SAR遥感数据监测土地利用变化的研究_温礼
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1)多 项 式 法 多项式法 是 一 种 比 较 常 用 的 影 像 校 正 方 法, 它较多地应用于光学影像的几何校正。对于平坦 地区的 SAR 影像, 也 可 以 考 虑 用 多 项 式 方 法 进 行 纠正。多项式纠正法具有简单、适用性广等特点, 但是其缺陷是:多项式纠正法将遥感图像的总体 变形 看 成 是 平 移、 缩 放、 旋 转、 仿 射、 偏 扭、 弯 曲以及更高次的基本变形的组合。对地面相对平 坦的地区,这 种 方 法 具 有 足 够 好 的 纠 正 精 度, 又 由于它计算较为简单,因而它在实践中得到较为 广泛的应用。 2)共 线 方 程 法 这类 方 法 主 要 有 两 种 类 型。第 一 种 类 型 是 F.Leberl等提 出 的 数 学 模 型。 该 模 型 考 虑 了 传 感 器外方位元素中线元素的变化,但未顾及角元素 的变化,因此在 SAR 立 体 图 像 模 型 建 立 后, 存 在 较大的上下 视 差。 第 二 种 类 型 是 G.Konecny 等 提 出的平距投影的雷达图像的数学模型。该模型考 虑了传感 器 外 方 位 元 素 的 变 化 以 及 地 形 起 伏 的 变 化,公式形式与摄影测量中常用的共线方程类似, 便于应用。但是, 该 模 型 忽 视 了 SAR 影 像 侧 视 投 影的特点,只是从传统光学影像成像的特点去解 释,因而只是一种模拟光学影像的处理方法。 3)距 离 -多 普 勒 法 (Range Doppler,RD) 距离-多普勒法从 SAR 成像几何的角度来探讨 像点与物点之间的对应关系。它所依据的原理如 下:在距离向 上, 地 面 目 标 到 雷 达 等 距 离 点 的 分 布,是以星下 点 为 圆 心 的 同 心 圆 束。 而 在 方 位 向 上,卫星与 地 面 目 标 相 对 运 动 所 形 成 的 等 多 普 勒 频移点的分 布, 是 双 曲 线 束。 同 心 圆 束 和 双 曲 线 束的交点,就 可 以 确 定 地 面 目 标。 这 种 算 法 完 全 从 SAR 成像机理出发,和SAR 信号处理过程有机 结合,因而目前大多数均采 用 距 离-多 普 勒(RD)定 位模型的方法,已 经 成 为 通 常 SAR 处 理 器 都 具 备 的标准 SAR 图像产品正射纠正方法。 目前 商 业 软 件 ERDAS(9.3 或 2010)、PCI (10.3)均 支 持 RADARSAT-2 等 高 分 辨 率 卫 星 的 DOM 正 射 制 作。 本 项 目 应 用 ERDAS 和 PCI软 件 对 RADARSAT-2卫星数据进行了多项式纠正和严
要目的是 为 了 解 决 目 前 利 用 光 学 遥 感 数 据 进 行 年
度土地利 用 变 化 监 测 存 在 的 部 分 地 区 数 据 难 以 及
时获取,出现 监 测 盲 区 这 一 主 要 问 题, 以 弥 补 光
学遥感数据缺失地区的土地变化监测工作。
2 RADARSAT-2 数 据 的 正 射 校 正 模 型选取
第6期
温 礼等 SAR 遥感数据监测土地利用变化的研究
67
图 4 多 项 式 模 型 纠 正 影 像 图
图6 上海嘉定地区 RADARSAT-2卫星数据(1m) 多项式纠正示意图
图 7 建 筑 物 套 合 效 果 示 意 图
图 5 距 离 -多 普 勒 模 型 纠 正 影 像 图
为了检验 SAR 图 像 几 何 纠 正 效 果, 选 取 了 一 些不同地类图斑 区 域, 将 SAR 图 像 与 高 分 辨 率 光 学遥感图像进行套合,从套合效果图上可以看出, 套合目视效果发现没有明显偏差,建筑物、道路、 水体、农田 以 及 山 区 微 地 形 地 貌 图 斑 边 界 套 合 均 准确无明显偏差 (见 图 7、 图 8、 图 9、 图 10), 说 明选用 距 离-多 普 勒 模 型 法 对 RADARSAT-2 卫 星 数据进行纠正制 作 DOM, 几 何 纠 正 效 果 良 好, 与 多光谱遥感图像相比无明显差异。
摘 要:本文研究利用 SAR 穿透能力强的优势,解决传统光学遥感数据缺失区 造 成 年 度 土 地 变 更 遥 感 监 测 出 现 盲区的问题。研究结果表明采用距离-多普勒(RD)定位 模 型 法 进 行 几 何 纠 正, 可 以 解 决 SAR 侧 视 成 像 造 成 的 几 何畸变大的问题,增强提取效果和发现土地变化信息;SAR 影 像 的 识 别 能 力 和 精 度 可 满 足 土 地 变 更 遥 感 监 测 要 求,可用于光学遥感数据缺失区年度土地变更遥感监测。 关键词:土地遥感监测;微波遥感;几何纠正;精度评价 【中图分类号】P236;P237.9 【文献标识码】A 【文章编号】1009-2307(2014)06-0065-06
对于 1m 分 辨 率 的 RADARSAT-2 卫 星 数 据, 由 于 成 像 区 域 相 对 较 小, 幅 宽 仅 为 8km×20km, 在地形起伏较小的城市地区,地形起伏所带来的 图像畸变较 小, 可 以 采 用 多 项 式 方 法 纠 正, 以 上 海嘉定地区的 RADARSAT-2卫星影像为例,纠正 控制点误差均在2m 以内,满足土地变化监测 几 何 精 度 要 求 , 见 图 6。
格物理模型的正射处理与分析。 本研究 以 福 建 省 福 州 地 区 作 为 试 验 区, 地 形
起伏大,相对 高 差 在 1000m 左 右。 首 先 选 用 多 项 式方法进行纠 正: 选 取 了 20 个 控 制 点, 纠 正 误 差 为 X 方向上5.04个像 素,Y 方 向 上 3.13 个 像 素, 其中4、7、10号控制 点 误 差 较 大, 主 要 是 受 山 区 地形起伏的影响显著,纠正结果如图2所示。然后 采 用 相 同 的 方 法 选 用 距 离 -多 普 勒 模 型 法 进 行 纠 正 , 纠正结果如图3所示。
合成孔 径 雷 达 (SAR)属 主 动 遥 感, 具 有 独 特 的全天候、全 天 时 数 据 获 取 能 力, 且 具 有 一 定 的 穿透性, 数 据 质 量 几 乎 不 受 云、 雨、 雾 等 气 候 条
作者 简 介: 温 礼 (1977), 男, 在 职 博 士研究生,主 要 从 事 土 地 利 用 遥 感 监 测的研究工作。 E-mail:wli1978@163.com
1 引言
随着第二次全国土地调查工作的成功开展以及 全国土地变更调查新模式的建立,每年一度的全国 土地利用遥感监测体系已经基本形成,要求每年9 月 ~12 月 3 个 月 时 间 内 , 对 全 国 范 围 的 土 地 利 用 变 化情况进行及时监测,监测信息将直接服务于年度 土地变更调查、土地利用违法检查和督察等。目前, 全国土地利用遥感监测主要采用光学遥感影像进行 监测,但是,光学传感器是被动式传感器,不能全 天时、全天候获取 数 据[1];而 且 光 学 传 感 器 所 应 用 的光学电磁波波段穿透能力弱,在我国西南地区以 及某些滨海 地 区, 受 多 云、 多 雨、 多 雾 等 气 候 条 件 影响,更难以及时获取清晰的光学遥感数据。土地利 用动态监测具有很强的时效性,光学遥感数据在特定 时间段难以及时获取这一客观情况,给年度全国土地 变更调查与遥感监测工作获取带来了很大的困难,常 造成年度土地变更遥感监测出现大量监测盲区。
收 稿 日 期 :2012-8-6 基金项目:国土资源大调查专项 通讯作者:汪景宽 教授 E-mail:j-kwang@163.com
件影响。近年来,加拿大
的 RADARSAT-2、 德 国 的 TerraSAR-X 以 及 意 大 利 的 COSMO-SkyMed 等 高分辨率雷达卫星陆续成
功 发 射, 高 分 辨 率 SAR
当需要确切获 取 SAR 影 像 地 物 特 征 的 空 间 位 置信息,并对多时相、多源信息进行综合分析时, 必须对 SAR 影像 进 行 精 确 的 几 何 校 正 处 理。 引 起
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测绘科学
第 39 卷
SAR 影像几 何 变 形 的 因 素 很 多, 其 中 一 些 变 形 可 以通过多项 式 纠 正 方 法 得 到 改 正; 但 是, 因 高 差 引起的变形很难通过一般的多项式纠正方法进行 改正。因此,许多 学 者 提 出 了 用 于 SAR 影 像 纠 正 的方法 。 [5-8] 目前,常用的 SAR 影像纠正方法主 要 有 多 项 式 法 、 共 线 方 程 法 和 距 离 -多 普 勒 法 。
3 RADARSAT-2 发 现 和 提 取 土 地 变 化信息的能力
3.1 土 地 变 化 信 息 识 别 能 力 分 析 以上海 市 嘉 定 区 为 试 验 区, 应 用 时 相 为 2010
年10 月 23 日 1m 分 辨 率 的 RADARSAT-2 数 据,
图 8 道 路 套 合 效 果 示 意 图
SAR 侧视成 像 方 式, 研 究 探 索 适 宜 的 正 射 几 何 纠
正方法,分析利用 RADARSAT-2高分辨率雷达卫 星图像发现、 识 别、 监 测 土 地 利 用 变 化 的 能 力 和
监测精 度;通 过 应 用 实 验 研 究,分 析 评 价 利 用
RADARSAT-2高分辨率雷达数 据 进 行 年 度 土 地 利 用变化监测的技术可行性,技术 流 程 见 图 1。 其 主
图2 福州地区 RADARSAT-2多项式纠正示意图
图3 福州地区 RADARSAT-2距离-多普勒模型法 纠正示意图
对比图4和图5可以看出,两种纠正方法的效 果明显不 同。 多 项 式 纠 正 方 法 基 本 上 是 影 像 的 平 移、缩放和旋 转, 即 使 SAR 侧 视 角 较 大, 在 影 像 的东西两 侧 边 缘 也 没 有 消 除 地 形 起 伏 的 影 响; 而 选用距离-多普勒模 型 纠 正 的 图 像, 可 以 看 到 明 显 的地形起 伏 扭 曲 情 况, 说 明 正 射 纠 正 很 好 地 消 除 了地形起伏产生 的 图 像 畸 变,DOM 制 作 精 度 显 著 提高。DOM 制作精度 的 提 高 是 提 高 变 化 图 斑 监 测 面积精度的基础。
斑亮度低,图 斑 纹 理 反 差 小。 建 设 用 地 与 农 用 地 二者间解译标志清晰,农用地转化为建设用地变 化信息易于识别。
将上海市嘉定区2010年的 SAR 遥感影像图与 2009年 QuickBird及 WORLDVIEW 遥感影像图进 行拉帘式分层交互对比分析,采用人机交互解译 方 法 , 可 发 现 提 取 2010 年 度 新 增 建 设 用 地 图 斑 (见 图11)。 在 嘉 定 区 8km×9km 范 围 内, 共 提 取 了 38块变化图斑,经过11月初 的 外 业 核 实 后, 确 定 其中 有 2 块 图 斑 属 于 伪 变 化。 与 2010 年 8 月 的 THEOS卫星数据相比较,发现漏 提 一 处 图 斑, 发 现 变 化 图 斑 准 确 率 为 36/39=92.3% 。
处理关键技术已成为国际 遥感 技 术 发 展 的 热 点 , [2-4]
随 着 RADARSAT-2 数 据
在我国的正式接收和商业
分 发, 为 应 用 SAR 遥 感 图1 RADARSAT-2卫星
数据进行年度土地利用变 应用于土地动态监测
化监测提供了可能。本文
技术流程图
选取福州市和 上 海 市 嘉 定 区 作 为 实 验 样 区, 针 对
图 9 水 体 、 农 田 套 合 效 果 示 意 图
经几何校正、信息 增 强 处 理 后 制 作 的 SAR 遥 感 影 像图如图7所示。由图7可看出,建设用地图斑呈 高亮度, 图 斑 纹 理 反 差 大, 边 界 清 晰; 农 用 地 图
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测绘科学
第 39 卷
图 10 山 区 地 形 套 合 效 果 示 意 图
第 39 卷 第 6 期 2014 年 06 月
测绘科学 Science of Surveying and Mapping
Vol.Hale Waihona Puke Baidu9No.6 Jun.
SAR 遥感数据监测土地利用变化的研究
温 礼1,2, 程 博3, 柴 渊2, 汪 景 宽1
(1.沈 阳 农 业 大 学 , 沈 阳 110866;2.中 国 土 地 勘 测 规 划 院 , 北 京 100035; 3.中 国 科 学 院 对 地 观 测 与 数 字 地 球 科 学 中 心 , 北 京 100094)
要目的是 为 了 解 决 目 前 利 用 光 学 遥 感 数 据 进 行 年
度土地利 用 变 化 监 测 存 在 的 部 分 地 区 数 据 难 以 及
时获取,出现 监 测 盲 区 这 一 主 要 问 题, 以 弥 补 光
学遥感数据缺失地区的土地变化监测工作。
2 RADARSAT-2 数 据 的 正 射 校 正 模 型选取
第6期
温 礼等 SAR 遥感数据监测土地利用变化的研究
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图 4 多 项 式 模 型 纠 正 影 像 图
图6 上海嘉定地区 RADARSAT-2卫星数据(1m) 多项式纠正示意图
图 7 建 筑 物 套 合 效 果 示 意 图
图 5 距 离 -多 普 勒 模 型 纠 正 影 像 图
为了检验 SAR 图 像 几 何 纠 正 效 果, 选 取 了 一 些不同地类图斑 区 域, 将 SAR 图 像 与 高 分 辨 率 光 学遥感图像进行套合,从套合效果图上可以看出, 套合目视效果发现没有明显偏差,建筑物、道路、 水体、农田 以 及 山 区 微 地 形 地 貌 图 斑 边 界 套 合 均 准确无明显偏差 (见 图 7、 图 8、 图 9、 图 10), 说 明选用 距 离-多 普 勒 模 型 法 对 RADARSAT-2 卫 星 数据进行纠正制 作 DOM, 几 何 纠 正 效 果 良 好, 与 多光谱遥感图像相比无明显差异。
摘 要:本文研究利用 SAR 穿透能力强的优势,解决传统光学遥感数据缺失区 造 成 年 度 土 地 变 更 遥 感 监 测 出 现 盲区的问题。研究结果表明采用距离-多普勒(RD)定位 模 型 法 进 行 几 何 纠 正, 可 以 解 决 SAR 侧 视 成 像 造 成 的 几 何畸变大的问题,增强提取效果和发现土地变化信息;SAR 影 像 的 识 别 能 力 和 精 度 可 满 足 土 地 变 更 遥 感 监 测 要 求,可用于光学遥感数据缺失区年度土地变更遥感监测。 关键词:土地遥感监测;微波遥感;几何纠正;精度评价 【中图分类号】P236;P237.9 【文献标识码】A 【文章编号】1009-2307(2014)06-0065-06
对于 1m 分 辨 率 的 RADARSAT-2 卫 星 数 据, 由 于 成 像 区 域 相 对 较 小, 幅 宽 仅 为 8km×20km, 在地形起伏较小的城市地区,地形起伏所带来的 图像畸变较 小, 可 以 采 用 多 项 式 方 法 纠 正, 以 上 海嘉定地区的 RADARSAT-2卫星影像为例,纠正 控制点误差均在2m 以内,满足土地变化监测 几 何 精 度 要 求 , 见 图 6。
格物理模型的正射处理与分析。 本研究 以 福 建 省 福 州 地 区 作 为 试 验 区, 地 形
起伏大,相对 高 差 在 1000m 左 右。 首 先 选 用 多 项 式方法进行纠 正: 选 取 了 20 个 控 制 点, 纠 正 误 差 为 X 方向上5.04个像 素,Y 方 向 上 3.13 个 像 素, 其中4、7、10号控制 点 误 差 较 大, 主 要 是 受 山 区 地形起伏的影响显著,纠正结果如图2所示。然后 采 用 相 同 的 方 法 选 用 距 离 -多 普 勒 模 型 法 进 行 纠 正 , 纠正结果如图3所示。
合成孔 径 雷 达 (SAR)属 主 动 遥 感, 具 有 独 特 的全天候、全 天 时 数 据 获 取 能 力, 且 具 有 一 定 的 穿透性, 数 据 质 量 几 乎 不 受 云、 雨、 雾 等 气 候 条
作者 简 介: 温 礼 (1977), 男, 在 职 博 士研究生,主 要 从 事 土 地 利 用 遥 感 监 测的研究工作。 E-mail:wli1978@163.com
1 引言
随着第二次全国土地调查工作的成功开展以及 全国土地变更调查新模式的建立,每年一度的全国 土地利用遥感监测体系已经基本形成,要求每年9 月 ~12 月 3 个 月 时 间 内 , 对 全 国 范 围 的 土 地 利 用 变 化情况进行及时监测,监测信息将直接服务于年度 土地变更调查、土地利用违法检查和督察等。目前, 全国土地利用遥感监测主要采用光学遥感影像进行 监测,但是,光学传感器是被动式传感器,不能全 天时、全天候获取 数 据[1];而 且 光 学 传 感 器 所 应 用 的光学电磁波波段穿透能力弱,在我国西南地区以 及某些滨海 地 区, 受 多 云、 多 雨、 多 雾 等 气 候 条 件 影响,更难以及时获取清晰的光学遥感数据。土地利 用动态监测具有很强的时效性,光学遥感数据在特定 时间段难以及时获取这一客观情况,给年度全国土地 变更调查与遥感监测工作获取带来了很大的困难,常 造成年度土地变更遥感监测出现大量监测盲区。
收 稿 日 期 :2012-8-6 基金项目:国土资源大调查专项 通讯作者:汪景宽 教授 E-mail:j-kwang@163.com
件影响。近年来,加拿大
的 RADARSAT-2、 德 国 的 TerraSAR-X 以 及 意 大 利 的 COSMO-SkyMed 等 高分辨率雷达卫星陆续成
功 发 射, 高 分 辨 率 SAR
当需要确切获 取 SAR 影 像 地 物 特 征 的 空 间 位 置信息,并对多时相、多源信息进行综合分析时, 必须对 SAR 影像 进 行 精 确 的 几 何 校 正 处 理。 引 起
66
测绘科学
第 39 卷
SAR 影像几 何 变 形 的 因 素 很 多, 其 中 一 些 变 形 可 以通过多项 式 纠 正 方 法 得 到 改 正; 但 是, 因 高 差 引起的变形很难通过一般的多项式纠正方法进行 改正。因此,许多 学 者 提 出 了 用 于 SAR 影 像 纠 正 的方法 。 [5-8] 目前,常用的 SAR 影像纠正方法主 要 有 多 项 式 法 、 共 线 方 程 法 和 距 离 -多 普 勒 法 。
3 RADARSAT-2 发 现 和 提 取 土 地 变 化信息的能力
3.1 土 地 变 化 信 息 识 别 能 力 分 析 以上海 市 嘉 定 区 为 试 验 区, 应 用 时 相 为 2010
年10 月 23 日 1m 分 辨 率 的 RADARSAT-2 数 据,
图 8 道 路 套 合 效 果 示 意 图
SAR 侧视成 像 方 式, 研 究 探 索 适 宜 的 正 射 几 何 纠
正方法,分析利用 RADARSAT-2高分辨率雷达卫 星图像发现、 识 别、 监 测 土 地 利 用 变 化 的 能 力 和
监测精 度;通 过 应 用 实 验 研 究,分 析 评 价 利 用
RADARSAT-2高分辨率雷达数 据 进 行 年 度 土 地 利 用变化监测的技术可行性,技术 流 程 见 图 1。 其 主
图2 福州地区 RADARSAT-2多项式纠正示意图
图3 福州地区 RADARSAT-2距离-多普勒模型法 纠正示意图
对比图4和图5可以看出,两种纠正方法的效 果明显不 同。 多 项 式 纠 正 方 法 基 本 上 是 影 像 的 平 移、缩放和旋 转, 即 使 SAR 侧 视 角 较 大, 在 影 像 的东西两 侧 边 缘 也 没 有 消 除 地 形 起 伏 的 影 响; 而 选用距离-多普勒模 型 纠 正 的 图 像, 可 以 看 到 明 显 的地形起 伏 扭 曲 情 况, 说 明 正 射 纠 正 很 好 地 消 除 了地形起伏产生 的 图 像 畸 变,DOM 制 作 精 度 显 著 提高。DOM 制作精度 的 提 高 是 提 高 变 化 图 斑 监 测 面积精度的基础。
斑亮度低,图 斑 纹 理 反 差 小。 建 设 用 地 与 农 用 地 二者间解译标志清晰,农用地转化为建设用地变 化信息易于识别。
将上海市嘉定区2010年的 SAR 遥感影像图与 2009年 QuickBird及 WORLDVIEW 遥感影像图进 行拉帘式分层交互对比分析,采用人机交互解译 方 法 , 可 发 现 提 取 2010 年 度 新 增 建 设 用 地 图 斑 (见 图11)。 在 嘉 定 区 8km×9km 范 围 内, 共 提 取 了 38块变化图斑,经过11月初 的 外 业 核 实 后, 确 定 其中 有 2 块 图 斑 属 于 伪 变 化。 与 2010 年 8 月 的 THEOS卫星数据相比较,发现漏 提 一 处 图 斑, 发 现 变 化 图 斑 准 确 率 为 36/39=92.3% 。
处理关键技术已成为国际 遥感 技 术 发 展 的 热 点 , [2-4]
随 着 RADARSAT-2 数 据
在我国的正式接收和商业
分 发, 为 应 用 SAR 遥 感 图1 RADARSAT-2卫星
数据进行年度土地利用变 应用于土地动态监测
化监测提供了可能。本文
技术流程图
选取福州市和 上 海 市 嘉 定 区 作 为 实 验 样 区, 针 对
图 9 水 体 、 农 田 套 合 效 果 示 意 图
经几何校正、信息 增 强 处 理 后 制 作 的 SAR 遥 感 影 像图如图7所示。由图7可看出,建设用地图斑呈 高亮度, 图 斑 纹 理 反 差 大, 边 界 清 晰; 农 用 地 图
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测绘科学
第 39 卷
图 10 山 区 地 形 套 合 效 果 示 意 图
第 39 卷 第 6 期 2014 年 06 月
测绘科学 Science of Surveying and Mapping
Vol.Hale Waihona Puke Baidu9No.6 Jun.
SAR 遥感数据监测土地利用变化的研究
温 礼1,2, 程 博3, 柴 渊2, 汪 景 宽1
(1.沈 阳 农 业 大 学 , 沈 阳 110866;2.中 国 土 地 勘 测 规 划 院 , 北 京 100035; 3.中 国 科 学 院 对 地 观 测 与 数 字 地 球 科 学 中 心 , 北 京 100094)