基于散射特征的多波段SAR地物目标变化检测关键技术研究

At present, change detection techniques of synthetic aperture radar (SAR) images are almost to obtain the same area SAR images via a single-band radar sensor at different time and then to extract the change information between them. Because the carrier of a single sensor always has its running period, it cannot satisfy the practical demand, for example, real-time monitoring for all kinds of disaster and real-time perceiving for battlefield. The multi-sensor which has different periods and different bands can form complementation at time interval, so they can reach the continued monitoring effect. But it is not only a new science problem but also a technology difficulty to perform the change detection between multi-band (different band) SAR images. This project will start with the SAR imaging theory and the ground target scattering mechanism, and then study the theory and methods of multi-band SAR target change detection based on scattering characteristics. The main contents include studying the scattering mechanism and the internal relations of multi-band, extracting the scattering characteristics, founding the relation model and the matching model of multi-band scattering characteristics, proposeing the new change detection alghorithm. The bright spots include two aspects. One is to study the new scientific problem; the other is to propose the new idea and methods for SAR image change detection. Research results not only can develop SAR image change detection therory, but also can promote the SAR image understanding and interpretation. Especially, they have very good potential applications in both dynamic monitoring and change information extraction for many fields, such as disaster, environment, ocean, agriculture, city, land and military.

目前，SAR图像变化检测技术基本上是单波段雷达传感器对同区域不同时相之间的变化信息进行提取，由于单传感器载体均有其运行周期，很难满足实际需求，如各种灾害的实时监测、战场的实时感知等。不同周期的不同波段的单传感器在时间间隔上可形成互补，达到连续监视的效果，但多波段（不同波段）SAR图像之间的变化检测是一个新的科学问题和技术难点。本项目将从SAR成像原理及地物目标散射机理入手，开展基于散射特征的多波段SAR目标变化检测关键技术研究。主要内容包括：研究多波段散射机理及内在联系，提取散射特征，建立多波段散射特征关系模型和匹配模型，提出新的变化检测方法。亮点包含两方面：一是研究新的科学问题；二是提出新的变化检测思路和方法。研究成果既能完善SAR图像变化检测理论，又能促进SAR图像的理解和判读，特别在灾害、环境、海洋、农业、城市、土地、军事等领域的动态监测和变化信息提取方面有着非常广泛的应用前景。

合成孔径雷达（SAR）成像具有全天候全天时的独特优势，同时还具有一定的穿透植被和土壤的能力，是一种非常重要的对地观测技术和手段。利用同一区域不同时间获得的遥感图像，可以对该区域的资源和环境，以及地物状态和灾害实施监测，这就是基于遥感图像的变化检测技术。遥感图像中除了辐射分辨率、空间分辨率和光谱分辨率以外，还有时间分辨率。遥感图像的变化检测就是两个不同时间点或一段时间内同目标区域差异信息的获取，也称为动态信息、变化信息或监测信息。为了便于变化信息的提取准确性和精确性，通常要求不同时相的遥感图像是在相同条件下获取。这样要导致遥感图像的时间分辨率比较高，因为每颗卫星都有其运行周期。在各种灾害、战场监测和打击效果评估中，希望时间分辨率越少越好，这样就会产生不同时相的遥感图像会来源于不同的成像传感器，给遥感图像的变化检测带来较大的困难和挑战。特别是不同波段的SAR图像之间的变化检测问题，但这又是遥感图像处理和应用的重要内容和方向，是亟需解决重要科学问题。鉴于此，本项目着眼于“如何有效获取多波段SAR图像间的变化信息”这一关键技术问题,开展了一系列研究，内容包括：地物目标散射机理分析、散射特征提取、SAR图像处理、SAR图像特征增强、SAR目标检测、不同波段SAR图像特性分析和变化检测方法等。在预处理方法的研究中，首先针对SAR图像中的噪声问题，提出了一种统计维纳滤波的方法。然后针对SAR图像目标特征不明显的问题，先后提出了多种基于多尺度几何分析理论和经验模态分解理论的增强方法和特征提取方法。接下来，针对不同波段SAR图像目标的散射特征进行了研究，对同目标不同波段散射特征关系进行了理论和实测探讨。最后，针对“不同波段SAR图像的变化检测”这一关键技术问题，从机理上进行了深入研究，提出了多方向性的变化检测方法，提出了基于区域分割的变化检测方法，提出了基于隐含特征的变化检测方法，提出了基于高阶统计特征的变化检测方法，提出多尺度小波变换和经验模态分解相结合的变化检测方法等。经过实测数据实验验证，表明了上述方法均能有效地获取不同波段SAR图像间的变化信息，还用多波段全极化散射测量系统进行了多次野外实验，对不同波段之间的散射特性进行了深入研究，达到了基金项目的预期要求。