基于地基雷达图像的无监督变化检测

黄平平 任慧芳 谭维贤 段盈宏 徐伟 刘方

黄平平, 任慧芳, 谭维贤, 等. 基于地基雷达图像的无监督变化检测[J]. 雷达学报, 2020, 9(3): 514–524. doi: 10.12000/JR20004
引用本文: 黄平平, 任慧芳, 谭维贤, 等. 基于地基雷达图像的无监督变化检测[J]. 雷达学报, 2020, 9(3): 514–524. doi: 10.12000/JR20004
HUANG Pingping, REN Huifang, TAN Weixian, et al. Unsupervised change detection using ground-based radar image[J]. Journal of Radars, 2020, 9(3): 514–524. doi: 10.12000/JR20004
Citation: HUANG Pingping, REN Huifang, TAN Weixian, et al. Unsupervised change detection using ground-based radar image[J]. Journal of Radars, 2020, 9(3): 514–524. doi: 10.12000/JR20004

基于地基雷达图像的无监督变化检测

doi: 10.12000/JR20004
基金项目: 国家自然科学基金重点项目(61631011),内蒙古自治区财政厅创新引导项目(KCBJ2017, KCBJ2018014),内蒙古自治区科技重大专项和科技计划项目,装备预研领域基金一般领域基金(JZX7Y20190253040901, JZX7Y20190253041401)
详细信息
    作者简介:

    黄平平(1978–),男,山东海阳人,博士,教授,2010年获中国科学院电子学研究所博士学位,现任内蒙古工业大学信息工程学院副院长,自治区雷达技术与应用重点实验室主任,“草原英才”创新团队负责人,全国“工人先锋号”负责人。兼任中央军委装备发展部某专家组成员、中国电子学会信号处理分会委员、中国电子教育学会研究生教育分会理事。获自治区优秀共产党员、自治区五一劳动奖章、自治区青年科技奖、自治区自然科学一等奖、自治区科技进步一等奖等荣誉与奖励。入选国家“百千万人才工程”、自治区突出贡献专家、自治区“草原英才”、自治区自然科学杰出青年、高等学校青年科技英才等人才工程。近几年,共主持国家级项目8项,其他各类科研项目20余项,获得授权国家发明专利30余项,发表学术论文130余篇。主要从事结合国家重大需求及内蒙古自治区经济发展需求,新体制雷达系统设计、雷达信号处理和微波遥感应用等方面的研究。E-mail: hpp@imut.edu.cn

    任慧芳(1992–),女,内蒙古呼和浩特人,现于内蒙古工业大学信息工程学院雷达技术与应用重点实验室攻读硕士学位,主要研究方向为微变监测雷达和遥感图像变化检测。E-mail: Rhf_412922@163.com

    谭维贤(1981–),男,湖北恩施人,博士,教授,硕士生导师,2009年获中国科学院电子学研究所工学博士学位,2015年至今,内蒙古工业大学雷达技术研究所、内蒙古自治区雷达技术与应用重点实验室任教。入选内蒙古自治区“草原英才”工程,主要从事结合国家重大需求及内蒙古自治区经济发展需求,雷达系统技术、微变监测雷达、雷达信号处理和微波遥感等方面的研究。E-mail: wxtan@imut.edu.cn

    通讯作者:

    黄平平 hpp@imut.edu.cn

  • 责任主编:王彦平 Corresponding Editor: WANG Yanping
  • 中图分类号: TP753

Unsupervised Change Detection Using Ground-based Radar Image

Funds: The Key Projects of National Natural Science Foundation of China (61631011), The Innovation Guidance Project of Finance Department of Inner Mongolia Autonomous Region (KCBJ2017, KCBJ2018014), The Major Science and Technology Projects and Science and Technology Programs of Inner Mongolia Autonomous Region, Equipment Pre-research Field Fund General Field Fund (JZX7Y20190253040901, JZX7Y20190253041401)
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  • 摘要: 地基雷达是近20几年逐渐发展成熟的微波遥感成像技术,目前已广泛应用于滑坡、崩塌等地质灾害的监测中。地基雷达通过干涉测量原理可以监测到目标区域发生的微小形变,然而受人为因素、地质因素、气象因素等影响,导致雷达图像失相干严重,给长期定量化监测带来较大的难度。因此,迫切需要在定量监测的基础上,进一步开展变化检测方面的应用,为长期全面了解监测区域的动态变化提供有效信息。针对上述问题,该文提出了一种基于改进的模糊C均值聚类(FCM)算法对地基雷达图像进行无监督变化检测,该方法首次利用相干系数图和均值对数比值图进行非下采样轮廓波变换(NSCT)和局部能量法得到合成差异图,然后利用主成分分析(PCA)提取合成差异图中每个像素的特征向量,根据地基雷达图像特点对FCM进行改进,通过改进的FCM对每个像素的特征向量进行聚类得到最终的变化检测结果。利用地基雷达LSA对中国西南某省出现的堰塞体的治理过程进行监测,获取监测区域的地基雷达图像,监测过程中受降水等影响监测体出现滑坡,使用该文方法对其进行变化检测,结果表明该文方法更容易进行聚类分割,变化检测结果在保留变化区域的同时噪声点明显减少。

     

  • 图  1  地基雷达图像无监督变化检测流程图

    Figure  1.  Flow chart for unsupervised change detection based on ground-based radar image

    图  2  监测现场图

    Figure  2.  Monitoring site images

    图  3  实验数据

    Figure  3.  Experimental data

    图  4  初始差异图

    Figure  4.  Initial difference images

    图  5  差异图对比

    Figure  5.  Difference images comparison

    图  6  聚类结果对比

    Figure  6.  Clustering result comparison

    图  7  监测现场光学图

    Figure  7.  Optical image of monitoring site

    图  8  变化检测结果与地形3维数据融合图

    Figure  8.  Effect of fusion of change detection results and UAV tilt photography

    表  1  改进的FCM算法计算步骤

    Table  1.   Improved FCM algorithm calculation steps

     算法:改进的FCM算法计算步骤
     输入:融合差异图每个像素的特征向量${{ Y}_\eta }$
     (1) 初始化隶属度$u$,满足式(10);
     (2) 通过式(12)计算聚类中${C_i}$
     (3) 根据式(17)计算目标函数$J$
     (4) 迭代计算:当迭代次数$ \le q$时,
        根据式(18)更新隶属度矩阵,返回步骤(2)继续执行
        当迭代次数$ > q$时,
        停止迭代;
     输出:隶属度矩阵${{ u}_{\eta 1} }$${{ u}_{\eta 2} }$
    下载: 导出CSV

    表  2  地基雷达LSA系统参数

    Table  2.   Ground-based radar LSA system parameters

    参数数值参数数值
    频率范围16.5~17.5 GHz监测范围(方位向)60°× 30°
    形变监测精度0.1 mm脉冲重复频率优于500 Hz
    作用距离5 km位移观测周期240~600 s
    图像分辨率0.3 m × 0.0054 rad供电电源AC 220 V/DC 24 V
    设备总重$ \le 150\;{\rm{kg} }$工作温度–30~ 50 ℃
    下载: 导出CSV
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出版历程
  • 收稿日期:  2020-01-11
  • 修回日期:  2020-03-22
  • 网络出版日期:  2020-06-01

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