SAR遥感数据监测土地利用变化的研究_温礼

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
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
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 ３９ 卷 第 ６ 期 ２０１４ 年 ０６ 月
测绘科学 Ｓｃｉｅｎｃｅ ｏｆ Ｓｕｒｖｅｙｉｎｇ ａｎｄ Ｍａｐｐｉｎｇ
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
Ｖｏｌ．３９Ｎｏ．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）
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
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。
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。
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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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 。
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
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％ 。
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。
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。
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
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