基于全极化SAR数据森林植被分类研究

学术型硕士生学位论文开题报告题目：基于全极化SAR数据森林植被分类研究学号：姓名：学科专业：研究方向：导师姓名：职称：报告主持人：报告日期：选题基本情况（√）本研究题目为：1. 导师课题的一部分( √)；2. 委培单位的课题( )；3. 其它（须具体说明）。

选题分类（√）1. 基础研究( )2. 应用研究( √)3. 综合研究( )4. 其他( )选题来源（√）1. 973、863项目( )2. 国家社科规划、基金项目( √)3. 教育部人文、社会科学研究项目( )4. 国家自然科学基金项目( )5. 中央、国家各部门项目( )6. 省（自治区、直辖市）项目( )7. 国际合作研究项目( )8. 与港、澳、台合作研究项目（）9. 企、事业单位委托项目（）10. 外资项目（）11. 学校自选项目（）12. 国防项目（）13. 非立项（）14. 其他（）一、立题依据1.选题的理论和实践意义森林是陆地上面积最大、分布最广、组成结构最复杂、物质资源最丰富的生态系统,也是自然界功能最完善的资源库、生物基因库和水、碳、养分及能源储存调节库。

在生物圈的物质和能量循环里,通过光合作用,森林能吸收二氧化碳(CO2),并提供碳水化合物和氧气;森林还能缓冲风沙的作用,防止土地沙化,减少土壤流失,降低滑坡风险,对雨水的缓慢渗透能改善水质,缓冲地表过度径流;对辐射能的吸收作用使得森林在热带能起到缓解极度高温的作用,在寒带能增加冰雪解冻的速度;另外,森林在保持生物多样方面,也有重要的作用,全球约 40%的植物分布的热带雨林对改善生态环境,维护生态平衡具有不可替代的作用。

极化合成孔径雷达(SAR--Synthetic ApertureRadar)是一种高分辨率微波成像系统，它可进行全天候对地观测，不受云层、天气和昼夜的影响获取地面目标进行大面积成像。

极化合成孔径雷达( PolSAR)目标分解建立在传统SAR 体制上的新型 SAR 体制雷达，POLSAR极化合成孔径雷达在不同收发极化组合下，测量地物目标的极化散射特性同一般单极化SAR相比的显著优势是它能获得目标的全极化散射特性，而目标的全极化散射特性又与目标本身的形状结构、物理属性之间有着本质的联系。

PolSAR 利用不同极化通道获取复图像来区分物体的细致结构、目标指向、目标均衡性以及物质组成等参数, 并进而提取地物信息，在采集地表或地面覆盖物的物理和电磁结构信息的应用中起着越来越重要的作用。

极化SAR的出现，扩大了SAR系统的应用范围极化SAR图像包含了更加丰富的地物信息，利用这些信息，可以带来更好的SAR图像处理效果。

而现有极化SAR图像分类方法对极化信息发掘还不够，充分发掘和利用这些极化信息，可以更好的确定和理解目标散射机理，从而带来更好的SAR图像分类结果，为森林的估测提供了精度。

本研究以滇宜良花园林场为研究区，采用德国Terra-X/TanDEM-X卫星获取的全极化数据为信息源，研究极化微波数据在森林分类中的潜能和分类技术方法。

2.文献综述（国内外本研究领域的发展现状、趋势及问题等，并附参考文献）1、极化SAR图像分类国内外研究现状：1951 年 6 月美国 Goodyear 宇航公司的 Carl Wiley 等人首次提出了“多普勒波束锐化”的思想，并第一次提出了合成孔径雷达的概念。

第一个实用化的 SAR系统于 1952 年研制成功，并与 1953 年 7 月获得了第一张 X 波段相干雷达的非聚焦SAR 影像。

第一部真正意义的机载 PolSAR 系统是美国 JPL 试验室于 1985年研制出的 JPL/CV-900，它开创了极化成像雷达研究的新纪元。

随着极化雷达成像技术的飞速发展，以及各国对 PolSAR 重视程度的提高，PolSAR 迅速成为 SAR 发展的主流方向之一，许多国家投入力量进行 PolSAR 研制，多个搭载在航天飞机和卫星上的 PolSAR 系统已相继出现。

目前世界各国己投入使用的机载极SAR系统主要有美国宇航局一部实用的极化SAR系统并获得了一批极化测量数据之后，极化测量开始从理论走入实际遥感，并掀起了一股极化SAR数据处理的热潮[1]。

极化SAR图像分类技术有着重要的应用，既可以作为后续目标判读与识别的依据，也可以作为结果直接输出。

作为后续目标判读与识别的依据时，主要是在军事领域的应用，如对导弹阵地、潜艇、飞机以及坦克等目标的识别，这要求极化SAR图像具有很高的分辨率，并且包含此类目标的极化SAR图像也很少公开。

极化SAR图像分类结果直接输出时，主要是在民用领域的应用，如农作物普查、灾情预报以及环境监测等方面，以2008年5月12日四川汶川大地震为例，在交通、通讯全部中断的情况下，外界根本无法得知震区的具体情况，此时通过对比地震前后该地区的极化SAR图像分类图，可以明显的获取地震的有关情况，为下一步的救援工作提供重要的帮助，极化SAR作为一种先进的探测手段发挥了重要作用。

1988年，美国麻省理工学院(MIT)著名电磁理论专家孔金瓯(Jin—AuKong)教授领导的研究小组首先利用极化SAR数据对地物进行分类。

随后，许多国家的大量科研机构和人员都陆续投入到极化SAR图像分类的探索和研究之中[2]。

极化SAR 是一种先进的遥感信息获取手段，完整地记录了地物在 HH、HV、VH 和 VV 四种极化状态下的散射回波。

美、英、法等国家在该领域的研究处于国际领先地位，其中包括美国海军研究实验室（NRL）遥感部 Lee 等人，加州理工学院喷气推进实验室（JPL）Zyl 等人；英国学者 Cloude 等人；法国雷恩（Rennes）大学图像与遥感系 Pottier 等人；加拿大遥感中心（CCRS）Touzi等人；日本国家空间发展署地球观测研究中心及日本Niigata 大学等都有着丰硕的研究。

PolSAR 传感器的不断改进与发展，基于 PolSAR 数据统计特性、目标散射特征以及新型 SAR 分类方法不断出现，并在土地覆盖分类方面得到了广泛应用，成为雷达PolSAR图像分类的热点。

常用的 PolSAR 分类方法可分为三大类，一是基于纯数据驱动（统计特性）方法；二是基于散射机制的图像分类；三是基于知识的图像分类，该方法考虑到了统计特性和物理散射机制，可得到较好的分类结果[3]，能提供更多的地物信息和分类特征，为雷达图像分类的研究与应用注入了新的活力。

1.1国内研究现状：我国对 SAR 技术的研究起步较晚，开始于 20 世纪 70 年代的后期。

第一部机载多极化合成孔径雷达样机由中科院电子所于 1987 年研制成功。

在此后的 20年多年里，经过我国科研人员的不懈努力，我国 SAR 技术的研究也取得了重大进展。

1994 年，成功研制出了 X 波段、多极化、多通道机载 SAR 系统，获取了我国第一批机载 SAR 实时数字影像，并且于 2003 年同马来西亚签订了机载L-SAR 的出口合同，实现了我国合成孔径雷达走向国际舞台的历史性跨越。

中科院电子所、电子科技集团第 14 所和第 38 所以及航空航天 607 所等单位都分别研制了机载 SAR 系统，获取了大量的SAR 数据。

目前国内机载 SAR 正在进一步向工程化和实用化方向发展。

2010 年由中国测绘科学研究院牵头成功研制的机载多波段多极化干涉 SAR 测图系统 SARMapper，已具有实际运行能力，可以实现X波段干涉SAR测图和P波段极化SAR测图，精度可达到1:10,000、1:50,000地形图要求。

同时，星载 SAR 方面的研究也已取得了一定的成果。

电子科技集团第 38 研究所目前已成功研制 S 波段多极化星载 SAR 系统，该系统具有高分辨率、全极化的特点。

另外，加上可在我国境内接收与公开发布的 SAR 数据，我国已具备为 SAR 的地面实际应用提供大量数据的能力。

目前，我国已成功研制了自己的机载和星载SAR系统，获得的大量实测数据为SAR 图像解译技术研究提供了十分便利的条件。

继单频单极化SAR系统之后，二代SAR系统将为多频多(全)极化SAR系统，可以“同时"获取地物在不同频段及收发天线不同极化组合下的回波响应，可以更全面准确地探测目标特征。

面对国际上SAR新系统和新理论的飞速发展挑战，并满足国内遥感技术日益迫切的需求，植被信息遥感探测是我国林业科学技术发展规划的重要内容。

在国内,森林遥感的研究也是“龙计划”的重要组成部分(http://dragon2.esa.int/)。

各种机载、星载 SAR 和相应的实验数据被广泛地用于森林遥感研究,特别是森林覆盖面积[5]及其变化检测方面[6]。

针对新发射的卫星(ALOS PALSAR),一些学者对其在森林遥感中的应用进行了积极地探索[7]。

许多单位也在进行这一方向的研究，走在前列的有清华大学电子工程系杨健等人；中科院电子所杨汝良等人、遥感与数字地球所郭华东、李新武等人；复旦大学波等人；中科院电子所杨汝良等人、遥感与数字地球所郭华东、李新武等人；复旦大学波复旦大学波散射与遥感信息国家重点实验室金亚秋等人；中国林科院资源信息所陈尔学等人；武汉大学遥感与测绘国家重点实验室以及香港中文大学等单位。

在前人研究的基础上，杨震等人用实验验证了PolSAR 非监督分类方法，同时考虑单幅影像的全极化信息以及两幅像对之间的相干信息，很好地区分了不同地物，并可保持地物细节，与极化非监督Wishart 分类相比，有了很大的改善[8]；周梅等人总结了目前 PolInSAR 技术的应用现状，在详细介绍国外ALOS PALSAR、TerraSAR-X 和 RADARSAT-2 三个典型星载系统的基础上，分析了PolInSAR 技术的应用前景[9]；马立虎等人总结了现有极化干涉分类算法在阈值选择方面存在的不足，提出基于软阈值方法的改进非监督分类算法，并用实验证明了该方法能得到更好的分类结果[10]；Luo 等人将模糊技术引入到 PolInSAR 分类中，用于区分森林类型，并和常用的 K-means Wishart 分类器进行了比较，得到了一定的分类效果[11]。

积极开展新兴的极化干涉SAR遥感技术研究具有深远的科学意义和应用价值[12]。

1.2国外研究现状：20世纪80年代密歇根环境研究所（ERMI）和美国国家航空航天局喷气推进实验室（JPL）研制出1.25GHz和8GHz多极化合成孔径雷达。

1978年6月27日JPL发射了再有SAR的海洋卫星，标志着合成孔径雷达已成功进入太空对地观测的新时代。

PolSAR 系统最早应用于 20 世纪 80 年代末,在气象方面，1960年4月，世界上首颗气象卫星（TIROS-1）在美国发射升空；在海洋遥感方面，1978年NASA发射的海洋卫星上搭载的SASS微波散射计是具有四根天线的扇形波速散射计，双极化。