地理处理合成孔径雷达工具集

地理处理合成孔径雷达工具集


发布日期: 2024-06-03 更新日期: 2024-06-03 编辑:xuzhiping 浏览次数: 362

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摘要: 本文将带大家了解 ArcGIS Pro 合成孔径雷达工具集中的所有地理处理工具。有了 Image Analyst 许可证,就可以访问 Image Analyst 工具箱中的此工具集。此工具集是锦上添花,它使处理 SAR Ground Range Detect...

地理处理合成孔径雷达工具集

本文将带大家了解 ArcGIS Pro 合成孔径雷达工具集中的所有地理处理工具。有了 Image Analyst 许可证,就可以访问 Image Analyst 工具箱中的此工具集。此工具集是锦上添花,它使处理 SAR Ground Range Detected (GRD) 1 级数据变得轻而易举!虽然 1 级数据经过了一些处理,但还不足以进行分析。因此,1 级数据必须经过进一步处理才能用于可视化或分析。

可视化或分析

处理的目的是通过消除不必要的噪声、失真和增强一些对进一步分析很重要的图像特征来改善 SAR 数据。需要解决的问题包括更新轨道数据、消除热噪声、校准以检索有意义的后向散射值、减轻斑点、消除辐射和几何失真以及渲染具有大值范围的图像。这种处理通常称为辐射地形校正:Radiometric Terrain Corrections (RTC)。由于元数据中可用的信息,处理步骤是特定于传感器的。

欲了解更多信息,请访问支持传感器的SAR 工作流程页面(https://pro.arcgis.com/en/pro-app/latest/help/analysis/image-analyst/analysis-ready-sentinel-1-grd-data-generation.htm)。

合成孔径雷达工具集包含什么?

下载 Orbit File 和 Apply Orbit Correction

地球与轨道储存运动图

为何需要它

无论卫星的轨道如何精确调整,卫星的位置都会漂移。这可能是由于大气阻力和太阳风、地球不均匀引力场造成的不完美球体,或太阳系中其他质量较大的物体引力扰乱了卫星的轨道。由于这种漂移,需要定期调整以保持卫星在正确的轨道上。因此,拥有最新的轨道文件对于获取卫星的精确位置非常重要。

如何运行

如果正在使用 Sentinel-1 GRD 数据,将使用下载 Orbit File 工具从哥白尼数据空间生态系统下载最新、最准确的轨道状态向量 (OSV) 文件。

此工具使用 SAR 元数据识别适当的 Sentinel-1 OSV 文件并将其默认下载到输入 SAR 数据目录或指定文件夹位置。OSV 文件包含卫星速度和位置等轨道信息。现在有了 OSV 文件,将使用 Apply Orbit Correction 工具来更新 SAR 数据中的轨道信息。

要了解有关如何使用这些轨道工具的更多信息,请访问此页面(https://storymaps.arcgis.com/stories/d7b4b05a81d944bd853d40a012cd1a5e#ref-n-QQ9NSg)。

消除热噪声

为何需要它

热噪声或仪器噪声是由温度引起的电子微观运动引起的,主要来自卫星内部电路。热噪声在低反向散射区域最为明显,例如海洋等永久水体和交叉极化场景(VH 或 HV)。需要消除热噪声才能使整个图像中的反向散射信号正常化,这对于 SAR 数据的定性和定量使用都至关重要。

如何运行

将使用去除热噪声工具来校正输入 SAR 数据中的热噪声引起的后向散射干扰,以获得更无缝的图像。

如何运行

该图描绘了两个 SAR 图像栅格,其中顶部图像中 3 种渐变颜色表示的热噪声明显,箭头指向已去除热噪声的栅格。

Apply Radiometric Calibration(应用辐射校准)

为什么需要它

辐射校准对于获得有意义的反向散射是必要的,这些反向散射可以与图像中特征的物理属性相关联。这是因为 1 级 SAR 数据以像素值的未校准数字 (DN) 开始。校准后,可以得到雷达反向散射强度。反向散射强度是发射信号撞击表面与接收信号从表面反射的比例。我们将在后面的转换 SAR 单位部分更详细地介绍这一点。

应用辐射校准图标图片

后向散射强度的辐射度或亮度可能会发生变化。因此,辐射校准对于规范化这些值以从 SAR 图像中获得准确的定性观测值和定量测量值非常重要。此外,这也是获取 Radiometric Terrain Flattening 步骤所需的 beta 零校准的重要工具。

如何运行?

将使用 Apply Radiometric Calibration 工具将输入的 DN 像素值转换为辐射校准的反向散射,方法是使用元数据中提供的校准参数并根据指定的参考平面对反射率进行归一化。此工具对 SAR 数据集执行三种不同的校准,包括 beta nought、sigma nought 和 gamma nought。请注意这些校准类型之间的差异,如下图所示:

校准类型的卫星和参考平面几何形状

在图中,我们看到了校准类型的卫星和参考平面几何形状,也看到了 Beta nought (teal)、Sigma nought (purple)、Gamma nought (blue)参考平面,以及任意点的入射角(θi)以及斜距(lime)。

Apply Radiometric Terrain Flattening

为什么需要它

由于SAR 传感器的侧视特性,面向传感器的地面特征会显得更亮,而背对传感器的特征会显得更暗,并可能导致失真。Apply Radiometric Terrain Flattening 工具可规范后向散射值,因此值的变化将归因于 SAR 图像中任何地形上特征的实际表面散射特性。

如何运行?

将使用数字高程模型 (DEM) 估算局部照明区域和局部入射角,以校正输入 SAR 数据因地形造成的辐射失真。

如何运行

图表的概念图显示,红线表示受地形影响的反向散射,扁平蓝线表示去除地形影响的反向散射。

注意:为了获得更好的结果,可以输入更高分辨率的 DEM。

清除斑点

为什么需要它

斑点是相干照明的结果,类似于颗粒状或椒盐效果。将使用Despeckle工具校正输入SAR数据中的散斑。单个像素记录的反向散射是雷达波与地面场景中该像素内多个分布式目标相互作用的结果。当这些相互作用产生建设性的干扰时,它们就会形成一个明亮的像素。当它们破坏性地干涉时,会形成一个暗像素。灰色阴影对应于既不完全建设性也不具有破坏性的干涉。

为什么需要它

在图中,可看到一个地面场景,其中 3 个分布式目标(粉色形状)位于一个像素内(平行四边形)。上图说明了白色/浅灰色像素中的目标如何发生建设性干扰而产生更亮的反射,以及黑色/深灰色像素中的目标如何发生破坏性干扰而产生更暗的反射。

如何运行?

Despeckle 工具通过使用以下过滤器类型之一(Lee、Enhanced Lee、Refined Lee、Frost、Kuan 和 Gamma Map)并指定过滤器大小来去除斑点。不同的过滤器大小会极大地影响处理后图像的质量。如果过滤器太小,噪声过滤算法就会无效。如果过滤器太大,图像的细微细节就会丢失。探索过滤器和参数,看看哪种最适合您!

Apply Geometric Terrain Correction

为什么需要它

由于 SAR 图像是侧视图像,且是在倾斜平面中获取的,因此需要进行几何失真校正,并精确正射校正输入的 SAR 数据。正射校正是校正由传感器视角和地面地形的视角引起的地面物体位置明显变化的过程,可以使用 Apply Geometric Terrain Correction 工具执行此操作。

如何运行?

SAR 图像包含大量信息,但必须经过处理,将所有像素准确转换为制图坐标(纬度、经度),才能在 ArcGIS Pro 中用于 GIS 分析。1 级 GRD 产品由经过多次查看并使用地球椭球模型 WGS84 投影到地面范围的 SAR 图像组成。因为 GRD 产品仅考虑地球椭球模型,而不考虑我们需要为此校正的地形。

如何运行

该图显示了应用和不应用 GTC 的情况下 GRD 图像的失真情况以及采样情况。

首次在 ArcGIS Pro 中加载 SAR 图像时,SAR 元数据中的椭圆体模型用于估计图像的大致位置,也称为地理编码椭圆体校正。将使用与辐射畸变校正相同的 DEM 来校正几何畸变,以对输入 SAR 数据进行正射校正。

为了正确进行 SAR 正射校正,必须拥有准确的地形模型和准确的传感器模型描述。传感器模型详细信息位于元数据中,包含有关每个图像的传感器位置和方向的信息。为了对输入的 SAR GRD 数据进行正射校正,地理处理工具对每个像素使用距离-多普勒反向地理编码算法。这意味着它使用 DEM 和轨道点位置循环遍历每个纬度和经度像素来计算斜距和方位角,接下来计算地面距离,然后从输入的 SAR GRD 数据中插入雷达后向散射位置,以生成具有准确纬度和经度坐标的几何地形校正图像。

如何运行

该图显示了几何地形校正如何将距离多普勒后向地理编码算法应用于具有 DEM 输入的 GRD。

注意:建议在雷达场景中包含陆地特征时指定 DEM。如果未指定 DEM 或未指定 DEM 覆盖的区域,则将创建从元数据连接点插值的近似 DEM,连接点方法仅适用于完整海洋雷达场景。

转换 SAR 单位(线性至分贝)

为什么需要它

推荐的 RTC 工作流程的最后一部分是将输入 SAR 数据的缩放比例从线性转换为分贝 (dB) 单位。虽然这部分是可选的,但我们建议执行此步骤,因为 dB 系统是一种方便的操作和可视化大数字和大动态范围的方法。因此,通过将单位转换为 dB,将简化解释并通过转换为 dB 值来缩小幅度或强度值的范围,从而改善图像显示。转换后,正 dB 值将表示朝向传感器的反向散射,负 dB 值将表示远离传感器的反向散射。

如何运行?

鉴于线性单位中的雷达反向散射是接收信号与发射信号之间的功率比,因此“转换 SAR 单位”工具可以使用以下简单但功能强大的方程式(双关语)将输入 SAR 数据的比例从线性转换为分贝单位,如下图所示:

如何运行

转换后,当接收信号输入大于发射信号输出时,正的 dB 值表示朝向传感器的反向散射,相反,当发射信号输出大于接收信号输入时,负值表示远离传感器的反向散射(这可以在上图中看到)。

总结

了解合成孔径雷达的基础知识并将SAR 卫星数据添加到 ArcGIS Pro 地图中仅仅是个开始。借助ArcGIS Image Analyst for ArcGIS Pro,可访问合成孔径雷达工具集中强大的地理处理工具。此工具集对于将 SAR GRD Level-1 数据转换为可供分析的 RTC 数据至关重要。推荐的处理步骤旨在通过消除噪声、失真和改进重要图像特征来增强 SAR 图像。通过掌握这些地理处理技术,将能够充分发挥 SAR 数据的潜力,满足您的分析和可视化需求!

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