[发明专利]一种基于分形维数和极化分解的月表平坦区域选取方法

说明书

本发明涉及一种基于分形维数和极化分解的月表平坦区域选取方法，包括如下步骤：步骤1、获取全极化SAR数据；步骤2、根据雷达后向散射总功率计算分形维数D，得到分形维数图；步骤3、对分形维数图进行二值化，大于分形维数均值的像素值置为白色，小于均值的置为黑色，得到二值化后的分形维数图；步骤4、对二值化后的分形维数图，筛选出所有满足不包含白色像素的连续N×N像素区域，作为粗选取出的候选区域，N为像素区域宽度；步骤5、利用Yamaguchi四元素分解方法对SAR回波进行极化分解，获取单次散射分量、二次散射分量、体散射分量以及螺旋散射分量的大小；步骤6、针对每一个候选区域，筛选出单次散射分量占比最大的n×n像素区域，即为精选取出的平坦地区。

技术领域

本发明涉及雷达图像处理领域，尤其是一种基于分形维数和极化分解的月表平坦区域选取方法。

背景技术

合成孔径雷达（Synthetic Aperture Radar, SAR）是一种主动式微波成像系统，具有全天时全天候以及穿透成像的工作能力，被广泛的用于地球遥感与行星探测。极化合成孔径雷达提供了除目标散射回波的幅度和相位特性外的极化散射信息，为推断行星表面的物理特性提供了一种有效的途径。极化目标分解通过对表征目标极化散射特征的矩阵进行分解，提取出具有物理意义的各种极化参数，是极化SAR图像解译的一个重要分支。Yamaguchi四元素分解是一种非相干极化分解方法，在地面目标的散射机制识别与分类中应用广泛。

分形理论是描述不规则几何形态的有力数学工具，其中分形维数（D）是基于分形的方法测量表面粗糙度的一个重要参数。对于二维表面而言，其值在2.0和3.0之间。光滑的二维曲面的分形维数值为2.0，随着表面粗糙度的增加，分形维数值增加，对于非常粗糙的曲面，分形维数值可达到3.0。因此，分形维数可以用来描述不同的土地覆盖特征，并且分形维数和地质表面的纹理特征（或粗糙度）之间存在一一对应的关系。

平坦地区的选取在月球探测中具有重要需求。例如，在月球极区永久阴影区的水冰探测中，需要寻找较为平坦的区域以排除表面粗糙度的干扰，并且为未来永久阴影区着陆器的着陆和采样提供支持。此外，月球表面的平坦地区还可作为分布式目标用于未来月球极化SAR数据的定标。目前已有的寻找月球平坦区域的方法有：通过高分辨率光学图像（月球轨道光学相机或月球车载相机）反演得到月表粗糙度信息；由月球轨道激光高度计数据反演得到月球表面的数字高程模型（DEM），进而得到平坦地区。然而光学图像无法提供月球极区永久阴影区的信息，并且月球车影像覆盖范围小，只覆盖月球表面极少数感兴趣的区域。此外，受限于固有的激光斑点间距，已有的月球表面数字高程模型（DEM）数据在一些感兴趣区域分辨率较低。

发明内容

为了提取出月球表面感兴趣地区的平坦区域，本发明提出了一种联合分形维数（空间几何特征）和极化分解技术（极化散射特征）的极化SAR图像平坦区域选取方法。可以联合利用分形维度和极化分解技术，通过识别月球表面的纹理特征与极化散射特征来进行平坦区域的选取。本发明提出的方法能够在不依赖额外DEM数据的情况下，利用极化SAR数据实现自然地质表面的平坦地区选取，为将来全极化SAR数据在月球的应用研究提供支撑。

该方法可分为两个主要步骤：粗选取与精选取。首先是粗选取阶段：利用雷达后向散射总功率图像计算分形维数，然后提取出分形维数小于分形维数均值的区域。精细选取：对极化SAR图像进行Yamaguchi四元素分解，在粗选取出的候选区域内，进一步筛选出单次散射功率占比最大的区域。具体的，本发明的技术方案为：一种基于分形维数和极化分解的月表平坦区域选取方法，包括如下步骤：

步骤1、获取全极化SAR数据；

步骤2、根据雷达后向散射总功率计算分形维数D，得到分形维数图；

步骤3、对分形维数图进行二值化，大于分形维数均值的像素值置为白色，小于均值的置为黑色，得到二值化后的分形维数图；

步骤4、对二值化后的分形维数图，筛选出所有满足不包含白色像素的连续N×N像素区域，作为粗选取出的候选区域，N为像素区域宽度；