張建強(qiáng),崔 鵬,葛永剛,向靈芝

(1.中國(guó)科學(xué)院山地災(zāi)害與地表過(guò)程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,中國(guó)科學(xué)院成都山地災(zāi)害與環(huán)境研究所,四川成都 610041;2.中國(guó)科學(xué)院研究生院,北京 100049)

汶川地震發(fā)生后,災(zāi)區(qū)公路交通遭到損毀,遙感成為獲取災(zāi)區(qū)災(zāi)情的重要手段,但由于重災(zāi)區(qū)位于青藏高原的東緣,該區(qū)域降雨較為充沛,光學(xué)遙感受到限制,從而造成部分災(zāi)區(qū)災(zāi)情無(wú)法得到及時(shí)調(diào)查。而雷達(dá)遙感具有全天候、全天時(shí)和大面積成像探測(cè)能力[1],不受天氣、光照等條件的影響,因而可以彌補(bǔ)多雨多云地區(qū)光學(xué)遙感的局限,特別是合成孔徑雷達(dá)(Synthetic Aperture Radar,SAR)已經(jīng)廣泛的應(yīng)用于眾多領(lǐng)域。

城市中建筑物的墻壁與地面構(gòu)成二面或者多面角反射體,造成雷達(dá)波束雙面或多次角反射,且發(fā)射的方向相同或相交,使回波大大增強(qiáng)。同時(shí),建筑物等含金屬結(jié)構(gòu),使物質(zhì)的介電常數(shù)ε增大,產(chǎn)生強(qiáng)烈的雷達(dá)后向散射[2]。因而在雷達(dá)影像上,居民點(diǎn)多呈明顯亮斑,在城鎮(zhèn)中,建筑呈帶狀亮斑,易于識(shí)別。在汶川地震中,由于震動(dòng)或次生山地災(zāi)害的破壞,使得這些建筑倒塌或被掩埋,而在影像上失去其線狀的特征。研究中使用了5月13日的COS MO-Sky Med SAR數(shù)據(jù)、5月17日的Radarsat SAR數(shù)據(jù)進(jìn)行房屋地震受損的研究。

1 圖像預(yù)處理

合成孔徑雷達(dá)圖像在成像機(jī)理和圖像特征等方面與光學(xué)遙感影像均存在顯著的差異,因而雷達(dá)圖像的處理方法與光學(xué)遙感影像也不同,相比光學(xué)遙感影像,雷達(dá)圖像的預(yù)處理更為復(fù)雜。

1.1 天線畸變校正

由于儀器的天線接收陣列,雷達(dá)圖像在距離向上發(fā)生增益變化,即在垂直天線方向產(chǎn)生一定的畸變,通過(guò)查閱數(shù)據(jù)的頭文件可獲取影像的天線畸變的相關(guān)系數(shù),再通過(guò)天線陣列校正函數(shù)消除該畸變,也可通過(guò)統(tǒng)計(jì)計(jì)算雷達(dá)圖像在距離向上的平均變化(圖1),并使用多項(xiàng)式來(lái)擬合平均變量從而移除該增益變化。

1.2 輻射定標(biāo)

雷達(dá)系統(tǒng)輸入的是目標(biāo)回波能量,輸出的是圖像的亮度,輸入量和輸出量之間的關(guān)系被稱(chēng)為傳遞函數(shù)。在數(shù)據(jù)處理中,利用圖像參數(shù)和現(xiàn)成的算法,重新計(jì)算雷達(dá)圖像的亮度值和后向散射系數(shù)σ°[2]。

式中:DN為原始圖像第i行j列像元灰度值;Bij

圖1 天線校正圖

為校正后圖像第i行j列像元灰度值;A0為增益偏移量;Aj為增益比率查找表值。A0和Aj由頭文件給出。

式中:θj為第j個(gè)像元的入射角。

式中:Rt為地球半徑;H為軌道高度;φj為第j個(gè)像元的圓心角;Rj為第j個(gè)像元的斜距。這些參數(shù)均由雷達(dá)圖像的頭文件中查詢(xún)獲取。

1.3 幾何校正

于光學(xué)遙感不同,雷達(dá)圖像上存在著多種幾何畸變,如陰影、疊掩、透視收縮等,因而對(duì)雷達(dá)圖像的幾何校正,多利用數(shù)字地形模型DT M和雷達(dá)成像參數(shù)生成無(wú)畸變的雷達(dá)模擬圖像,在選定控制點(diǎn)進(jìn)行多項(xiàng)式校正。而對(duì)于城市地區(qū),一般城鎮(zhèn)所在區(qū)域地勢(shì)平坦,因而幾何畸變較小,且比較容易尋找控制點(diǎn),因而研究時(shí)根據(jù)震前的光學(xué)遙感影像SPOT尋找控制點(diǎn),進(jìn)而用多項(xiàng)式進(jìn)行幾何校正。

1.4 消除斑點(diǎn)噪聲

雷達(dá)成像過(guò)程中相干處理會(huì)造成斑點(diǎn)噪聲,這是一種與信號(hào)相關(guān)的噪聲,在雷達(dá)影像上呈顆粒狀散布的斑點(diǎn),斑點(diǎn)噪聲會(huì)限制其輻射分辨率,模糊地物的紋理信息,從而影響雷達(dá)影像的解譯,因而需要消除影像的斑點(diǎn)噪聲。在雷達(dá)遙感中,斑點(diǎn)噪音不宜通過(guò)提高信噪比來(lái)改善,而是通過(guò)成像過(guò)程中的多次觀測(cè)技術(shù)或?yàn)V波方法來(lái)壓制噪音[3]。本研究采用濾波的方法,常用的濾波方法有中值濾波、均值濾波等。

2 城鎮(zhèn)倒塌建筑分析

本研究選取都江堰市城區(qū)為研究區(qū),研究采用的數(shù)據(jù)為震前分辨率為2.5 m的SPOT全色波段和震后的COS MO SAR圖像。在SPOT影像中,房屋、公路、橋梁等人工設(shè)施,以及河流,其反射率均較高,在影像上亮度較高,呈白色,而植被等其他地物對(duì)光線的吸收較強(qiáng),因而亮度較低。而在雷達(dá)圖像中,房屋建筑造成雷達(dá)波束雙面或多次角反射,回波能量較強(qiáng),因而其邊緣亮度較高,紋理信息特別豐富,而對(duì)于公路和河流等表面平坦的線性地物,表面光滑,對(duì)微波產(chǎn)生鏡面反射,造成雷達(dá)天線無(wú)法接受到反射信號(hào),因而在圖像上呈現(xiàn)出暗色調(diào),只有當(dāng)微波與其近垂直角入射時(shí),才能顯示出強(qiáng)反射。而位于公路兩旁的金屬路燈,由于其介電常數(shù)ε較大,因而呈現(xiàn)為亮點(diǎn),這在SPOT影像中無(wú)法識(shí)別出。

波段融合是變化檢測(cè)的一種常用的方法。SAR圖像和可見(jiàn)光圖像融合的關(guān)鍵技術(shù)包括:空間配準(zhǔn)、融合算法和融合質(zhì)量評(píng)價(jià)[4]。將震后高分辨率的COS MO SAR數(shù)據(jù)與震前的SPOT數(shù)據(jù)進(jìn)行融合,由于該地區(qū)擁有的SPOT數(shù)據(jù)為2.5 m全色波段影像,無(wú)多波段信息,因而在波段組合時(shí)講COS MO數(shù)據(jù)賦予紅色,SPOT全色波段數(shù)據(jù)重復(fù)賦予藍(lán)色和綠色,疊加和形成彩色信息,從而提高影像的信息量(圖2)。融合后影像基本呈四種顏色,未變化的房屋以及線性地物(道路、房屋等)為淺藍(lán)色,山體呈暗紅色,其他未發(fā)生變化的平原區(qū)域?yàn)榘稻G色,發(fā)生變化的城市區(qū)域呈粉紅色。倒塌的房屋,其規(guī)則的紋理信息消失,疊加后呈粉紅色。由于震前的SPOT影像為2006年數(shù)據(jù),震后影像中增加的新的建筑,因而需要將此數(shù)據(jù)剔除。

融合后圖像的質(zhì)量雖然有明顯的改善,但與自動(dòng)識(shí)別階段相比還有很大的差距[4]。因而對(duì)融合影像的解譯,仍采用人機(jī)交互解譯的方法。在融合的影像中對(duì)顏色進(jìn)行分析,并對(duì)比震前震后的影像,解譯出都江堰城區(qū)倒塌的建筑(圖3)。通過(guò)實(shí)地考察,都江堰中醫(yī)院及建安中學(xué)倒塌建筑,均正確提取。但是,在都江堰城區(qū)裂而未倒的建筑較多,然而這些建筑在雷達(dá)圖像中表現(xiàn)并不明顯。

圖2 都江堰遙感影像融合

圖3 倒塌房屋解譯結(jié)果

3 次生災(zāi)害破壞分析

北川縣城是受汶川地震破壞最為嚴(yán)重的城鎮(zhèn)之一,強(qiáng)烈的地震振動(dòng)及地表破裂使該縣城成為一片廢墟,此外,地震誘發(fā)的崩塌、滑坡、堰塞湖等次生山地災(zāi)害,也是造成北川縣城地震危害的主要原因之一。在RADAR雷達(dá)圖像,由于北川老縣城的房屋受損嚴(yán)重,無(wú)法形成二面角或多面角的反射體,因而圖像上未呈現(xiàn)出明亮的線性特征,但由于仍存在大量的未倒房屋,因而雷達(dá)圖像上仍存在一定的紋理信息(圖4)。但位于縣城西南側(cè)以及東南側(cè),房屋的紋理信息消失,可以推測(cè)出該區(qū)域?yàn)榇紊降貫?zāi)害發(fā)生區(qū)域,將房屋掩埋后,使該區(qū)域失去紋理信息。對(duì)比震后的光學(xué)影像,這兩處均發(fā)生較大的滑坡,分別為王家?guī)r滑坡和景家山滑坡[5]。

圖4 北川縣城震前震后對(duì)比

縣城周邊地形起伏較大,因而雷達(dá)圖像特有的幾何畸變,如透視收縮,疊掩,陰影等廣泛分布,影響影像的解譯。即使用單波段單極化SAR圖像識(shí)別次生山地災(zāi)害難度較大[6]。理論上講,發(fā)生崩塌、滑坡的區(qū)域,由于表面粗糙度的改變,從而影響雷達(dá)回波的強(qiáng)度,但在解譯過(guò)程,這種差異并不明顯。但是可以根據(jù)次生山地災(zāi)害對(duì)河流、道路及房屋等線性特征及紋理的改變,確定其發(fā)生的位置,并通過(guò)對(duì)周?chē)鷧^(qū)域的對(duì)比,確定其發(fā)生的范圍,必要時(shí)可以和震前的光學(xué)影像進(jìn)行對(duì)比。通過(guò)對(duì)雷達(dá)圖像的分析,解譯出造成湔江堵塞的堰塞壩,分別為唐家山滑坡,苦竹壩滑坡和新街村滑坡,而對(duì)縣城造成直接危害的滑坡為王家?guī)r滑坡和景家山滑坡(圖5)。

圖5 北川縣次生山地災(zāi)害解譯

4 結(jié)論

研究使用的合成孔徑雷達(dá)數(shù)據(jù),獲取的時(shí)間分別為2008年5月13日和2008年5月17日,即在汶川地震發(fā)生很短的時(shí)間內(nèi)獲得,具有很強(qiáng)的時(shí)效性。且在地震發(fā)生后,地震災(zāi)區(qū)部分地區(qū)天氣狀況較差,光學(xué)遙感無(wú)法獲取可用的數(shù)據(jù),在地面交通及通訊中斷的條件下,合成孔徑雷達(dá)凸顯其全天時(shí)、全天候及穿透性強(qiáng)的特點(diǎn),彌補(bǔ)這些區(qū)域存在的數(shù)據(jù)盲區(qū)。

根據(jù)城市中建筑物的墻壁與地面構(gòu)成二面或者多面角反射體,從而增強(qiáng)雷達(dá)波束的反射率這一特征,對(duì)通過(guò)對(duì)雷達(dá)圖像的分析,以及對(duì)震前光學(xué)影像的對(duì)比,可以解譯出地震造成的倒塌的房屋。而對(duì)于山區(qū)的城鎮(zhèn),通過(guò)對(duì)建筑紋理,對(duì)河流、道路等線性地物變化狀況的分析,可以解譯出,滑坡等次生山地災(zāi)害的位置和規(guī)模。

當(dāng)然,合成孔徑雷達(dá)數(shù)據(jù)存在一定的不足。首先其目視效果同光學(xué)遙感影像相比,差距較大,由于其成像原理的不同,相似分辨率的合成孔徑雷達(dá)與光學(xué)遙感影像相比,其可識(shí)別性較差。山區(qū)區(qū)域內(nèi)地形起伏造成的雷達(dá)的幾何畸變較大,在進(jìn)行輻射校正和幾何校正后,仍無(wú)法消除這些畸變對(duì)解譯的影響。此外,研究中主要針對(duì)地震造成的房屋倒塌以及較大規(guī)模的崩塌、滑坡對(duì)房屋的破壞,而對(duì)于合成孔徑雷達(dá)圖像對(duì)震裂的房屋,以及對(duì)規(guī)模較小的次生山地災(zāi)害的響應(yīng),并未涉及,因而可針對(duì)雷達(dá)圖像對(duì)造成變化較小的危害的識(shí)別進(jìn)行深入的研究。

致謝:本研究使用的COS MO雷達(dá)數(shù)據(jù)由北京同天視地空間技術(shù)有限公司提供,Radarsat雷達(dá)數(shù)據(jù)來(lái)著中國(guó)科學(xué)院對(duì)地觀測(cè)與數(shù)字地球中心抗震救災(zāi)共享數(shù)據(jù),對(duì)提供以上數(shù)據(jù)的各單位表示感謝。

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[4] 李德軍,趙文杰.基于影像融合技術(shù)的合成孔徑雷達(dá)(SAR)圖像目標(biāo)識(shí)別方法的探討[J].攝像技術(shù),2007(6):40-44.

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