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高分辨率SAR影像建筑物震害信息提取方法研究

金鼎坚  
【摘要】:地震是对人类危害最大的自然灾害之一。在破坏性地震发生后,快速、准确的灾情评估对地震应急救援非常重要。遥感技术由于具有快速、覆盖范围大、信息量丰富、不受地面自然条件限制等优势,在地震应急中可发挥重要作用。其中,合成孔径雷达遥感具有全天时、全天候对地观测能力,在地震应急中显得尤为重要。在地震造成的各种破坏中,建筑物震害与人员伤亡和经济损失的关系最为密切,开展雷达遥感建筑物震害提取方法研究具有重大实用意义。近些年来高分辨率SAR遥感取得了巨大进展,但高分辨率SAR影像建筑物震害信息提取方法研究还很不充分。 本文面向地震应急,研究了高分辨率SAR影像建筑物震害信息提取方法,主要包括三个方面的内容:与SAR影像震害提取相关的雷达遥感理论和雷达遥感数据源、建筑物震害目视解译方法、基于单时相SAR影像分形特征的建筑物震害自动提取方法。 首先介绍了雷达遥感物理基础和SAR影像的几何辐射特征,总结了COSMO-SkyMed、TerraSAR-X、RADARSAT-2和国产机载X波段SAR等高分辨SAR系统在空间分辨率、时间分辨率、极化能力和空间覆盖范围等性能方面的特征。 然后研究了SAR影像建筑物震害目视解译方法。提出了目视解译中建筑物震害的分类分级标准。基于建筑物几何模型,分析了建筑物在SAR影像上的理论特征。使用高分辨率机载SAR影像,研究了真实SAR影像上的建筑物特征。在此基础上,建立了SAR影像各级震害的目视解译标志,并使用高分辨率机载SAR影像对玉树城区建筑物震害进行了目视解译和定量评估。以航空光学遥感影像判读的震害结果为标准,对机载SAR影像判读的震害结果进行了评价。 最后发展了基于SAR影像局部分形特征的建筑物震害信息自动提取方法。与仅使用一个分维值描述整幅影像不同,本文引入了滑动窗口的概念,滑动窗口逐像素滑动,计算滑动窗口对应的影像部分的局部分维值,将之赋给窗口中心像素,这样得到了除影像边缘部分之外的大部分像素的局部分维值。滑动窗口内部分维值的计算主要使用了三角棱柱法和差分盒维法。使用玉树城区的高分辨率机载SAR影像对不同分维计算方法进行了实验。以街区为单位,基于街区平均分维值特征,进行了玉树城区建筑物平均震害评估。 SAR影像建筑物震害的目视解译方法研究主要有以下结果:(1)建筑物在SAR影像上的典型特征有叠掩、角反射效应和阴影等。(2)对建筑物震害目视解译而言,最重要的标志是色调、形状、纹理和阴影。(3)SAR影像对完好建筑物和倒塌建筑物能较好地识别,但是对于部分倒塌的房屋的判读比较困难。(4)在地形坡度较大或建筑物密集地区,有时震害识别是不可能的。(5)使用高分辨率SAR影像对玉树城区的建筑物震害评估可得到一个较理想的震害判读结果。 玉树城区的局部分形特征研究结果显示,局部分维值作为一种有效的纹理测度,能在一定程度上用来识别建筑物破坏水平。但是不同的分维计算方法和滑动窗口大小,其结果不一样。对于高分辨率机载SAR影像,差分盒维法能比三角棱柱法得到更好的纹理分析结果。对于两种计算方法,小的滑动窗口比大的滑动窗口能得到更好的结果。但无论哪种计算方法,分维值都有超出理论值范围(2~3)的情况,因此需要进一步对算法进行改进。


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