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基于二階統(tǒng)計(jì)量擾動(dòng)分析的sar圖像變化檢測(cè)方法

文檔序號(hào):8457811閱讀:311來源:國(guó)知局
基于二階統(tǒng)計(jì)量擾動(dòng)分析的sar圖像變化檢測(cè)方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于雷達(dá)技術(shù)領(lǐng)域,涉及SAR圖像檢測(cè)方法,可用于對(duì)不同時(shí)段同一場(chǎng)景 的變化區(qū)域的檢測(cè)。
【背景技術(shù)】
[0002] 雷達(dá)成像技術(shù)是20世紀(jì)50年代發(fā)展起來的,在此后的60年里得到了突飛猛進(jìn)的 發(fā)展,目前,已經(jīng)在軍事、農(nóng)林、地質(zhì)、海洋、災(zāi)害、測(cè)繪等諸多方面得到廣泛的應(yīng)用。
[0003] SAR作為一種主動(dòng)微波傳感器,具有全天候、全天時(shí)、分辨率高以及穿透能力強(qiáng)等 特點(diǎn),在突發(fā)事件、自然災(zāi)害的檢測(cè)和評(píng)估等方面具有獨(dú)特優(yōu)勢(shì),利用SAR圖像進(jìn)行變化檢 測(cè)具有重要意義。目前,SAR圖像變化檢測(cè)已經(jīng)在多個(gè)方面取得廣泛的應(yīng)用,如土地分析、 森林采伐監(jiān)測(cè)、災(zāi)情估計(jì)、軍事偵察、打擊效果評(píng)估等。
[0004] SAR圖像變化檢測(cè)分為監(jiān)督和非監(jiān)督兩大類。其中,非監(jiān)督變化檢測(cè)不需要先驗(yàn)變 化信息的支持,可直接從配準(zhǔn)好的前后兩個(gè)時(shí)刻SAR圖像獲取變化信息,這種檢測(cè)方法不 僅降低人為誤差的影響,同時(shí)也符合實(shí)際中先驗(yàn)變化信息獲取困難的現(xiàn)實(shí)情況,因此非監(jiān) 督變化檢測(cè)成為國(guó)內(nèi)外研宄的重點(diǎn)。SAR圖像非監(jiān)督變化檢測(cè)的流程可概括為三個(gè)步驟,首 先對(duì)待檢測(cè)的兩幅圖像進(jìn)行圖像配準(zhǔn)、斑噪濾波、輻射校正、幾何校正等預(yù)處理,然后比較 兩幅圖像獲得差異圖,最后對(duì)差異圖進(jìn)行分割得到最終的檢測(cè)結(jié)果。
[0005] 現(xiàn)有文獻(xiàn)提出很多差異圖的的獲取方法。例如將兩幅圖像分別按像素取對(duì)數(shù),然 后將取對(duì)數(shù)后的結(jié)果做差后取模值的結(jié)果作為差異圖;或?qū)煞鶊D像按像素互相做商,取 商較小的值,與一相減并取模值作為差異圖中的該像素的值。對(duì)圖像取對(duì)數(shù)的目的是將SAR 圖像的相干斑噪聲由乘性噪聲轉(zhuǎn)化為加性噪聲,并通過對(duì)兩幅取對(duì)數(shù)之后的SAR圖像做差 來消除相干斑噪聲。但實(shí)際上,由于相干斑噪聲有時(shí)變性,SAR圖像的相干斑噪聲由乘性轉(zhuǎn) 化為加性之后直接相減并不能地抑制時(shí)變的相干斑噪聲。將兩幅圖像按像素做商的目的也 是為了消除乘性的相干斑噪聲,同樣由于相干斑噪聲具有時(shí)變特性,按像素做商也不能完 全抑制相干斑噪聲。由于差異圖中相干斑噪聲的存在會(huì)影響后續(xù)的差異圖分割的性能,造 成變化檢測(cè)的結(jié)果中存在大量虛警。
[0006] 由于兩次成像時(shí)飛機(jī)飛行的方向存在微小差異,不變區(qū)域中同一位置的雷達(dá)回波 的強(qiáng)度會(huì)存在輕微的擾動(dòng),這種擾動(dòng)會(huì)導(dǎo)致該不變區(qū)域在差異圖中呈現(xiàn)較大的幅值,影響 差異圖分割的性能,導(dǎo)致變化檢測(cè)的結(jié)果中存在虛警。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 本發(fā)明針對(duì)上述已有技術(shù)的不足,提出一種基于二階統(tǒng)計(jì)量擾動(dòng)分析的SAR圖像 變化檢測(cè)方法,以減小相干斑噪聲和不變區(qū)域的擾動(dòng)對(duì)差異圖分割的影響,提高變化檢測(cè) 的性能。
[0008] 本發(fā)明是這樣實(shí)現(xiàn)的:
[0009] 一、技術(shù)思路
[0010] 變化檢測(cè)的關(guān)鍵在于找到一個(gè)特征域,在這個(gè)特征域中,變化區(qū)域與非變化區(qū)域 有良好的可分性。本發(fā)明結(jié)合擾動(dòng)分析,以SAR圖像二階統(tǒng)計(jì)量的相關(guān)系數(shù)域作為特征域 得到差異圖。由于SAR圖像的相干斑噪聲有時(shí)變性,相干斑噪聲對(duì)每個(gè)像素的幅值造成的 變化差異很大,但是相干斑噪聲對(duì)每個(gè)像素造成的功率差異是一定的,本發(fā)明結(jié)合SAR圖 像中像素的鄰域信息來計(jì)算SAR圖像的二階統(tǒng)計(jì)量,來描述變化區(qū)域與非變化區(qū)域的功率 信息,以有效地抑制SAR圖像的相干斑噪聲。在兩幅SAR圖像中,未變化區(qū)域本身可能存在 擾動(dòng),導(dǎo)致在特征域中這些有擾動(dòng)的區(qū)域比較接近變化區(qū)域,本發(fā)明通過引入擾動(dòng)分析來 降低未變化區(qū)域中擾動(dòng)的影響,并利用SAR圖像二階的統(tǒng)計(jì)量來抑制SAR圖像的相干斑噪 聲,結(jié)合擾動(dòng)分析,獲取到有更準(zhǔn)確的變化區(qū)域以及良好的可分性的差異圖。用該差異圖進(jìn) 行變化檢測(cè)以有效減少非變化區(qū)域的虛警,提高檢測(cè)率。
[0011] 二.技術(shù)方案
[0012] 本發(fā)明基于二階統(tǒng)計(jì)量擾動(dòng)分析的SAR圖像變化檢測(cè)方法,包括如下步驟:
[0013] (1)對(duì)采集場(chǎng)景初次的SAR圖像X和該場(chǎng)景出現(xiàn)變化后的SAR圖像Y依次進(jìn)行配 準(zhǔn)、幾何校正、輻射校正的預(yù)處理,并對(duì)這兩幅圖像做差取模值,得到差圖像Z= |X-Y|;
[0014] (2)用上述三個(gè)圖像X、Y、Z中相同坐標(biāo)的元素構(gòu)造一組輸入向量k= K(x,y)>Y(x;y),Z(xy) ]1,并將1^的形式簡(jiǎn)化為1^=&1沙2沙3] 1,其中父(")是圖像父在〇^,5〇坐 標(biāo)處的像素值,¥0"),2 0")分別對(duì)應(yīng)圖像¥,2在(1,7)坐標(biāo)處的像素值,1^1,1^匕分別與 X(x,y),Y(x;y),Z(x;y)對(duì)應(yīng);
[0015] (3)根據(jù)向量k定義二階統(tǒng)計(jì)量向量t:
[0016]t= [<^2>, <k22>, <k32>, <^^>, <k1k3>, <k2k3>]T/|I[<^2>, <k22>, <k32>, <^^>, <k!k3 >,<k2k3>]||2
[0017] 其中〈?>代表求集合平均,選擇像素點(diǎn)周圍3X3鄰域的元素作為一個(gè)集合, II?I|2代表求向量的二范數(shù);
[0018] (4)計(jì)算二階統(tǒng)計(jì)量向量標(biāo)準(zhǔn)形式tm到不變區(qū)域二階標(biāo)準(zhǔn)向量tu的投影矩陣P:
[0019] (4a)在不考慮相干斑噪聲的前提下,設(shè)不變區(qū)域的輸入向量k=a[l, 1,0],a是 一個(gè)與雷達(dá)回波強(qiáng)度有關(guān)的標(biāo)量;
[0020] (4b)根據(jù)二階統(tǒng)計(jì)量向量t的構(gòu)造方式,計(jì)算出理想情況下不變區(qū)域二階統(tǒng)計(jì)量 向量t的形式為力/3fl,l,0,l,0,〇f,去掉系數(shù)力/3,記作二階統(tǒng)計(jì)量向量t的標(biāo)準(zhǔn)形式tm =[1, 1,0, 1,0,0]T〇
[0021] (4c)將標(biāo)準(zhǔn)形式乜投影到[1,0, 0, 0, 0, 0]T方向,記作不變區(qū)域二階標(biāo)準(zhǔn)向量tu =[1,0, 0,0,0, 0]T;
[0022] (4d)計(jì)算出從tm到tu的投影矩陣P:
[0023] P =E-2(w?wT)
[0024] 其中,E是一個(gè)6階單位矩陣,w是一個(gè)中間變量,T為轉(zhuǎn)置操作符,
[0025]
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種基于二階統(tǒng)計(jì)量擾動(dòng)分析的SAR圖像變化檢測(cè)方法,包括如下步驟: (1) 對(duì)采集場(chǎng)景初次的SAR圖像X和該場(chǎng)景出現(xiàn)變化后的SAR圖像Y依次進(jìn)行配準(zhǔn)、幾 何校正、輻射校正的預(yù)處理,并對(duì)這兩幅圖像做差取模值,得到差圖像Z= |X-Y|; (2) 用上述三個(gè)圖像X、Y、Z中相同坐標(biāo)的元素構(gòu)造一組輸入向量k= [X〇£,y),Yfcy),Z(x,y)]T,并將k的形式間化為k= [k^,k2,k3]T, 其中Xfcy)是圖像X在(x,y)坐標(biāo)處的像素值,Y 分別對(duì)應(yīng)圖像Y,Z在(x,y) 坐標(biāo)處的像素值,h,k2,匕分別與X(x,y),Y(x,y),Z(x,y) 對(duì)應(yīng),T為轉(zhuǎn)置操作符; (3) 根據(jù)向量k定義二階統(tǒng)計(jì)量向量t: t= [<^2>, <k22>, <k32>, <^^>, <k1k3>, <k2k3>]T/|I[<^2>, <k22>, <k32>, <^^>, <k1k3>,<k2k3>]||2 其中〈?>代表求集合平均,II?I|2代表求向量的二范數(shù); (4) 計(jì)算二階統(tǒng)計(jì)量向量標(biāo)準(zhǔn)形式tm到不變區(qū)域二階標(biāo)準(zhǔn)向量tu的投影矩陣P: (4a)在不考慮相干斑噪聲的前提下,設(shè)不變區(qū)域的輸入向量k=a[l, 1,0]T,a是一個(gè) 與雷達(dá)回波強(qiáng)度有關(guān)的標(biāo)量; (4b)根據(jù)二階統(tǒng)計(jì)量向量t的構(gòu)造方式,計(jì)算出理想情況下不變區(qū)域二階統(tǒng)計(jì)量向 量t的形式為
,記作二階統(tǒng)計(jì)量向量t的標(biāo)準(zhǔn)形式tm = [1,1,0, 1,0,0]T。 (4c)將標(biāo)準(zhǔn)形式tm投影到[1,0, 0, 0, 0, 0]T方向,將[1,0, 0, 0, 0, 0] 作不變區(qū)域二 階標(biāo)準(zhǔn)向量tu; (4d)計(jì)算出從tm到tu的投影矩陣P: P=E-2(w?wT) 其中,E是一個(gè)6階單位矩陣,w是一個(gè)中間變量,T為轉(zhuǎn)置操作符,
,W = (tm-1 tj ? [1,0, 0, 0, 0, 0]) / I I tm-1 tj ? [1,0, 0, 0, 0, 0] |2, ?I代表取模操作,11 ?I|2代表求向量的二范數(shù); (5) 通過投影矩陣P對(duì)全部二階統(tǒng)計(jì)量向量t進(jìn)行線性投影,得到一組二階向量、= P?t,結(jié)合擾動(dòng)分析,依次計(jì)算對(duì)每個(gè)坐標(biāo)下的與不變區(qū)域二階標(biāo)準(zhǔn)向量tu的相關(guān)系數(shù) r:
其中,R是根據(jù)實(shí)際數(shù)據(jù)設(shè)置的擾動(dòng)分析參數(shù),取值為R= 〇. 5,為共軛操作符, (6) 每個(gè)坐標(biāo)下的tj"都能計(jì)算出一個(gè)y,將這些y按tj"對(duì)應(yīng)的坐標(biāo)排列,構(gòu)成差異 圖D; (7) 對(duì)上述差異圖D做均值濾波,并對(duì)做均值濾波之后的差異圖依次進(jìn)行冪次變換和 模糊C均值聚類,得到二值圖像I,完成變化檢測(cè)。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法,其中(4b)所述的根據(jù)二階統(tǒng)計(jì)量向量t的構(gòu)造方 式,計(jì)算出理想情況下不變區(qū)域二階統(tǒng)計(jì)量向量t的形式為^
是將步驟 (4a)中所述的不變區(qū)域的輸入向量k=a[l,1,0]代入到步驟(3)中的二階統(tǒng)計(jì)量向量公 ^:t= [<k:2>, <k22>, <k32>, <^^>, <k1k3>, <k2k3>]T/|I[<^2>, <k22>, <k32>, <^^>, <k1k3>,<k 2k3>] | |2中,計(jì)算出二階統(tǒng)計(jì)量向量
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法,其中所述(7)對(duì)均值濾波之后的差異圖依次進(jìn)行冪次 變換和模糊C均值聚類,得到二值圖像I,按如下步驟進(jìn)行: (7a)對(duì)差異圖D進(jìn)行冪次變換,得到變換后的差異圖%,其中冪次變換之后的差異圖% 在坐標(biāo)(x,y)處的像素值為
代表差異圖D在坐標(biāo)(x,y)處的像素值, n是冪次數(shù),取值為n= 6 ; (7b)使用Matlab軟件中的fcm函數(shù)對(duì)上述冪次變換之后的差異圖%進(jìn)行聚類操作, 得到每個(gè)像素點(diǎn)對(duì)變化區(qū)域和不變區(qū)域兩類區(qū)域的隸屬度數(shù)值; (7c)令每個(gè)像素點(diǎn)屬于隸屬度數(shù)值較大的那一類區(qū)域,給定不變區(qū)域的標(biāo)號(hào)為0和變 化區(qū)域的標(biāo)號(hào)為1,使用每個(gè)像素點(diǎn)的標(biāo)號(hào)組成二值圖像I。
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于時(shí)變SAR圖像二階統(tǒng)計(jì)量擾動(dòng)分析的變化檢測(cè)方法,主要解決時(shí)變相干斑噪聲影響SAR圖像變化檢測(cè)結(jié)果的問題。其實(shí)現(xiàn)過程是:(1)將已配準(zhǔn)且進(jìn)行輻射校正和幾何校正的兩幅待檢測(cè)SAR圖像做差,并取模產(chǎn)生差圖像;(2)用兩幅待檢測(cè)圖像和差圖像構(gòu)造二階統(tǒng)計(jì)量向量;(3)結(jié)合擾動(dòng)分析計(jì)算二階統(tǒng)計(jì)量向量與不變區(qū)域二階統(tǒng)計(jì)量的標(biāo)準(zhǔn)形式的相關(guān)系數(shù),用相關(guān)系數(shù)構(gòu)造差異圖;(4)用模糊C均值聚類方法對(duì)差異圖聚類,實(shí)現(xiàn)變化檢測(cè)。本發(fā)明有效地減少了由于時(shí)變相干斑噪聲造成的虛警,可用于對(duì)不同時(shí)段同一場(chǎng)景變化區(qū)域的檢測(cè)。
【IPC分類】G06T7-00
【公開號(hào)】CN104778719
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510230170
【發(fā)明人】杜蘭, 谷明非, 王燕, 劉宏偉
【申請(qǐng)人】西安電子科技大學(xué)
【公開日】2015年7月15日
【申請(qǐng)日】2015年5月7日
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