孫亞勇，李小濤，楊鋒杰，黃詩峰

（1.山東科技大學 地質(zhì)科學與信息工程學院，山東 青島 266510；2.中國水利水電科學研究院 遙感技術應用中心，北京 100048）

基于星載SAR數(shù)據(jù)的山區(qū)水體提取方法研究

孫亞勇1，2，李小濤2，楊鋒杰1，黃詩峰2

（1.山東科技大學 地質(zhì)科學與信息工程學院，山東 青島 266510；2.中國水利水電科學研究院 遙感技術應用中心，北京 100048）

具有全天候和全天時監(jiān)測能力的星載SAR已經(jīng)廣泛應用于地表水體信息提取，但是因SAR的成像方式為斜距成像，在山區(qū)影像有顯著的幾何形變，將嚴重影響到影像的幾何定位和水體信息的提取。本文以 Envisat ASAR數(shù)據(jù)為例，探討一種山區(qū)水體信息提取方法，即基于DEM的SAR圖像模擬技術，對圖像精確地正射校正和進一步的對運用雙峰法提取的水體作山體陰影剔除。實驗研究表明，此方法能很好的修正圖像形變、減少山體陰影與水體混淆，提高了水體提取的精度。

SAR；DEM；SAR模擬圖；山體陰影

1 研究背景

洪水災害是重大的自然災害之一，為了最大限度地減輕洪水災害所造成的損失，需要及時地對洪水災害進行監(jiān)測和損失評估，而快速獲取洪水淹沒范圍是洪水災害監(jiān)測和評估的基礎。遙感作為地表水監(jiān)測的一種方法，尤其是合成孔徑雷達監(jiān)測不受白天黑夜以及云霧的限制，成為洪水水體信息獲取的重要手段［1］。但是星載SAR所獲取的是側視圖像，地形起伏引起的幾何變形顯著，在山區(qū)的水體提取中山體陰影與水體混淆，嚴重影響SAR影像的水體信息提取。因此，本文探討了一種山區(qū)水體信息的自動提取方法，即用基于DEM的圖像模擬法對SAR數(shù)據(jù)進行正射校正，并通過SAR模擬圖進行山體陰影剔除。

2 水體提取原理

SAR成像方式為斜距成像，影像會出現(xiàn)特有的透視收縮（Foreshortening）、疊掩（Layover）和陰影（Shadow）等幾何形變現(xiàn)象。一般在平原或地形起伏較小地區(qū)提取的水體圖像的幾何變形較小，可以不考慮地形起伏引起的圖像的幾何形變，而在地形起伏明顯的山區(qū)幾何形變顯著，則會嚴重影響影像信息的定位和識別。通過數(shù)學模型對SAR圖像進行正射校正可以消除地形起伏引起的誤差，通過采用模擬圖陰影去除法可以解決山體陰影所引起的水體錯提問題。技術流程如圖1所示，先對正射校正后的SAR影像進行水體粗提取，然后利用正射糾正后的SAR模擬圖提取山體陰影，最后對山區(qū)水體信息精提取。

2.1 水體提取根據(jù)SAR圖像的輻射特性可知，雷達回波強度由雷達參數(shù)（波長、極化方式、斜視角）、地物形狀、復介電常數(shù)與粗糙度決定。對于特定的SAR系統(tǒng)，雷達參數(shù)是特定的，地表目標的雷達回波強度主要受復介電常數(shù)和粗糙度的影響。SAR圖像用于水體分析時，須主要考慮地表的粗糙度對雷達回波強度的影響。粗糙表面主要是漫反射，后向回波強，圖像成灰色和灰白色。地表水水體粗糙度相對微波波段屬于平滑面，為鏡面反射，后向散射強度弱，圖像成暗色或黑色。水體信息提取就是利用水體的雷達回波強度小的特點?；诤铣煽讖嚼走_的地表水信息提取，主要以單極化數(shù)據(jù)為主，通常采用基于SAR的灰度圖或紋理圖的閾值分割法，把圖像信息劃分為水體和非水體兩類，其中閾值的確定主要有經(jīng)驗法、試驗法、雙峰法、otsu法及數(shù)理統(tǒng)計法等［2-4］。通過以上方法確定劃分水體類與非水體類的閾值T，其提取條件［4］為：

圖1 山區(qū)水體提取流程圖

其中：DN為SAR圖像的像元值，T為閾值。

2.2 圖像正射校正和陰影提?。?）基于SAR模擬圖的圖像正射校正。SAR正射糾正大致分為3種方法：多項式法、共線方程法和 DEM模擬影像法［5-6］。其中多項式法是一種比較傳統(tǒng)的校正方法，選點困難，校正效率低下，在SAR幾何校正中逐漸被摒棄。共線方程法是采用一定的數(shù)學模型，以傳統(tǒng)光學影像的成像特點模擬SAR幾何成像關系的方法，對于SAR處理，算法復雜實現(xiàn)較困難。DEM模擬影像法是從SAR成像的幾何角度去解釋影像，對于 SAR的幾何校正非常適用，因而是SAR幾何校正的常用方法。DEM模擬影像法需要利用SAR成像參數(shù)和DEM資料建立模擬圖像，然后將模擬圖像與真實SAR圖像配準，從而建立真實SAR圖像到DEM坐標的變換公式，使得真實的SAR圖像校正到DEM空間中，最終實現(xiàn)SAR圖像的精確校正［7-9］；（2）SAR圖像陰影提取。雷達陰影，是微波照射地表時，由于背向坡無法獲得雷達波束而產(chǎn)生的，也就是在圖像相應的位置出現(xiàn)暗區(qū)，沒有信息。即使圖像經(jīng)過正射校正，雷達陰影區(qū)的信息也無法得到補償，其后向散射系數(shù)和水體的后向散射系數(shù)仍然接近，使得圖像分割無法有效區(qū)別陰影和水體信息。要從根本上解決這個問題，必須采用高精度DEM數(shù)據(jù)模擬SAR圖像［9］。由SAR模擬圖的經(jīng)驗后向散射模型可知，DEM的SAR模擬圖的后向散射系數(shù)只與局部入射角有關，而局部入射角由地形的坡向、坡度和波束的入射角決定。SAR模擬圖的雷達陰影區(qū)后向散射系數(shù)相比非陰影區(qū)的值略小，模擬圖上表現(xiàn)為暗色區(qū)域。因此，根據(jù)陰影亮度值比較低的特點，可以從模擬SAR圖像中將陰影提取出來。

2.3 水體提取陰影剔除山體陰影和水體的后向散射強度相近，采用閾值分割法提取水體，無法將山體陰影區(qū)分出來。陰影的剔除需要做進一步處理，即通過SAR模擬圖提取山體陰影，然后利用提取的山體陰影來剔除由山體陰影導致的水體錯提部分，從而實現(xiàn)山區(qū)水體信息的準確提取。

3 研究區(qū)和試驗數(shù)據(jù)

本文以洞庭湖及其周圍地區(qū)的水體提取為背景，選擇洞庭湖主體湖區(qū)西南方向的山區(qū)為主要研究區(qū)，開展山區(qū)水體提取方法的分析研究。如圖2所示框中標出部分是主要研究區(qū)的位置。

試驗數(shù)據(jù)選擇Aster的30 m分辨率的DEM高程數(shù)據(jù)和EnviSat ASAR的寬幅式掃描HH極化雷達圖像（Wide Swath Mode Image）。EnviSat屬于極軌對地觀測衛(wèi)星系列之一，星上載有10種探測設備，所載最大設備是先進的合成孔徑雷達（ASAR），其工作在C波段，波長為5.6 cm，成像模式有Image模式、Alternatering Polarisation模式、Wide Swath模式、Global Monitoring模式和Wave模式。對于ASAR的5種成像模式，Wide Swath模式的HH產(chǎn)品一般主要應用在海洋學、海冰范圍監(jiān)測、洪水監(jiān)測等［10］。研究區(qū)的EnviSat ASAR影像數(shù)據(jù)如圖2所示（框中標出部分是后面影像局部圖的位置），圖像文件為升軌左視圖，成像時間為2010年8月30日，經(jīng)過多視處理，其方位向和距離向的分辨率均為75 m，衛(wèi)星的飛行高度為796 km，其側視角范圍為10°～45°，面積范圍為180 km×225 km。

圖2 洞庭湖區(qū)域ASAR原始圖

4 水體信息提取結果及分析

4.1 數(shù)據(jù)處理ASAR圖像是側視圖像，由地形起伏引起的幾何變形顯著，且在洞庭湖周圍山區(qū)的山體陰影與水體混淆，嚴重影響ASAR影像的水體信息提取。故在水體提取前需要對ASAR影像進行地形校正和山體陰影的提取。

4.1.1 正射校正 利用基于DEM和ASAR圖像數(shù)據(jù)的頭文件數(shù)據(jù)（頭文件中的衛(wèi)星軌道數(shù)據(jù)、微波波長λ、斜距向空間分辨率δa、雷達原始圖像的第一行象元成像時間t0、方位向雷達圖像行采樣時間間隔δt、雷達原始圖像第一個地表成像象元斜距R0、斜距和地距的轉換常數(shù)Kr、入射角θ）生成Envi?Sat ASAR圖像的模擬圖，并且通過輻射定標和Refined Lee局部濾波器濾波后的ASAR圖像、模擬圖和DEM圖像建立的數(shù)學關系對ASAR圖像進行正射校正。如圖3是主要研究區(qū)（具體位置在圖2中已框出）的ASAR圖像正射校正的對比顯示結果。從圖3（a）中可以看出ASAR數(shù)據(jù)正射校正前圖像的透視緊縮和疊掩現(xiàn)象特別嚴重。面向微波照射方向山體亮度較高且山體斜面長度被壓縮，甚至出現(xiàn)山頂和山底位置倒置的問題。背向微波照射方向的山體亮度較低且斜面長度被拉伸，甚至部分背向微波照射方向的斜面部分被山體陰影覆蓋。經(jīng)過正射矯正后，圖像對應的幾何變形顯著改善（見圖3（b）），透視緊縮和疊掩現(xiàn)象基本消除，圖像的幾何形狀、位置等得到修正，定位精度得到提高，且圖像的立體感較好。

4.1.2 陰影的提取 采用ASAR圖像的成像參數(shù)和DEM資料創(chuàng)建SAR模擬圖像如圖4，圖中黑色區(qū)域為雷達的陰影部分，多為背離雷達波束的坡面；亮色區(qū)域為回波強度較大的部分，多為面向雷達波束的坡面；淺灰色區(qū)域多為地形起伏比較小的部分。從圖4和圖2可以看出，ASAR圖像模擬圖的幾何特征與真實ASAR圖像相比，圖像模擬非常逼真。然后根據(jù)ASAR圖像的模擬圖和DEM數(shù)據(jù)建立的數(shù)學關系，把ASAR圖像模擬圖校正成正射圖，再把SAR模擬圖的正射圖閾值分割，提取出研究區(qū)的山體陰影如圖5（空間位置在圖4中框出），并且可看出ASAR圖像模擬圖提取的山體陰影和實際情況基本一致。

圖3 ASAR圖像正射校正前后局部對比結果

圖4 ASAR圖像模擬圖

圖5 ASAR模擬圖正射校正后局部陰影提取結果

4.2 水體的提取利用雙峰閾值法自動提取水體，通過直方圖統(tǒng)計ASAR圖像后向散射系數(shù)值分布，將統(tǒng)計圖的峰谷點值作為確定劃分水體類與非水體類的閾值，閾值T=-12.56（db）。

其中：σij0為SAR圖像的后向散射系數(shù)。

山體陰影和水體的后向散射強度相近，由直方圖統(tǒng)計的圖像分布表現(xiàn)出山體陰影和水體信息混淆聚集。閾值法提取的水體，無法把陰影區(qū)分出來，需采用ASAR圖像模擬圖提取的陰影來進一步去除陰影。圖6為主要研究區(qū)（具體位置在圖2中已框出）的提取效果圖。圖6（a）左半部分包含了大量藍色碎斑水體，而這些碎斑水體是由錯提為水體的山體陰影部分構成，這是由于在背向微波照射方向，產(chǎn)生山體陰影，而經(jīng)正射校正后，陰影覆蓋區(qū)的地物信息仍無法補償，且陰影亮度和水體相似，故大量的山體陰影被錯提為水體。圖6（b）是通過由SAR模擬圖提取的山體陰影對自動提取的水體（圖6（a））進一步處理得到的結果?？梢钥闯鰣D6（b）中的絕大部分山體陰影被去除，圖中顯示的藍色水體基本上為真實水體信息。

4.3 精度驗證利用遙感數(shù)據(jù)提取水體時，手動提取法精度最高，假定其在目標區(qū)中提取的水體準確，并以此對自動提取水體進行精度驗證。以主要研究區(qū)為水體提取精度驗證區(qū)，然后把驗證區(qū)中手動提取的水體和自動提取的水體（去除山體陰影后的結果）進行疊加分析，并生成精度驗證的混淆矩陣。其中SAR模擬圖剔除陰影法提取的水體精度檢驗如表1和表2。

圖6 ASAR圖像局部水體提取效果對照結果

表1 驗證區(qū)水體提取結果面積對比

表2 驗證區(qū)水體提取精度

圖7 ASAR圖像水體提取結果

從表1數(shù)據(jù)可以看出，利用雙峰法提取的水體，混淆了較多的山體陰影。這是因為ASAR圖像中山體陰影和水體具有相似的后向散射系數(shù)值，當選擇雙峰的谷點作為分割閾值時，部分陰影歸入水體類的范圍。如果通過人為試驗選擇分割閾值，錯提山體陰影的現(xiàn)象會被抑制，但抑制錯提陰影時，部分水體也被漏提并且仍會出現(xiàn)錯提山體陰影的現(xiàn)象。從表2中可以看出，在山區(qū)中，SAR模擬圖剔除陰影法與手動提取法提取的水體相比精度達到96.32%，表明利用 SAR模擬圖剔除陰影法提取的水體精度非常高。此外，手動提取法會受到對于部分小面積水體漏提以及數(shù)據(jù)質(zhì)量等因素限制，手動提取的水體面積比真實值小。研究區(qū)的分析結果表明，對于ASAR圖像的水體信息提取使用SAR模擬圖剔除陰影的方法，能夠有效地解決山體陰影引起的水體錯提問題。應用基于DEM的SAR圖像模擬技術的水體自動提取方法進行洞庭湖區(qū)域整幅ASAR圖像的水體提取，得到如圖7所示的最終結果，可以看出大面積的水體提取效果較好。

5 結語

在地形起伏變化大的山區(qū)SAR圖像幾何變形顯著，并且利用SAR數(shù)據(jù)進行山區(qū)水體信息自動提取存在山體陰影引起的水體錯提問題。尤其在洪水災害監(jiān)測和評估中，為了將水體與山體陰影區(qū)別開來，常采用目視判讀方法進行SAR圖像上提取洪水水體，但該方法比較費工費時，難以滿足快速獲取洪水水體信息的需要。經(jīng)過試驗表明，本文采用的基于星載SAR山區(qū)水體提取方法，可以實現(xiàn)山區(qū)水體快速自動精確提取。該方法的優(yōu)點為：（1）基于SAR圖像成像原理，利用DEM數(shù)字高程數(shù)據(jù)和SAR成像參數(shù)數(shù)據(jù)如雷達圖像的成像參數(shù)（如：圖像分辨率、衛(wèi)星飛行高度、衛(wèi)星運行軌道方向角、入射角等），進行了SAR圖像模擬，并根據(jù)模擬圖圖像進行SAR數(shù)據(jù)的正射校正，消除了SAR圖像疊掩、透視緊縮等幾何特征對自動提取水體范圍的失真問題。（2）利用SAR模擬圖像提取山體陰影，有效解決閾值法提取水體時誤提山體陰影的問題，提高了雷達圖像山區(qū)水體提取精度。

但本文對于水體的自動提取研究還有不足之處：（1）雖然針對洞庭湖區(qū)域的水體提取結果較好，但山區(qū)不是特別典型，文中提出的水體提取方法優(yōu)勢沒有得到最好展現(xiàn)，如果試驗區(qū)選擇多山地區(qū)的汶川等地，效果更好；（2）本文主要側重于陰影剔除研究，而未分析不同圖像分割法的優(yōu)劣，直接選用了精度較優(yōu)的雙峰法。但雙峰法只適用于統(tǒng)計特征具有雙峰現(xiàn)象的圖像，水體信息提取時，需要目視判讀研究區(qū)內(nèi)的水體分布情況，進行裁剪圖像，以保證圖像具有雙峰的統(tǒng)計特征。

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Study on the mountain water extraction method of the space-borne SAR Image

SUN Ya-yong1，2，LI Xiao-tao2，YANG Feng-jie1，HUANG Shi-feng2
（1.College of Geological Science and Engineering，Shandong University of Science and Technology，Shandong Qingdao 266510，China；2.Remote Sensing Technology Application Center，IWHR，Beijing 100048，China）

The space-borne SAR with all-weather and all-day monitoring ability has been widely used to extract the surface water information，but because of slant-range imaging，the SAR image has the signifi?cant geometric deformation in the mountain areas，which seriously affects the image geometric positioning ac?curacy and water body extraction.Therefore，the article takes the Envisat ASAR image as an example to discusses an extraction method of the mountain water，which is utilizing the SAR image simulation technolo?gy based on DEM to orthorectify images and to further eliminate the hillshade from the water which is ex?tracted by the bimodal method.Finally，the experiment shows that this method perfectly orthorectified the deformation of the image，reduced the hillshade confused with water and improved the accuracy of the wa?ter extraction.

SAR；DEM；SAR simulation image；hillshade

P237

A

10.13244/j.cnki.jiwhr.2014.03.006

1672-3031（2014）03-0258-06

（責任編輯：王成麗）

2013-08-20

高分辨率對地觀測系統(tǒng)重大專項（08-1/30B07-9001-13/15）；水利部公益性行業(yè)科研專項（201001078）

孫亞勇（1988-），男，山東棗莊人，碩士生，主要從事遙感和GIS在洪水災害等方面的應用研究。E-mail：yifei12645@163.com