[发明专利]一种基于时间序列SAR遥感影像的建设用地变化检测方法

说明书

技术领域

本发明涉及城市遥感技术领域，尤其涉及到一种基于时间序列SAR遥感影像的建设用地变化检测方法。

背景技术

城市扩张与城市环境遥感监测是世界上热点的研究领域，利用遥感技术监测土地利用/覆盖变化已有三十年的研究历史，遥感还被用于城市环境评估、城市公共管理等方面。城市中的土地利用变化是剧烈的，往往包括新增建设工程，植被挖损、旧建筑物被拆除平整等过程。实时快速的遥感监测有助于对城市更新改造项目的有效监管，对建设工程敦促进度，也能及时制止建设用地违法事件。

我国珠三角地区属于南亚热带气候，常年多云多雨。虽然目前在轨运行的光学传感器的遥感卫星已具备每天的重复对地观测，但仍然易受到云雨影响不能成像。合成孔径雷达(Synthetic Aperture Radar,SAR)遥感系统近年来迅速发展，以其主动微波的成像模式，不依赖天气条件和太阳光照，能全天候开展对地观测。其次，SAR遥感系统通过采集地物反射的雷达信号成像，在刻画地物纹理、结构方面具有优势。近年来也有较多的报道采用SAR遥感对建设用地的提取及土地利用覆盖变化的研究。在珠三角城市群利用SAR遥感无疑是值得倡导的，对建设用地变化快速实时的检测。

Manakos等人在《Land Use and Land Cover Mapping in Europe:Practices and Trends》一书中系统地总结了近年来遥感变化检测技术方法的进展，提到了SAR遥感数据在变化检测中是最有优势的(Manakos,I.,Braun,M.,Land Use and Land Cover Mapping in Europe:Practices and Trends[M],Springer Science,2014.)，然而该类的变化检测工作还不多见，原因可能在于长期以来SAR遥感数据源的不多、价格昂贵、成像机理复杂等。大多数遥感影像变化检测是基于“像元对像元”的模式，对比不同时间的两景影像来呈现变化区域。比较典型的干涉差分SAR遥感用于检测建筑物、地形等形变的研究，而此类研究工作通常涉及1-2个时相而不是基于高时间分辨率的研究分析，而基于时间序列分析的变化检测是最有前途的。

专利：CN102855487A中，肖鹏峰等人提出在利用高分辨率光学遥感影像对新增建设用地变化进行提取，通过处理两幅遥感图像前后进行差值运算，再进行一系列的形态学图像处理获得纹理变化明显的区域。专利：CN102176014A中，孙强发明了一种多时相SAR图像城市区域变迁变化检测方法，其检测方法简单，通过2景不同时间的影像对比得到变化区域。专利：CN103871039A中，公茂果等人也公布了一种SAR图像变化检测差异图生成方法，也是对两幅不同时相的SAR图像像元相似性进行测量，最后得到基于比值相似度的影像差异图。Atto等人采用不同时间的TerraSAR-X数据提取城市建设的变化区域(Atto,A.M.,Trouve,E.,Berthoumieu,Y.,Mercier,G.Multidate Divergence Matrices for the Analysis of SAR Image Time Series[J],IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing,2013,51(4):1922-1938.)。Huang等人提出一种基于小波变换的SAR影像变化检测，旨在对噪声的有效消除(Huang,S.,Cai,X.,Chen,S.,Liu,D.Change detection method based on fractal model and wavelet transform for multitemporal SAR images[J],International Journal of Applied Earth Observation and Geoinformation,2011,13:863-872.)。Li and Yeh也采用过多个时相的SAR影像在农用地快速流失的珠三角区域检测土地变化(Li,X.,Yeh,A.G.Multitemporal SAR images for monitoring cultivation systems using case-based reasoning[J],Remote Sensing of Environment,2004,90(4):524-534.)，Gimenoet等人采用了主成份分析的手段对SAR影像时间序列进行了变化的提取(Gimeno,M.,Ayanz,J.S.,Barbosa,P.M.,Schmuck,G.,Burnt area mapping from ERS-SAR time series using the principal components transformation,in:Proc.SPIE SAR Image Analysis,Modeling,and Techniques[C],2003,V4883,171-177,Crete,Greece.)。对城市建设用地的SAR监测研究渐渐发展成了基于时相相似性等检测方法。Kleynhans等人提出了一种时间自相关的SAR影像变化检测方法(Kleynhans,W.,Salmon,B.P.,Olivier,J.C.Detecting settlement expansion in South Africa using a hyper-temporal SAR change detection approach[J],International Journal of Applied Earth Observation and Geoinformation,2015,42:142-149.)。钱峻屏等人也利用过SAR时间序列影像对短期的土地覆盖变化进行检测，提出了一种基于时空密度异常检测的算法，能在时间序列影像中分离出由典型的、正常的作物生长或农事活动引起的影像光谱或回波变化,进而识别出由人为活动或突发事件导致的土地利用/土地覆盖变化,这是通常的图像差值等方法难以做到的(遥感学报,2009,13(3):499-508.)。总的来说，尽管已提出的遥感变化检测方法不少，但多是只采用2个或少数的几个时相的影像去叠置对比，而利用高时空分辨率的时间序列SAR影像的研究仍不多见。其次，目前无论在光学或者雷达遥感中，诸类方法对于城市环境的建设用地变化的遥感提取仍具有局限性，通常以图像阈值界定来获得变化区域，精度得不到保证；在其检测方法通常还不对地物变化的形式进行分类，例如是减少了还是增加了，对应在建设用地变化是拆除平整和建设加高两种。在遥感变化检测分类中也很难提取出此类型的样本进行分类，也少有提及如何确定分类的规则及参数阈值。