结合旋转域极化特征的极化SAR地物分类

陶臣嵩 陈思伟 李永祯 肖顺平

陶臣嵩, 陈思伟, 李永祯, 肖顺平. 结合旋转域极化特征的极化SAR地物分类[J]. 雷达学报, 2017, 6(5): 524-532. doi: 10.12000/JR16131
引用本文: 陶臣嵩, 陈思伟, 李永祯, 肖顺平. 结合旋转域极化特征的极化SAR地物分类[J]. 雷达学报, 2017, 6(5): 524-532. doi: 10.12000/JR16131
Tao Chensong, Chen Siwei, Li Yongzhen, Xiao Shunping. Polarimetric SAR Terrain Classification Using Polarimetric Features Derived from Rotation Domain[J]. Journal of Radars, 2017, 6(5): 524-532. doi: 10.12000/JR16131
Citation: Tao Chensong, Chen Siwei, Li Yongzhen, Xiao Shunping. Polarimetric SAR Terrain Classification Using Polarimetric Features Derived from Rotation Domain[J]. Journal of Radars, 2017, 6(5): 524-532. doi: 10.12000/JR16131

结合旋转域极化特征的极化SAR地物分类

doi: 10.12000/JR16131
基金项目: 国家自然科学基金(41301490, 61490692)
详细信息
    作者简介:

    陶臣嵩(1993–),男,广西人,国防科学技术大学电子科学与工程学院在读硕士研究生,主要研究方向为成像雷达极化信息的解译与处理、极化特征的提取与优选等。E-mail: taochensongnudt@163.com

    陈思伟(1984–),男,四川人,博士,国防科学技术大学电子科学与工程学院讲师,主要研究方向包括雷达极化信息处理、成像雷达信息处理、目标散射建模与解译、微波遥感大数据处理与应用、微波遥感环境与灾害应用研究等。E-mail: chenswnudt@163.com

    李永祯(1977–),男,内蒙古人,博士后,国防科学技术大学电子科学与工程学院研究员,电子信息系统复杂电磁环境效应国家重点实验室副主任,主要研究方向为新体制雷达与电子对抗。E-mail: e0061@sina.com

    肖顺平(1964–),男,江西人,博士,国防科学技术大学电子科学与工程学院教授,博士生导师,电子信息系统复杂电磁环境效应国家重点实验室主任,国家高技术863专家,总装备部仿真专业组专家,中国电子学会高级会员,主要研究方向包括雷达极化信息处理、电子信息系统仿真评估技术、雷达目标识别等

    通讯作者:

    陈思伟   chenswnudt@163.com

  • 中图分类号: TN957.52

Polarimetric SAR Terrain Classification Using Polarimetric Features Derived from Rotation Domain

Funds: The National Natural Science Foundation of China (41301490, 61490692)
  • 摘要: 地物分类是极化合成孔径雷达(SAR)图像理解与解译的重要应用方向。利用H/A/α/SPAN等旋转不变特征参数的极化SAR地物分类是一种常用的分类方法。然而,目标的后向散射响应与其方位取向等姿态密切相关,极易引起散射机理的解译模糊,也限制了仅使用旋转不变特征参数作为分类特征集的极化SAR地物分类方法的精度。针对这一问题,有文献提出了在绕雷达视线的旋转域中解译目标散射特性的统一的极化矩阵旋转理论,并导出了一系列旋转域极化特征,刻画目标旋转域隐含信息。基于该理论,该文将旋转域极化特征用于极化SAR地物辨识与分类,并发展了一种结合旋转域极化特征与旋转不变特征H/A/α/SPAN的极化SAR地物分类方法。该方法将优选的旋转域极化特征参数和H/A/α/SPAN作为支持向量机(SVM)分类器的输入,利用两类特征对不同地物类别区分辨识能力的互补,以达到更好的分类性能。对AIRSAR和UAVSAR实测数据的对比实验表明,相较于仅以H/A/α/SPAN作为SVM分类器输入的传统方法,该方法得到更好的分类精度和稳健性。其中,对于AIRSAR数据十五类地物的分类,该方法总体分类精度达到92.3%,优于传统方法的91.1%。此外,对于多时相UAVSAR数据七类地物的分类,该方法平均总体分类精度达到95.72%,显著优于传统方法的87.80%,验证了该方法对多时相数据的稳健性。该文研究进一步证实了通过深入挖掘旋转域中目标极化散射信息能够为极化SAR图像的解译与应用提供新的可行途径。

     

  • 图  1  本文方法具体流程图

    Figure  1.  Flowchart of proposed method

    图  2  AIRSAR数据

    Figure  2.  AIRSAR data

    图  3  AIRSAR数据的分类结果

    Figure  3.  Classification results of AIRSAR data

    图  4  多时相UAVSAR数据滤波后Pauli RGB图

    Figure  4.  Filtered Pauli RGB images of multi-temporal UAVSAR data

    图  5  所用区域的真值图

    Figure  5.  Gound truth of the multi-temporal data

    图  6  传统方法对多时相UAVSAR数据分类结果

    Figure  6.  Classification results of multi-temporal UAVSAR data using conventional method

    图  7  本文方法对多时相UAVSAR数据分类结果

    Figure  7.  Classification results of multi-temporal UAVSAR data using proposed method

    表  1  旋转域极化特征参数[12]

    Table  1.   Polarimetric feature parameters derived from rotation domain[12]

    散射矩阵元素项 $A = \sqrt \bullet $ B $\omega $ ${\theta _0} = \frac{1}{\omega }{\rm{Angle}}\left\{ \bullet \right\}$
    ${\mathop{\rm Re}\nolimits} \left[ {{T_{12}}\left( \theta \right)} \right]$ ${{\mathop{\rm Re}\nolimits} ^2}\left[ {{T_{12}}} \right] + {{\mathop{\rm Re}\nolimits} ^2}\left[ {{T_{13}}} \right]$ 0 2 ${\mathop{\rm Re}\nolimits} \left[ {{T_{13}}} \right] + j{\mathop{\rm Re}\nolimits} \left[ {{T_{12}}} \right]$
    ${\mathop{\rm Re}\nolimits} \left[ {{T_{13}}\left( \theta \right)} \right]$ ${{\mathop{\rm Re}\nolimits} ^2}\left[ {{T_{12}}} \right] + {{\mathop{\rm Re}\nolimits} ^2}\left[ {{T_{13}}} \right]$ 0 2 $ - {\mathop{\rm Re}\nolimits} \left[ {{T_{12}}} \right] + j{\mathop{\rm Re}\nolimits} \left[ {{T_{13}}} \right]$
    ${\mathop{\rm Im}\nolimits} \left[ {{T_{12}}\left( \theta \right)} \right]$ ${{\mathop{\rm Im}\nolimits} ^2}\left[ {{T_{12}}} \right] + {{\mathop{\rm Im}\nolimits} ^2}\left[ {{T_{13}}} \right]$ 0 2 ${\mathop{\rm Im}\nolimits} \left[ {{T_{13}}} \right] + j{\mathop{\rm Im}\nolimits} \left[ {{T_{12}}} \right]$
    ${\mathop{\rm Im}\nolimits} \left[ {{T_{13}}\left( \theta \right)} \right]$ ${{\mathop{\rm Im}\nolimits} ^2}\left[ {{T_{12}}} \right] + {{\mathop{\rm Im}\nolimits} ^2}\left[ {{T_{13}}} \right]$ 0 2 $ - {\mathop{\rm Im}\nolimits} \left[ {{T_{12}}} \right] + j{\mathop{\rm Im}\nolimits} \left[ {{T_{13}}} \right]$
    ${\mathop{\rm Re}\nolimits} \left[ {{T_{23}}\left( \theta \right)} \right]$ $\frac{1}{4}{\left( {{T_{33}} - {T_{22}}} \right)^2} + {\rm R}{{\rm e}^2}\left[ {{T_{23}}} \right]$ 0 4 $\frac{1}{2}\left( {{T_{33}} - {T_{22}}} \right) + j{\mathop{\rm Re}\nolimits} \left[ {{T_{23}}} \right]$
    ${T_{22}}\left( \theta \right)$ $\frac{1}{4}{\left( {{T_{33}} - {T_{22}}} \right)^2} + {\rm R}{{\rm e}^2}\left[ {{T_{23}}} \right]$ $\frac{1}{2}\left( {{T_{22}} + {T_{33}}} \right)$ 4 ${\mathop{\rm Re}\nolimits} \left[ {{T_{23}}} \right] + j\frac{1}{2}\left( {{T_{22}} - {T_{33}}} \right)$
    ${T_{33}}\left( \theta \right)$ $\frac{1}{4}{\left( {{T_{33}} - {T_{22}}} \right)^2} + {\rm R}{{\rm e}^2}\left[ {{T_{23}}} \right]$ $\frac{1}{2}\left( {{T_{22}} + {T_{33}}} \right)$ 4 $ - {\mathop{\rm Re}\nolimits} \left[ {{T_{23}}} \right] + j\frac{1}{2}\left( {{T_{33}} - {T_{22}}} \right)$
    ${\left| {{T_{12}}\left( \theta \right)} \right|^2}$ ${\rm R}{{\rm e}^2}\left[ {{T_{12}}T_{13}^*} \right] + \frac{1}{4}{\left( {{{\left| {{T_{13}}} \right|}^2} - {{\left| {{T_{12}}} \right|}^2}} \right)^2}$ $\frac{1}{2}\left( {{{\left| {{T_{12}}} \right|}^2} + {{\left| {{T_{13}}} \right|}^2}} \right)$ 4 ${\mathop{\rm Re}\nolimits} \left[ {{T_{12}}T_{13}^*} \right] + j\frac{1}{2}\left( {{{\left| {{T_{12}}} \right|}^2} - {{\left| {{T_{13}}} \right|}^2}} \right)$
    ${\left| {{T_{13}}\left( \theta \right)} \right|^2}$ ${\rm R}{{\rm e}^2}\left[ {{T_{12}}T_{13}^*} \right] + \frac{1}{4}{\left( {{{\left| {{T_{13}}} \right|}^2} - {{\left| {{T_{12}}} \right|}^2}} \right)^2}$ $\frac{1}{2}\left( {{{\left| {{T_{12}}} \right|}^2} + {{\left| {{T_{13}}} \right|}^2}} \right)$ 4 $ - {\mathop{\rm Re}\nolimits} \left[ {{T_{12}}T_{13}^*} \right] + j\frac{1}{2}\left( {{{\left| {{T_{13}}} \right|}^2} - {{\left| {{T_{12}}} \right|}^2}} \right)$
    ${\left| {{T_{23}}\left( \theta \right)} \right|^2}$ $\frac{1}{4}{\left\{ {\frac{1}{4}{{\left( {{T_{33}} - {T_{22}}} \right)}^2} + {\rm R}{{\rm e}^2}\left[ {{T_{23}}} \right]} \right\}^2}$ $\begin{array}{l}\frac{1}{2}\left\{ {\frac{1}{4}{{\left( {{T_{33}} - {T_{22}}} \right)}^2} + {\rm R}{{\rm e}^2}\left[ {{T_{23}}} \right]} \right\}\\ + {{\mathop{\rm Im}\nolimits} ^2}\left[ {{T_{23}}} \right]\end{array}$ 8 $\frac{1}{2}\left( {{T_{33}} - {T_{22}}} \right){\rm Re}\left[ {{T_{23}}} \right] \\+ j\frac{1}{2}\left[ {{{{\mathop{\rm Re}\nolimits} }^2}\left[ {{T_{23}}} \right] - \frac{1}{4}{{\left( {{T_{33}} - {T_{22}}} \right)}^2}} \right]$
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    表  2  针对不同极化SAR实测数据的特征优选结果

    Table  2.   Selected features for different PolSAR data

    实测数据 优选所得旋转域极化特征(相应地物类别对的个数)
    AIRSAR ${\theta _{{\rm{null}}}}\_{\mathop{\rm Re}\nolimits} \left[ {{T_{12}}\left( \theta \right)} \right]\left( {18} \right)$, ${\theta _{{\rm{null}}}}\_{\rm Im}\left[ {{T_{12}}\left( \theta \right)} \right]\left( {15} \right)$, ${\theta _{{\rm{null}}}}\_{\mathop{\rm Re}\nolimits} \left[ {{T_{23}}\left( \theta \right)} \right]\left( {71} \right)$, $B\_{T_{33}}\left( \theta \right)\left( {1} \right)$
    UAVSAR 6月17日 ${\theta _{{\rm{null}}}}\_{\mathop{\rm Re}\nolimits} \left[ {{T_{12}}\left( \theta \right)} \right]$(5), ${\theta _{{\rm{null}}}}\_{\rm Im}\left[ {{T_{12}}\left( \theta \right)} \right]$(12), ${\theta _{{\rm{null}}}}\_{\mathop{\rm Re}\nolimits} \left[ {{T_{23}}\left( \theta \right)} \right]$(4)
    6月22日 ${\theta _{{\rm{null}}}}\_{\mathop{\rm Re}\nolimits} \left[ {{T_{12}}\left( \theta \right)} \right]$(5), ${\theta _{{\rm{null}}}}\_{\rm Im}\left[ {{T_{12}}\left( \theta \right)} \right]$(14), ${\theta _{{\rm{null}}}}\_{\mathop{\rm Re}\nolimits} \left[ {{T_{23}}\left( \theta \right)} \right]$(2)
    7月03日 ${\theta _{{\rm{null}}}}\_{\rm Im}\left[ {{T_{12}}\left( \theta \right)} \right]$(3), ${\theta _{{\rm{null}}}}\_{\mathop{\rm Re}\nolimits} \left[ {{T_{23}}\left( \theta \right)} \right]$(18)
    7月17日 ${\theta _{{\rm{null}}}}\_{\mathop{\rm Re}\nolimits} \left[ {{T_{12}}\left( \theta \right)} \right]$(7), ${\theta _{{\rm{null}}}}\_{\rm Im}\left[ {{T_{12}}\left( \theta \right)} \right]$(5), ${\theta _{{\rm{null}}}}\_{\mathop{\rm Re}\nolimits} \left[ {{T_{23}}\left( \theta \right)} \right]$(9)
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    表  3  两种方法所得AIRSAR数据15类地物及总体的分类精度(%)

    Table  3.   Classification accuracy of different terrains in AIRSAR data using two methods (%)

    地物 传统方法 本文方法
    茎豆 97.2 98.0
    豌豆 93.7 96.9
    森林 92.6 93.7
    苜蓿 96.8 96.6
    小麦1 88.7 85.9
    甜菜 93.8 93.8
    土豆 92.6 93.3
    裸地 95.5 87.2
    草地 59.3 77.3
    油菜籽 83.9 88.0
    大麦 92.6 91.5
    小麦2 89.2 89.4
    小麦3 94.3 95.9
    水域 98.0 98.5
    建筑物 84.9 83.2
    总体精度 91.1 92.3
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    表  4  两种方法所得多时相UAVSAR数据7类地物及总体的分类精度 (%)

    Table  4.   The classification accuracy of different terrains in multi-temporal UAVSAR data using two methods (%)

    日期 方法 阔叶林 草料 大豆 玉米 小麦 油菜籽 燕麦 总体
    6月17日 传统 98.47 62.24 92.64 96.12 93.63 91.70 86.37 90.19
    本文 98.49 81.65 96.76 98.19 96.08 92.25 96.32 94.98
    6月22日 传统 98.05 61.38 94.14 97.30 97.89 93.82 77.29 90.75
    本文 97.96 72.60 96.86 98.18 97.07 96.84 95.13 95.12
    7月3日 传统 97.41 54.38 90.45 98.89 68.75 98.81 63.46 80.87
    本文 97.77 76.68 98.12 99.08 96.95 98.93 94.22 95.99
    7月17日 传统 96.86 64.51 97.38 99.78 84.76 92.19 82.98 89.39
    本文 97.27 93.15 99.31 99.58 94.73 99.71 92.16 96.78
    平均 传统 97.70 60.63 93.65 98.02 86.26 94.13 77.53 87.80
    本文 97.87 81.02 97.76 98.76 96.21 96.93 94.46 95.72
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出版历程
  • 收稿日期:  2016-11-30
  • 修回日期:  2017-01-24
  • 网络出版日期:  2017-10-28

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