一种基于双极化sar图像的冰雪面积提取方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及积雪面积监测技术领域，具体为一种基于双极化SAR图像的冰雪面积提取方法。
【背景技术】
[0002]冰雪圈的存在影响着地球上的水资源、交通运输、农业生产、社会经济等人类活动的各个方面，对气象的检测和预估也起到了重要的作用。雪盖面积是冰雪圈信息的一个关键量值，它直接反应了水资源循环和气候变化。对于人类而言，雪既可以被认为是资源，同时也可以被作为威胁。一方面，丰富的降雪为水利发电和水资源补给提供了可靠的保障，同时一定程度的降雪对缓解旱情和促进农作物的生长也起到了积极的作用。另一方面，由于气温升高导致的雪融化易产生突发性洪水和雪崩等自然灾害。全球变暖导致的冰川融化是当今世界重点关注的议题，海平面的上升对沿海国家和小岛国家有着极大的威胁，伴随着雪山融化，部分江河流域和地势海拔低地区的洪灾风险增大，农作物生长也会受到影响。另夕卜，近几年在世界各地爆发的极端寒流天气，如2008年伊始我国南方的特大雪灾、2012年冬季欧洲70余年来的最强寒流、2014年初美国的强暴风雪天气等等，都给人类的生命财产造成了巨大的损失。因此，积雪覆盖面积制图在全球气候变化和水资源管理的研究，以及雪灾范围和程度快速准确评估的方面，起到了非常重要的作用。
[0003]早期的积雪检测主要依赖于地面气象台站采集信息，然而这种观测方法受地理位置的限制，对偏远地区和高海拔的冰川雪山无法进行全面的监测。遥感技术是监测积雪面积的有效手段，具有大面积、实时性等优势。光学遥感技术发展比较早，具有高分辨率、多谱段、周期性等优势，针对各国发射的光学遥感卫星，国内外已经有不少学者提出了基于光学遥感的积雪制图方法。但因积雪地区常常伴随着恶劣的气候，有大量云层覆盖，光学遥感成像不免要受到云雨天气的影响。被动微波遥感技术也应用于雪盖信息研究，可用于积雪分布和雪水当量的检测，但因分辨率较低，无法提供精确的测量结果。
[0004]合成孔径雷达(Synthetic Aperture Radar，SAR)属于主动式微波遥感，通过发射微波脉冲信号，传输至地表并被经过散射体反射后，接收回波信号。合成孔径雷达具有全天时、全天候、可变分辨率的优势，由于微波具有穿透云雨的特性，因此SAR成像能够不受积雪地区云层、雾霾等影响。与光学卫星受太阳光的限制不同的是，SAR可以在各个时间段成像，还可以通过调节分辨率进行不同尺度范围的测量。
[0005]但由于冰雪的时空变化较快，如何充分利用单时相SAR数据提取冰雪信息，增强冰雪信息提取的时效性是现有技术需要解决的难题。
【发明内容】
[0006]针对上述问题本发明的目的在于提供一种基于双极化SAR图像的冰雪面积提取方法，以增强SAR图像的冰雪面积信息提取的时效性，技术方案如下:
[0007]—种基于双极化SAR图像的冰雪面积提取方法，包括以下步骤:
[0008]I)在同一检测区获取原始双极化SAR图像，即原始HH极化图像和原始HV极化图像；
[0009]2)获取原始HH极化图像或原始HV极化图像的DEM高程数据图像；
[0010]3)对原始双极化SAR图像进行预处理得到基准SAR图像，即基准HH极化图像和基准HV极化图像；
[0011]4)分别计算出基准HH极化图像和基准HV极化图像中所有像元点的后向散射系数；
[0012]5)根据各像元点的后向散射系数对基准HH极化图像进行二值化处理，得到图像A;
[0013]6)将基准HH极化图像和基准HV极化图像对应像元点的后向散射系数相除得到比值图像，对比值图像进行二值化处理得到图像B;
[0014]7)对图像A和图像B进行逻辑与运算，从而得到湿雪信息图像；
[0015]8)结合所述DEM高程数据图像的信息从湿雪信息图像中提取出包含有湿雪像元点和干雪像元点的冰雪信息图像；
[0016]9)根据冰雪信息图像统计出湿雪像元点和干雪像元点的总个数K，根据每个像元点覆盖的面积m，计算出所有冰雪像元点的总面积，8卩S=m X K。
[0017]进一步的，所述对原始双极化SAR图像进行预处理具体方法为:对原始双极化SAR图像依次进行辐射定标和地理编码。
[00? 8]更进一步的，所述像元点的后向散射系数Mo的计算方法为:Mo = 1logo，单位为db ；其中σ为基准SAR图像中各个象元点的值。
[0019]更进一步的，得到所述图像A的方法具体为:设置后向散射系数阈值Μ，将基准HH极化图像中所有像元点的后向散射系数与阈值M比较，将大于等于M的像元点标记为I，将小于M的像元点标记为O，从而得到图像A;
[0020]得到所述图像B的方法具体为:设置比值阈值N，将基准HH极化图像和基准HV极化图像对应像元点的后向散射系数的比值与阈值N比较，将比值图像中大于等于阈值N的像元点标记为I，小于阈值N的像元点标记为0，从而得到图像B;
[0021]所述湿雪信息图像中标记为I为湿雪像元点。
[0022]更进一步的，所述后向散射系数阈值M的取值为-17;所述比值阈值N的取值为0.2。
[0023]更进一步的，所述提取冰雪信息图像的方法为:
[0024]将湿雪信息图像中nXn的像元点作为一个像元窗口，计算每个像元窗口的湿雪像元点个数k，进而计算得到每个像元窗口的湿雪像元比例:R = k/ (η X η);
[0025]根据所述DEM高程数据图像携带的每个像元点的海拔信息计算出每个像元窗口中像元点的平均海拔H ；
[0026]设置湿雪像元比例阈值Ro和海拔阈值Ho，找出湿雪信息图像中H > Ho且R > Ro的像元窗口，将该像元窗口中的所有像元点标记为2，作为干雪像元点，其余像元窗口保持不变，从而得到冰雪信息图像。
[0027]更进一步的，所述湿雪像元比例阈值Ro取值为10%，所述海拔阈值Ho取值为3900米。
[0028]本发明的有益效果是:本发明通过单时相的SAR图像的幅度特征和极化特征实现了湿雪面积的提取，在此基础上加入DEM海拔信息实现了干雪面积的提取，有效的增强了冰雪面积提取的准确性和时效性。
【附图说明】
[0029]图1为基于双极化SAR图像的冰雪面积提取方法的步骤框图。
[0030]图2-1为待检测区域的原始HH极化图像。
[0031]图2-2为待检测区域的原始HV极化图像。
[0032]图2-3为待检测区域的DEM高程数据图像。
[0033]图3为对原始HH极化图像进行辐射定标和地理编码后的基准HH极化图像。
[0034]图4为对基准HH极化图像进行二值化处理的方法示例图。
[0035]图5为对比值图像进行二值化处理的方法示例图。
[0036]图6获取湿雪信息图像的方法示例图。
[0037]图7待检测区域的湿雪信息图像。
[0038]图8待检测区域的冰雪信息图像。
[0039]图9待检测区域的冰雪覆盖面积图像。
【具体实施方式】
[0040]下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步说明:如图1所示，本发明一种基于双极化SAR图像的冰雪面积提取方法，包括以下步骤:
[0041 ] I)获取原始双极化SAR图像:
[0042]在本实施例中，可以通过ASAR(advanced synthetic aperture radar高级合成孔径雷达)卫星获取C波段在同一检测区获取原始双极化SAR图像，在此原始双极化SAR图像中，包括HH、HV两个极化图像，即同极化图像和交叉极化图像，如图2-1和图2-2所示，此为黑河上游祁连山冰沟流域的两个极化图像，图2-1为原始HH极化图像，图2-2为原始HV极化图像。
[0043]2)获取DEM高程数据图像:
[0044]利用NEST图像处理软件打开原始HH极化图像或原始HV极化图像，利用NEST图像处理软件的图像下载功能获取到原始H H极化图像或原始H V极化图像的D E M (D i g i t a IElevat1n Model数字高程模型)高程数据图像，图2_3为本地区DEM高程数据图像。DEM高程数据图像中携带有每个像元点的海拔信息。
[0045]3)获取基准双极化SAR图像:
[0046]对原始双极化SAR图像进行预处