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极化干涉SAR信息提取方法及其应用研究

作　者: 李新武
导　师: 郭华东；廖静娟；王长林
学　校: 中国科学院研究生院（遥感应用研究所）
专　业: 地图学与地理信息系统
关键词: 合成孔径雷达干涉 差分干涉 极化干涉 相干最优过程 最优相干特性分析 数字高程模型 参数反演 模拟加温－退火算法 二进小波 多尺度边缘探测 相位解绕 梯度矢量流活动等高线 地物识别和分类 FFT功率谱 初始基线估计
分类号: P225
类　型: 博士论文
年　份: 2002年
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内容摘要


干涉雷达是基于雷达对同一区域采用不同视角成像得到的两幅雷达图像组合而建立的一门技术，主要利用了雷达信号的相位信息。它已广泛的应用于地形成图和地表形变探测，近几年来，它也被用作提取地表物理参数的一种重要的工具。极化干涉雷达技术是一种将极化和干涉雷达技术集成为一体的技术。雷达干涉主要对散射体的空间分布和高度敏感，雷达极化主要对散射体的形状和方向敏感，因此极化干涉雷达对有方向散射体的分布敏感，它已被用于反演地表植被参数，特别是森林的高度参数。极化干涉雷达是雷达遥感研究的前沿之一。本文基于ERS-1／2和SIR-C／X-SAR数据，对有关干涉和极化干涉信息提取及应用课题进行了广泛的研究，特别是首次对极化干涉雷达的基础理论进行了比较深入的论述，对极化干涉信息提取和应用进行了开拓性的发展，并取得了一些创新性成果，主要创新点包括： 1．在地表植被覆盖丰富的区域，常规干涉通过公共谱段滤波不能消除一个分辨率单元内由于散射中心高度差引起的去相干，而极化干涉相干最优过程能有效的消除这种谱去相干。因此在地表植被丰富的区域，用极化干涉提取的DEM应该具有比常规干涉DEM更好的精度。因此，本文基于SIR-CL波段单视复雷达数据，提出了一套完整的由极化干涉雷达数据生成数字高程模型的数据处理算法，并对其中的几个关键问题进行了研究。通过比较和分析，结果表明极化干涉DEM具有比常规干涉DEM更高的精度。还对极化干涉雷达相对于常规干涉雷达生成数字高程模型时不同的误差源进行了分析和讨论。 2．由于极化干涉相干最优过程提供了相位散射中心的最优分离，因此用极化干涉提取地表植被参数特别是森林的高度具有比极化或干涉更大的优势。但是该反演问题属于一个六维的非线性最优化问题，存在相干系数的低消光系数、低植被和高消光系数、高植被模糊性，地形相位的等值性。因此用一般的局部最优方法，它往往会与初始解的给定有很大的关系。因此，本文提出了基于模拟加温-退火算法的地表植被参数反演算法，改善了反演的精度，。 3．以二进小波理论、相位解绕理论和干涉图的相位特性为基础，本文提出了基于二进小波的雷达干涉条纹探测相位解绕算法。和其他基于条纹探测的相位解绕算法相比，它具有以下三个优点：(1)在多尺度边缘探测的同时能显著的压制噪声对边缘探测的影响；(2)利用多尺度局部模极大值的空间一致性条件，可以得到更为准确的相位突变边缘点；(3)利用梯度矢量流的活动等高线算法，可以连接由于被噪声严重破坏的边缘和区分相隔很近的边缘。 4．由于极化干涉提供了比极化或干涉更多的信息，在土地类型的识别和分类上具有比常规的干涉和极化更大的优势。本文基于SIR-C L波段雷达数据和研究区域的土地利用图，进行了地表地物的相干最优特性分析。并利用极化干涉最优相干系数、后向散射系数和极化熵进行地表土地类型的识别与分类实验研究，获得了好的分类结果。 5．初始基线的估计是干涉雷达数据处理的重点也是难点。本文基于二维FFT（傅立叶变换）的功率谱，实现了一个高精度估计初始基线垂直分量的算法。基于 SIR－C L波段单视复雷达数据，利用上面算法对初始基线的垂直分量进行了估计，同时结合从轨道数据模拟得到的基线平行分量进行了去平地相位实验，将去平地相位以后的结果与本区域的地形图相比较，具有相同的条纹变化规律。说明该算法估计的初始基线精度较高。 6．本文利用ERS＊ 重复轨道多时相干涉雷达数据，以昆仑山脉中段试验区为例，分析了该区域大部分地表无积雪和有积雪覆盖时地表各种地物的干涉相干特性，在此基础上利用相干系数、后向散射强度和后向散射强度的变化信息，进行了地表土地类型的识别和分类，获得了较好的分类结果。

全文目录


中文摘要  4-6
英文摘要  6-13
第一章 绪论  13-17
  §1．1 极化干涉雷达遥感国内外研究现状  13
  §1．2 立论依据  13-15
  §1．3 主要研究内容  15-17
第二章 极化波雷达遥感基础  17-43
  §2．1 电磁场基础  17-22
    2．1．1 麦克斯韦方程  17-18
    2．1．2 波动方程  18-19
    2．1．3 时谐场或正弦电磁场  19-20
    2．1．4 波动方程的平面波解  20-22
  §2．2 极化雷达遥感基础  22-43
    2．2．1 完全极化波和部分极化波  22-25
    2．2．2 Jones矢量，Stokes矢量和相干散射矢量  25-27
    2．2．3 散射矩阵，Stokes矩阵，相干矩阵和协方差矩阵  27-30
    2．2．4 与极化有关的矢量，矩阵的极化基变换  30-35
    2．2．5 极化定标  35-37
    2．2．6 极化目标分解理论  37-39
    2．2．7 H-α分解理论  39-43
第三章 干涉雷达遥感信息提取和应用  43-85
  §3．1 干涉雷达理论基础  44-58
    3．1．1 干涉测量的基本原理和模型  44-53
    3．1．2 去相干  53-56
    3．1．3 相位解绕基础  56-58
  §3．2 干涉雷达数据处理  58-76
    3．2．1 干涉雷达数据处理概述  58-60
    3．2．2 基于FFT功率谱的初始基线估计  60-65
    3．2．3 基于二进小波的干涉图相位解绕  65-76
  §3．3 干涉雷达信息提取和应用  76-85
    3．3．1 干涉雷达应用概述  76-77
    3．3．2 干旱-半干旱地区干涉雷达相干特性分析及地表土地类型分类  77-82
    3．3．3 干涉雷达在获取地震同震位移场中的应用  82-85
第四章 极化干涉雷达遥感信息提取和应用  85-129
  §4．1 极化干涉理论基础  85-98
    4．1．1 标量干涉测量  86-87
    4．1．2 矢量干涉测量  87-89
    4．1．3 极化基变换  89-91
    4．1．4 全局空间和子空间相干最优  91-94
    4．1．5 极化干涉散射分解及SVD解释  94-97
    4．1．6 矢量差分干涉  97-98
  §4．2 相干散射模型  98-108
    4．2．1 随机方向各向同性散射体层标量相干散射模型  98-101
    4．2．2 矢量相干散射模型  101-108
  §4．3 极化干涉信息提取和应用  108-129
    4．3．1 极化干涉SAR地表土地类型分类及识别  108-112
    4．3．2 极化干涉SAR数据数字高程模型研究  112-117
    4．3．3 基于模拟退火算法的地表植被参数反演  117-129
第五章 结论和讨论  129-131
参考文献  131-142
攻读博士学位期间发表的论文  142-143
致谢  143

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中图分类: > 天文学、地球科学 > 测绘学 > 大地测量学 > 电磁波测距和基线测量
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