a my t s e n g 等利用e r s 一1s a r 并结合n o a a a v h r r 数据成功监测了1 9 9 1 年波斯 湾溢油【l 引。a h s o l b e r g 对s a r 半自动和自动监测海洋溢油进行了研究，提出了 一个半自动的溢油探测分类器，是对油膜概率较大的目标直接进行自动检测【1 1 1 4 】。 b f i s c e l l a 等人【15 1 、f a n n yg i r a r d a r d h u i n 等人【1 6 】、f n i r c h i o 等人【1 7 1 相继利 用星载s a r 数据开展了海洋溢油污染监测的研究工作。m g a d e 等人利用e r s - 2s a r 数据对欧洲水域污染进行了统计分析【l8 1 。马来西亚的科研工作者以s a r 为数据源， 对马六甲海峡地区进行了溢油图像处理方法的探讨，建立了包括孔径模式校正、 辐射校正、几何校正、暗油层探测、纹理分析、特征提取、g a m m a 滤波、油层分类 基于纹理特征的星载$ a r 溢油监测研究 等环节的s a r 溢油探测技术流程1 1 9 1 。荷兰国家宇航实验室( n l r ) 利用e r s - 1 ，e r s - 2 数据进行了北海溢油探测实验，探讨了溢油探测的业务化能力，提出了业务化系 统建设的框架【2 0 】。我国中科院电子所薛浩洁等利用小波变换进行了溢油区域分割 方法的研究【2 u ；中科院电子所黄晓霞等利用s a r 进行了相关的海洋油气遥感综合 探测研究【2 2 1 。在各类研究中，对于s a r 图像中溢油现象的识别研究还不多见。溢 油监测研究受到国家政府的大力支持和科研工作者的重视，与近年来溢油事故的 增多，油污染对生态，经济，环境带来的灾害严重，备受关注有关。而经过多年 的研究，也证明，星载s a r 确实是溢油监测有效的工具。现在航天业处于高速发 展的阶段中，空中可供使用的雷达卫星逐渐增多，卫星遥感数据的获取也更加便 捷。当溢油事故发生时，利用卫星数据对其监测的反应时间也越来越短，因此基 于多平台下的星载s a r 溢油监测，对溢油工作的指导会更加有效。 1 2s a r 影像纹理分析的研究意义与研究现状 1 2 1 星载s a r 引入纹理的研究意义 雷达遥感是主动遥感，雷达传感器主动向地物发射电磁波，检测地物反射的 回波信号( 也称后向散射信号) ，并通过仪器将检测得到的回波信号转化为灰度图 像。不同地物具有不同的后向散射系数，对雷达波束的反射能力不同，因而，传 感器接收的雷达后向散射信号存在强弱差异，在图像上表现为不周的灰度。后向 散射系数与多因素有关，如：地物的复介电常数，粗糙度，传感器工作的极化方 式，入射角等，因此，不同的地物也可能有相近的后向散射系数，继而在在雷达 图像上有相近的灰度值。灰度，是雷达图像中辨识地物的一个重要因素，但是， 单靠灰度差异区分地物是不精确的，易产生错误。星载s a p , 图像多是单波段图像， 它不像光学图像，有多波段选择，形成彩色图像易于辨识地物，所以，为更准确 的解译地物，我们需要挖掘更多雷达图像上所蕴含的信息。在雷达图像处理中， 引进纹理，可以帮助我们做到这一点。 万事万物有着不同的纹理信息，在人类的日常生活中，纹理现象可以说是无 处不在的。从大自然的天空，河流，森林，草地，到人类社会中的建筑，砖瓦， 第1 章绪论 衣服的布料，皮肤，均存在不同的纹理，即使是生长在同一棵树上的叶子，每片 的纹理也均不相同。纹理在图像处理以及分析中，可以说是一个巨大的信息源， 挖掘图像中蕴含的纹理信息，会帮助我们大大提高地物辨识的准确率。在雷达灰 度图像中引进纹理，其作用更加明显。 s a r 图像之所以能监测溢油，是因为海洋毛细波可以反射雷达波，产生一种 叫做海面杂波的“亮图像，而海面油层可以压抑毛细波。因此在有油层的地方 会由于缺少杂波而呈现“暗区 。在s a r 图像上，溢油区域呈现暗色。但正如前 面所述，雷达反射回波与很多因素有关，在s a r 图像上并不只有溢油才会产生“暗 区 ，背风区、波浪阴影、平静海面也会在图像上产生“暗区的效果，s a r 在 岛屿密集海域、河口及冰面等易产生干扰信息的区域，探测效果也会受到相当的 影响，这些都使s a r 溢油探测带来了不确定性，也再次证明，单纯依靠灰度辨别 溢油是不准确的。在s a r 图像监测溢油中引入纹理，通过油膜与假目标有不同的 纹理信息这一特点来区分暗色区域辨别溢油，不仅能够帮助我们提高溢油辨识精 度，还能帮助我们了解溢油的变化规律，通过纹理窥探到油膜扩散的方向，这对 实际工作中清污船架设围油栏，清理油污具有指导意义。 1 2 2 星载s a r 纹理的研究现状 纹理分析在多领域中均有应用，遥感领域中纹理分析主要是用于纹理分割， 辨识地物，提取不同地物的纹理特征做分类等。在星载s a r 的纹理研究中，国外 纹理分析主要着重于发展不同的纹理新方法，国内纹理分析主要着重于某一方法 的具体应用。 学者对图像的纹理分析做了大量的研究，包括统计方法、模型方法、频域方法 等等。统计方法是研究较多、较成熟的方法，它利用统计特性对纹理进行分析， 主要包括：自相关函数，共生矩阵，傅氏变换，灰度级行程场，滤波模板，g i b b s 模型，马尔柯夫随机场，自回归模型等。基于模型的方法首先假设纹理按某种模 型分布，通过求模型参数提取纹理特征，例如马尔可夫链和马尔可夫随机场【2 3 1 。 由于马尔可夫随机场能够产生局部的和实用的纹理描述，因此得到了广泛的应用， 但是它仍然需要大量的计算来确定合适的参数。而频谱的方法主要是先对图像做 基于纹理特征的星载s a r 溢油监测研究 变换和滤波，然后提取波普特征。在当前的研究中，应用较多的纹理方法主要是 灰度共生矩阵，小波和分形。 在星载s a r 纹理研究中，我国学者做的成果有： 朱俊杰等【2 4 】利用小波变换的纹理方法，对2 0 0 3 年7 月淮河洪水监测获取的高 分辨率s a r 图像进行了两层小波分解，在获得的子图像中提取了水体，村庄，农 田的特征纹理，将小波纹理与高分辨率星载s a r 图像处理相结合。 薛笑荣等【2 5 】将图像纹理的动态和静态信息特征相结合，提出了一种新的s a r 图像分类方法一利用小波尺度共生矩阵和灰度共生矩阵的s a r 图像分类。 朱彩英等【2 6 】通过研究居民地对合成孔径雷达( s a g ) 的微波散射特性，分析居 民地在s a r 图像上的纹理特征，综合利用纹理分析、模式识别和颜色空间变换技 术，在共生矩阵纹理分析的基础上，选取3 个合适的特征分量合成彩色纹理特征图 像，并通过h i s 变换获得亮度分量，使用亮度阈值分割图像提取出居民地。试验表 明，此方法在s a r 图像上提取居民地具有7 0 以上的正确识别率。 袁礼海等f 2 刀从灰度和纹理模型出发，提出了综合利用灰度和纹理特征的目标分 类方法，甄选特征向量处理了多类别多特征量情况下的s a r 图像分类问题。 任仙怡【2 8 】提出一种基于纹理谱特征分割纹理图像的方法。它首次将纹理谱特 征与区域生长算法结合起来，从而实现了无监督的纹理分割。纹理谱特征具有对 方向性敏感等优点，基于纹理谱的纹理图像分割取得了良好效果。 王培f 2 9 】在硕士论文中利用分形的纹理方法对人造目标船舶做了很好的监测。 方圣辉等1 3 0 j 在对s a r 图像分类中，将灰度共生矩阵的纹理分类方法与传统的 最大似然分类方法作对比，有力证明了纹理方法能显著提高分类精度。 张红蕾等【3 1 】提出利用分形的纹理方法区分自然地貌和人造地物，基于数学形 态学理论提出了一个变结构元素的形态学分形维数估计方法，对复杂s a r 图像进行 分割。实验结果表明，该方法计算量小，可充分利用s a r 图像的纹理信息区分自然地 貌和人造地物。 刘保利等1 3 2 1 将s a r 图像局部灰度均值和方差及像素空间分布特征等统计量同 时考虑，在以灰度共生矩阵产生的纹理统计量为特征所生成的图像上，建立多分 第1 章绪论 辨双m a r k o v g a r 模型，采用多分辨m p m 的参数估计方法及相应的无监督分割算 法，对s a r 图像进行纹理分割。该方法用于一些高分辨s a r 图像，其分割精度及分 割边缘的平滑度均优于基于灰度图像上的多分辨双m a r k o v g a r 模型纹理分割。 胡伏原掣3 3 1 将图像的灰度和纹理特征，空域和频域特征相结合，提出了一种新 的s a r 图像分类方法，用树型小波中频纹理能量特征、灰度共生矩阵特征、树型 小波滤波后的灰度组成的特征矢量对s a r 图像进行分类。 李颖等【3 4 】就溢油s a r 图像上假目标的种类进行了归纳，提出应结合纹理，气 象等信息对图像暗色区域进行直接分析或相关分析，来区分溢油区与假目标。 多年来，学者将纹理分析的各种方法与不同的星载s a r 结合，改进，探索适 合不同平台s a r 的纹理分析方法。在特征量选取上，学者也就不同地物展开提取 何种特征量最适合的研究，在提取速度，精度上不断发展前进。但由于各个学者 学科应用领域不同，在研究中对不同纹理方法的对比研究多不全面，使用的遥感 影像基于不同的平台，提取的目标地物不尽相同，选择的训练区大小不一等因素， 使所得的结论也存在差异，不具备通用性。 在星载s a r 纹理研究中，学者在水稻，海冰，农田，湿地等多方面应用中取 得了成果，但在溢油方面的研究还不多。本文将纹理的方法与溢油结合起来，探 讨适合溢油监测的纹理方法和易于与假目标区分的特征向量，深度挖掘雷达图像 信息，借助纹理将单波段雷达灰度图像拓展为多波段，并与多种分类器结合试验， 期待在溢油这个领域中结合纹理，取得新的应用突破。 1 3 本文研究内容与结构安排 第1 章首先阐明了溢油监测的必要性，介绍了溢油监测的平台，以及卫星雷 达监测溢油较之光学卫星监测溢油的优越性；其次就卫星雷达监测溢油做了概述， 解释了星载s a r 图像处理中引进纹理的原因；最后对文献进行了总结，介绍了当 前星载s a r 纹理的研究现状，并指出本文的研究目的。 第2 章介绍了s a r 监测溢油的原理，s a r 图像的特点，针对其特点需要做的 工作，以及对s a r 图像解译时需要考虑的因素。并介绍了本文试验所用的s a r 数 据和处理s a r 数据应用的主要工具。 基丁二纹理特征的星载5 a r 溢油监测研究 第3 章对s a r 图像做预处理，以a s a r 宽幅模式数据为例，对其做了辐射校 正与几何校正，并通过计算，比较了多种滤波算法在不同计算窗口下的效果，选 定了最适合的滤波方法以及计算窗口。为图像的进一步处理做好准备工作。 第4 章对纹理做了概述，着重介绍了兼顾了像元灰度与像元间关系的灰度共 生矩阵。针对溢油s a r 图像，从方向，步长，计算窗口等方面做了详细数据分析， 探讨了适于监测溢油的灰度共生矩阵参数。通过向量间相关性分析和图像目视判 别，剔除了不易于辨识溢油的特征向量和与其他向量存在信息冗余的特征向量， 提高了数据利用效率。 第5 章首先对遥感图像分类方法做了概述，介绍了监督分类的工作流程和常 用的监督分类方法。之后结合第4 章探讨的纹理信息，分别基于最小距离，最大 似然和支持向量机的方法对溢油s a p , 图像做分类，并分析对比了三种不同分类器 的分类效果。其中，利用支持向量机对溢油分类是新的尝试。 第6 章总结了本文所做工作和溢油s a p , 处理的技术路线，总结了星载s a r 监 测溢油存在的不足，提出了还需要解决的问题。 第2 章s a r 图像监测溢油概述 第2 章s a r 图像监测溢油概述 2 1 s a r 工作原理及监测溢油机理 雷达图像在某些方向同于光学遥感，但存在更多的不同之处。雷达图像的特 点，与雷达传感器与众不同的工作方式相关。 s a r s y n t h e t i ca p e r t u r er a d a r ，合成孔径雷达，是基于合成孔径技术制造的雷 达。合成孔径技术的基本思想是用一个小天线沿一直线方向不断移动，s a r 天线 沿垂直于平台运动方向斜向下进行观测。当遥感平台在匀速的前进运动中，合成 孔径雷达会以一定的时间间隔向地物发射脉冲信号( 即电磁波能量) ；雷达天线在 不同的位置接收地物返回的信号及回波信号的强度和时间延迟，记录并储存，之 后再将这些不同位置上接收的信号合成处理，生成s a r 数据【35 。s a r 因为是主动 式传感器，工作在微波波段，靠相干波侧视成像，因此有特殊的辐射和几何畸变， 在信息形成的机理和提取方面也有别于可见光遥感和红外遥感。 图2 1s a r 工作原理 f i g 2 1p r i n c i p l eo fs a r 面 由s a r 的工作原理知道，s a r 以接收目标的后向散射信号作为探测依据。而 基于纹理特征的星载s a r 溢油监剃4 研究 后向散射信号的强弱与s a r 的系统参数和目标物的散射特性有关，其中包括：雷 达的工作模式、电磁波被长、入射角、极化方式、地域表面的粗糙度、目标物的 复介电常数，散射结构及形状等。对于s a r 海洋遥感来说，在一定的雷达参数 和轨道条件下，海面粗糙度是影响雷达后向散射的主要因素，s a p , 监测溢油正是 基于这一点。 海水表面毛细波的存在增大了海洋表面的粗糙度，使得雷达回波信号较强， 在遥感图像上相应的海面表现为亮色特征，当溢油事故发生时，飘散在海洋表面 的油膜由于粘滞力的作用抑制了海表面毛细波的产生，起到平滑海表面的效果。 油膜的存在，改变了海洋表面张力，对产生b r a g g 散射的海面毛细波和短重力波 起阻尼作用，导致海面粗糙度变小，后向散射回波减少，信号强度变弱m j 。反映 在s a r 图像上，即油膜的图像亮度值低于周围海面特征的亮度值，被油膜覆盖的 海面在雷达图像上表现为暗色斑块特征。其示意图见图22 。 图22s a r 监测溢油原理示意图 f i g22s c h e m a t i c f o r o i ls # l l d e t e c t i o n b y s a r 22 解译溢油时需考虑的因素 目前，在利用s a r 图像监测海洋溢油的系统中，目视解译仍然占据很重要的 八， 第2 章s a r 图像监测溢油概述 地位，目视解译是指科研工作人员根据经验和知识，定性地提取目标的形态、构 造、性质等信息，并对各种信息进行综合分析、比较和判断，从而按照应用的目 的识别图像上的目标。目视解译虽然带有鲜明的解译人员的人为主观因素，但是 确是不可或缺的，目前虽然也有学者研究对溢油的自动检测系统，但或多或少都 带有人为目视解译成分。目视解译有很多方法，如直接判读法，对比分析法，信 息复合法，综合推理法，地理相关分析法等，解译人员会通过一切途径，来辨识 地物，提高图像解译精度。 s a r 图像表现的是被测地物目标对于电磁波的散射特性，反映在图像上最显 著的就是灰度。不同地物在图像上，因后向散射信号强弱不同，有着明暗不同的 灰度，但除了灰度这一因素，对目标地物识别，还需要其他识别特征。简单说， 就是色，形，位。色包括色调、颜色、阴影、反差；形状包括目标物的形状、纹 理、大小；位指地物的空间位置，相关布局等。利用s a r 图像解译溢油时，要同 时考虑色，形，位三种特征【3 8 4 0 】。 色：色调的不同即灰度的不同，s a p , 图像是灰度图像，不像光学图像，色彩 丰富，需要考虑颜色问题。溢油事故发生在海面上，没有高大建筑物阻挡，不存 在s a r 易造成的阴影问题。反差，结合灰度，是s a p , 图像在“色”解译上主要考 虑的方面。 形：灰度基于地物的后向散射，而后向散射信号强弱与多因素有关，不同地 物可能有相近的后向散射系数，继而有相近的灰度，因此，单纯考虑灰度和反差 不足以正确辨识地物，分析地物的形状，及其必要。油膜与假目标会有相近的灰 度，但在大小，纹理和形状上会有差异。大小特征指海面现象的长、宽、面积等， 这一特征与s a p , 图像的分辨率有关。有些假目标通过面积就可以区别，如低风区 和溢油区域在s a r 图像上都表现为灰度较暗，但是低风区面积要大的多。油膜的 纹理比较均匀，边界较清晰，而假目标的纹理则较混乱，且边界模糊。油膜与假 目标有时通过形状也可以区分，但这也跟s a p , 图像的分辨率有关，分辨率越高， 区分越容易。 位：指s a r 图像中目标的位黄以及与其他海洋目标的空间位置匹配关系，同 基于纹理特征的星载s a r 溢油监测研究 时也包含对溢油事故的发生地点，周边地理环境的掌握。了解溢油发生的位置可 以增加溢油正确提取的概率，通常溢油的形状受船舶航行的速度和方向的影响， 船舶通常造成线形的溢油区域，当船改变方向时，溢油带也会随着发生弯曲，如 果黑色区域附近有亮色的目标，是溢油区的概率就大。对一些溢油雷达图像研究 发现，港口附近的船舶都远离海岸附近的黑色区域，不过这些船舶附近都有黑色 块状或线状区域，这就说明海岸附近的黑色区域可能是相似区，船舶附近的黑色 区域才可能是溢油发生区。 23 实验数据介绍 本文选取了监测威望号溢油事故的一景e n v i s a t 一1 卫星的a s a r 数据作为试验 数据。2 0 0 2 年1 1 月1 3 日，巴哈马国籍、具有2 6 年船龄、装载了77 万吨燃料油 的单壳油船“威望号”在从拉脱维亚驶往直布罗陀的途中，遭遇强风暴，与不明 物体发生碰撞，在强风和风暴的作用下失去控制，船体损坏导致燃料油泄漏，在 海面上很快形成一条约2 5 海里宽、2 0 海里长的油带。在风浪作用下，溢油带和 失控油轮向西班牙的加利西亚海岸方向漂移，并在距离海岸九公里处搁浅。到1 1 月1 7 日，西班牙政府为减少污染损失，将“威望”轮向西南方向拖至大西洋海域 沉没时，约有1 7 0 0 0 吨燃料油已经泄漏，溢油严重的污染了加利西亚地区长达4 0 0 公里的海岸线，岸滩上堆积了厚厚一层油污，近岸的河流、小溪和沼泽地带也受 到严重污染【”】。图2 3 是媒体记录的当时威望号溢油与断裂时的图片。 图23 威望号溢油与断裂时的情况 f i g23p i c t u r e s o f p r e s t i g e ”w h e n o i ls p i l lh a p p e n e d 第2 章s a r 图像监涮溢油概述 数据为a s a r w s 宽幅模式数据，采集于2 0 0 2 年1 1 月1 7 日，原始图像见图 2 4 ，图像具体参数见表2 1 。 图24 原始图像 f i g2 4o r i 自n i l w l g e 表2 1 s r 图像基本参数列表 t a b21b a s i c m m e o f a s a r i m a g e 波段 c 右上角经度 - 5 1 7 9 0 3 1 从表2 1 中，w s a s a r 数据的空间分辨率为1 5 0 米，可以耩足对海洋上发生 基丁纹理特征的星载s a r 溢油监测研究 的大范围溢油事故的监测要求。 在图2 2 原始图像中可以清晰的看到海岸和溢油迹象，但是在图像软件中，图 像属性值中记录的是机器值，它不能作为数据进一步处理的有效数值，并且，在 雷达成像过程中，从雷达发射脉冲信号，接收地物反射回波，到向数据接收终端 传送，信号处理成像的过程中，地物的辐射特性和几何特性会发生偏差，不能准 确真实的反映地物原来特性，所以在正式解译分析目标地物前，有必要对雷达数 据进行预处理，进行辐射校正和几何校正，降低图像的辐射误差和几何误差，提 高数据质量。 2 4 使用工具介绍 2 4 1e n v l e n v i ( t h ee n v i r o n m e n tf o rv i s u a l i z i n gi m a g e s ) 是美国i t tv i s u a li n f o r m a t i o n s o l u t i o n s 公司的旗舰产品。它是由著名的遥感领域科学家用交互式数据语言 i d l ( i n t e r a c t i v ed a t al a n g u a g e ) 开发的一套功能强大的遥感图像处理软件，利用它 可以读取、显示、分析各种遥感数据，并提供了从影像预处理、信息提取到与地 理信息系统整合过程中需要的各种工具。它是快速、便捷、准确地从地理空间影 像中提取信息的首届一指的软件解决方案【4 2 1 。利用e n v i 处理图像，有几大优势： 1 e n v i 包含了齐全的遥感图像处理功能，包括数据输入输出、常规影像处理、 几何校正、大气校正及定标、全色数据分析、多光谱数据分析、高光谱数据分 析、雷达数据分析、地形地貌分析、矢量分析、区域分析、三维景观生成、制 图等。 2 e n v i 集成了多种工具，多种算法，有些算法已经很成熟，不需要再进行改进。 科研工作者可以直接利用e n v i 中提供的处理图像的工具，不需要再另行开发， 节省了时间和精力。并且，如果用户需要改进某些算法，e n v i 使用i d l 语言 开发，具有良好的开放性和扩展性，也方便了用户实现自己的想法。 3 e n v i 具有强大的可视化界面，用户可以通过友好的图形用户界面，使用交互 式的点击选择方法对e n v i 提供的所有基础图像处理工具进行访问。同时，可 第2 章s a r 图像监测溢油概述 以直接看到处理后的图像效果。 4 e n v i 交互式的功能可以将基于波段和基于文件的技术组合，便于用户进行图 像处理。同时，通过主图像窗口，缩放窗口，滚动窗口，用户可以方便的使用 d i 提供的各种交互式分析功能。 本文利用e n v i 中提供的滤波、纹理、分类、统计分析等工具，对图像溢油做 辨识提取。 2 4 2b e s t 本文所用实验数据是a s a rw s 数据，在处理过程中使用了欧空局提供的专门 处理a s a r 数据的b e s t 软件。b e s t ( t h eb a s i ce n v i s a ts a rt o o l b o x ) 是一系列 可执行的软件工具的集成，为用户更方便处理e s as a r 数据，但是它并不是对现 有商用数据包的复制集成，而是对它们的有益补充，使这些工具更好的处理从 a s a r 传感器上获得的s a r 数据1 4 3 1 。b e s t 软件依据用户选择的参数来处理图像， 虽然它不提供图像用户可视化功能，但是它设置了与其他商用软件融合的接口， 即可以将处理后的图像转化为t i f f 或者g e o t i f f 格式，在其他商用软件中进行深 度处理。b e s t 包含的功能主要有：数据的输入输出、图像快视、数据转换、重 采样、自动校正、几何校正、辐射校正、统计等。 本文利用b e s t 软件完成了数据的辐射校正与几何校正，将其输出为g e o t i f f 图像，在e v n i 中做进一步处理及分析。 基于纹理特征的星载s a r 溢油监测研究 第3 章s a r 图像预处理 遥感是通过对反映地物电磁波信息的信号处理分析与解译来进行地物识别和 专题研究的。理想的遥感图像是能真实反映地物辐射能量分布和几何特征的图像， 对雷达图像而言，就是能真实反映地物回波，几何特征的图像。但是这种情况在 实际工作中是不存在的，雷达遥感工作原理是通过检测地物反射的回波信号来生 成图像，而回波强度受多因素影响，如地形，下垫面，目标地物在不同环境中反 射回波的强弱程度等，并且，传感器等装置本身也会存在误差，在成像，感测， 传输，及显示等过程中造成图像的降质。多因素的影响，使最后得到的雷达图像 在不同程度上与地物的辐射能量或亮度分布上有所差异，存在畸变。为达到利用 雷达图像更加准确的监测地物的目的，需要在图像处理过程中，全面细致考虑使 雷达图像失真的因素，采用相应的模型，尽可能恢复图像真实样貌，为做进一步 图像处理做好准备。s a r 图像的预处理工作主要包括辐射校正，几何校正，斑点 滤波。 3 1 辐射校正 辐射校正的目的是改正由于天线，发射机接收机性能的衰变造成的接收信号 的误差，和由于环境干扰造成的信号混杂或噪声带来的误差，使图像所反映的信 号在最大限度上真实表现地物目标的回波强度。s a p , 图像的辐射校正主要包括两 部分，对s a p , 回波的校准与定标。其中校准还划分为内部校准和外部校准。内部 校准是为了克服信号获取过程中的系统误差，外部校准是为了解决回波量测过程 中的随机误差。图像经过校准后，