实验三十五 雷达图像处理

一、实验目的

通过对ERS-2卫星单波段雷达影像的显示、几何校正、滤波和彩色增强等处理，感受雷达微波遥感图像对地物反映的特征和与可见光图像的差别，了解雷达图像处理的内容，初步掌握ENVI雷达微波遥感图像处理的基本 *** 作步骤，从而加深对雷达微波遥感对地质学应用原理的理解。

二、实验内容

①ENVI支持下的ERS-2雷达遥感图像数据输入、显示和输出；②雷达图像校正；③雷达图像滤波增强处理；④雷达图像彩色合成处理；⑤雷达图像地物影像特征识别；⑥雷达遥感影像与光学遥感影像特征差异比较分析。

三、实验要求

预习雷达遥感成像理论的相关知识，了解ERS-2雷达数据的技术参数，能够解读雷达图像上反映的信息，了解从ENVI中打开或存储在雷达文件的信息，初步掌握本实验所做的ENVI软件Radar模块的几种雷达图像处理 *** 作，编写实验报告。

四、技术条件

①微型计算机；②桂林市ERS-2单波段Image格式的数据；③ENVI软件；④Photoshop软件（ver.6.0以上）和ACDSee软件（ver.4.0以上）。

五、实验步骤

1.打开雷达数据文件

ENVI提供两种方式打开雷达数据文件。

（1）在ENVI主菜单栏中选择“File>Open External File>Radar＞相应雷达传感器类型”，在d出的文件选择对话框中，选择SAR IM P IPXBJG20090217.E2波段数据文件， （注意：ERS-2雷达影像不同于其他光学影像，文件格式类型是E2）。ENVI将自动提取头文件信息，并把图像波段输入到可用波段列表中。

（2）在ENVl主菜单中，选择“Radar>Open>Prepare Radar File＞相应雷达传感器类型”，也可打开。

在Available Bands List显示来自雷达数据的信息和参数，包括波段名；行数、样本数和波段数；文件大小；交叉格式（BSQ、BIL、BIP）；数据类型（字节、整型等）；以及数据是否已地理坐标定位等信息。

2.雷达图像纠正

（1）几何精纠正。雷达影像的几何纠正方法与光学遥感影像的处理方法一样，即也是选取地面控制点（GCPs）和建立GCPs文件的方式。可以采用Image to Map或Image to image两种方式之一来选取GCPs，具体参看本书实验十一和实验十二。

（2）自带定位参数的纠正。在ENVI主菜单中选择“Map>Georeference ENVISAT>Georeference ASAR”，d出“Select ENVISAT File”，选择雷达影像点击【OK】按钮，在“Select Output Projection”对话框中（图35-1）根据实际需要选择投影方式、输出地面控制点路径及文件名。

图35-1 选择输出投影设置对话框

在“Registration Parameters”对话框中根据实际情况的需要来对参数重新定义，选择输出的路径，命名保存。纠正的目的就是赋予雷达图像地理坐标定位的信息，有利于之后信息的提取工作。

（3）天线阵列校正（Antenna Pattern Correction）。由于仪器的天线接受阵列，雷达图像在垂直于行程方向有明显的畸变。ENVI的天线阵列校正函数可以用来消除这种畸变。计算出方位角平均值，并作图显示行程方向上的平均变化。由用户限定次数的一个多项式函数可以用来消除接受时产生的畸变，可以选择加法或乘法校正。天线阵列校正 *** 作方法如下：◎在ENVl主菜单选择“Radar>Antenna Pattern Correction”，在打开的“Antenna Pattern Input File”对话框中，选择雷达图像文件。

◎在打开的“Antenna Pattern Correction Parameters”对话框中（图35-2），编辑以下参数。

等斜距记录方向（Range Direction）：列（Samples）或行（Lines），可以通过查看图像数据的头文件确定记录方式；

校正方法（Correction Method）：可选择加法（Additvie）或乘法（Multiplicative），常用乘法校正作雷达天线阵列畸变校正；

多项式次数（Polynomial Order）：多项式次数根据需要进行改变，最大次数为5。

点击“Plot Polynomial”，显示出一张红色平均值图（图35-3），上面叠置着白色的、选择的多项式的拟和，多项式的最高次数可以根据需要改变，并再次作图（最好用一个低次多项式），以便不消除后向散射信号中的局部改变。

设置完以上参数后选择输出路径及文件名，点击【OK】按钮，执行 *** 作。

图35-2 天线阵列校正参数窗口

图35-3 天线阵列校正曲线图

.3 图像增强

ENVI包括几个自适应滤波器，它们可以用于SAR 处理。自适应滤波器（Adaptive Filters）运用围绕每个像元值标准差来计算一个新的像元值。不同于传统的低通平滑滤波，自适应滤波器在抑制噪声的通透时保留了图像的高频信息和细节。Adaptive Filters包括LEE、Frost、Gamma、Kuan、用于减少图像斑点的局部σ滤波器，以及消除坏像元的比特误差滤波器（Bit Errors filter）。

自适应滤波器可用通过ENVI主菜单中的“Filters>Adatove＞滤波器或者主菜单＞Radar>Adaptive Filters＞滤波器”途径打开相应类型的滤波器，如图35-4所示。自适应滤波器包括如下几种。

（1） LEE滤波器：用于平滑亮度各图像密切相关的噪声数据以及附加或倍增类型的噪声；

（2） Enhance LEE滤波器：可以在保持雷达图像纹理信息的同时减少斑点噪声；

（3） Frost滤波器：能在保留边缘的情况下，减少斑点噪声；

（4） Enhance Frost滤波器：可以在保持雷达图像纹理信息的同时减少斑点噪声；

（5） Gamma滤波器：可以用于在雷达图像中保留边缘信息的同时减少斑点噪声；

（6） Kuan滤波器：用于在雷达图像中保留边缘的情况下，减少斑点噪声；

（7） Local Sigma滤波器：能很好地保留细节并有效地减少斑点噪声，即使是在对比度较低的区域；

（8） Bit Error Filters比特误差滤波器：可以消除图像中的“bit-error”噪声。

图35-4 LEE滤波器参数窗口

4.合成彩色图像（Synthetic Color Image）

可以使用“Synthetic Color Image”项将一幅灰阶图像转换成一幅彩色合成图像。这个转换通常用于将大比例尺雷达数据在保留有用细节情况下增强其中细微特征的显示。 *** 作步骤如下：

图35-5 合成彩色参数窗口

（1）在 ENVI 主菜单中选择“Radar>Synthetic Color Image”，在文件选择对话框中选择输入文件，单击【OK】按钮。

（2）在“Synthetic Color Parameters”对话框中（图35-5），输入高通滤波（High Pass Kerenl Size）和低通滤波交换核大小（Low Pass Kerenl Size）。

（3）输入饱和度（Saturation Value）：范围0～1，该值越大图像颜色越深或者越纯。

（4）选择输出路径及文件名，单击【OK】按钮执行合成彩色图像处理，处理得到的结果将自动加载在可用波段列表中，并可用在“Display”中显示。

六、实验报告

（1）简述实验过程。

（2）回答问题：①雷达遥感对云层和地面植被具有穿透性，将本次实验处理得到的桂林市ERS-2图像，与在实验二或实验九得到的桂林市TM影像进行比较，寻找两种影像特征之间的差异。②与被动遥感图像的几何校正相比，雷达图像的校正有哪些不同的新内容？③有哪些黑白雷达遥感图像增强方法？有哪些彩色雷达遥感图像增强方法？④熟悉雷达影像处理后，思考下列问题：SAR图像、多光谱图像、高分辨率图像三者之间融合的方案，是否融合后的图像具有高分辨率多光谱穿透性强的特点？

实验报告格式见附录一。

ENVIMAG/VLF地球物理系统是由加拿大Scintrex公司生产的磁测系统，其外貌如图4-5-13所示。它具有多项测量功能，包括磁力仪、磁梯度仪测量和甚低频测量。磁力仪测量方式时，不但可定点测量还可以采用连续行走方式测量地磁总场强度。其探头可以安装在背架上以更快的速度测量。它还可以自身做日变校正。当采用磁梯度仪测量方式时，它可同时提供总场和梯度数据。将两个探头固定在背架上可以测量地磁场的垂直梯度，这样消除了日变的影响。甚低频测量方式观测来自三个不同甚低频发射点上感应出来的二次场和总场的甚低频信号相位和相位差。唯一的三线圈探头为一个全方位探头，因此不必选择探头方向，提高了测量速度。它也可以利用两个或三个探头来测量甚低频感应电场，最后给出视电阻率和相位角度。它还可将已有的测量结果以剖面图，数据表等形式回放检查。它是由探头、主机、探杆、充电器、电缆、背架等组成。ENVI型磁力仪是与MP-4质子磁力仪同类型新的一种带微处理机的高分辨率仪器，其测地磁总场的原理与CZM-3型相同。

图4-5-13 ENVIMAG型质子旋进磁力仪外貌

(一)仪器的结构原理及应用范围

ENVI系统使您能灵活地寻找越来越难以发现的异常体。一整套ENVI系统经济、轻便，是具有VLF功能的便携式质子旋进式磁力仪/梯度仪(图4-5-13)，可确保您进行大面积快速、准确地测量，并能以图标形式实时监控数据质量，避免无效工作能使您寻找越来越难以发现的异常体。它适用于:①环境场地特征②地下水勘探③矿产勘探④考古学⑤地质填图⑥地下水研究⑦土工技术研究⑧土木工程。

(二)主要技术指标

应用地球物理教学实习指导

在2s采样率时“行走”模式

0.5s循环率

本键盘共有17个键，其中有最常用的键分别安置在仪器的面板的左侧和右侧(图4-5-14)，即开始/停止“START/STOP”键和记录键“RECORD”。有些键还有三重功能，各种功能体现在不同工作进程之中。

图4-5-14 ENVIMAG型质子旋进磁力仪控制台面板

·ON/OFF开启和关闭仪器。

·STAPT/STOP/CLEAR开始或停止某种 *** 作。

*数据采集数据回放

*查看数据

*当仪器处于文字信息显示状态时，可删除输入的内容。

·SETUP/5/MNO(设置)进入各种状态设置显示，所显示的设置菜单随当前的显示屏内容而定。只要按动此键就会出现所处的设置状态。

·AUX/1/ARC(辅助)进入该辅助功能键完成下述功能。

*设定液晶显示屏的亮度

*数据的输出

*锁定所设置的参数

*重新编制主系统软件。

·←/2/DEF→/3/GHI上、下、左、右移动光标。

·ENTER/RATE(进入)键盘上有两个类似的键，分别位于面板左、右角。

*打开和关闭设置状态期间的各项参数的选择范围

*打开和关闭图形显示期间绘图比例因子的选择范围

*在连续行走测量方式下选择坐标记的速率。

(三)ENVI磁测系统 *** 作键盘

·ESCAPE/0(退回)可从当前菜单退回到上一级菜单。最上一级菜单总是主 *** 作菜单显示。

*按此键还可以中断数据输出。

·INFO/7/STU(信息)按此键进入信息显示，在磁场测量状态下它具有不同的功能:

*在基本状态下和搜索状态下可进入帮助菜单显示

*高级状态下，它具有下述功能

*设置年、月、日和小时、分、秒

*输入仪器号和工作号以及 *** 作员识别号

*查看内存量。

·NEXT(下一个)键盘上有两个类似的键，分别位于面板左右两侧，其功能如下:

*按页顺序滚动全部数字数据显示

*按页顺序滚动全部图形数据显示

*将光标从当前页进入到下一页

*进入文字显示期间，将光标依次顺着字符移动

*在步行连续测量期间通过点号增量选择点号。

NOTE/6/FQR(注释)进入文字显示，其功能如下:

*利用所选择的读数可进入五种普通的重复记录信息

*利用特殊的读数进入所记录的唯一信息。

·NUM/GRA/4/JKL数字图形。

*只限于数据采集期间对数字和图形数据显示时做标记用。

RECALL/9/YZ(回放)。

*回放浏览数据显示选择

*显示所要回放浏览数据的类型

*设置所要回放浏览数据的开始位置“点号”及时间。

·RECORD(记录)对所测量到的数据进行手动记录并提示内存容量。

·TIE-PT/8/VWX(连接点校正)在进行连接点测量时，该键的作用如同START键，即测量键。该键只有在进行测线观测过程中遇到连接点时测量用，并还在利用上述连接点的数据进行循环状态日变校正时用。

·+-具有向前或向后反复滚动菜单表的功能:

*给数字加符号

*在回访浏览所测数据期间可按某条测线显示数据

*在显示图形时可进行比例尺选择

*在进行逐点测量时可增加或减小点线号。

·1-9，A-Z对文本输入和功能设置时都可输入字母和数字。

·Beeper/Port仪器面板左上角的空白键是一个目前还没有实际功能的键，但该键表面柔韧性的膜进一步增强蜂鸣器的音量。

·ON/OFF+AUX/LCD/1/ABC同时按下这两个键可进行冷启动 *** 作，使仪器重新回到出厂时的参数设置。

·ON/OFF+SETUP/5/MNO同时按下这两个键，可以完成下述功能:

*在总磁场测量(MAG)方式、甚低频测量(VLF)方式和总磁场与甚低频同时测量(MAG＆VLF)这三种方式任选一项

*在总磁场测量(MAG)方式下，从三种测量状态中任选一种，例如基本状态(Basic)、搜索状态(Search)或高级状态(Advanced)。

(四) *** 作过程

(1)在每个不同的测量之前，按“SETUP”和“ON”两个键，初始化仪器，进入特征菜单(图4-5-15):按“1”，“2”或“3”键选择要进入的测量状态。

图4-5-15 ENVI测量主菜单

(2)按“1”键进入磁力仪工作状态菜单，该菜单占用两个显示屏，按“+”、“-”切换，如图4-5-16所示。

图4-5-16 ENVI总场状态下应用菜单

(3)基本状态。当按“1”，“2”或“3”键时进入基本测量状态，显示如图4-5-17所示。

图4-5-17 ENVI基本测量状态菜单

在任何时候，按“NUM/GRA”键显示当前测线的最后178个点的剖面图，按“NEXT”后显示最后一个数据的进动衰减信号，再按“NUM/GRA”回到数据显示。

(4)搜索状态。从(2)中选择“4”时，显示如图4-5-18所示。

图4-5-18 ENVI搜索状态菜单

设置完毕后，按“START”键开始测量。

在任何时候，按“NUM/GRA”键显示当前测线的最后178个点的剖面图，按“NEXT”后显示最后一个数据的进动衰减信号，再按“NUM/GRA”回到数据显示。

(5)高级状态。从(2)中选择“5”，“6”或“7”进入高级状态，显示如图4-5-19所示。

图4-5-19 ENVI高级状态菜单

按“SETUP”键进入仪器功能设置显示，如图4-5-20所示。

图4-5-20 ENVI高级状态下仪器设置菜单

设置完毕后，按“START”键开始测量。按“SETUP”键进入磁力仪设置显示，如图4-5-21所示。

图4-5-21 ENVI高级状态下磁力仪设置设置菜单

设置完毕后，按ESC回到(5)，按“START”键开始测量。

在任何时候，按“NUM/GRA”键显示当前测线的最后178个点的剖面图，按“NEXT”后显示最后一个数据的进动衰减信号，再按“NUM/GRA”回到数据显示。

测量完毕后，下载数据并连接基站和野外测量磁力仪，进行日变校正:

测量前或结束后，按“AUX/LCD”键，进入附加功能显示，在这里，你可以调节显示器亮度、输出数据、进行因子测试、锁定参数设定功能和重装系统。

测量前或结束后，按“NOTER”键，进入注释功能显示，在这里，你可以输入数据文件注释。

测量前或结束后，按“INFO”键，进入信息功能显示，在这里，你可以输入数据文件的信息:测量时间、设备序列号、测量日期、 *** 作员姓名和 *** 作号。

测量前或结束后，按“RECALL”键，进入数据回放显示。

(6)这是甚低频工作状态，从(1)中按“2”进入 *** 作显示，如图4-5-22所示。

图4-5-22 甚低频测量主菜单

按“SETUP”键进入仪器设置显示，如图4-5-23所示。

图4-5-23 ENVI甚低频模式下仪器设置菜单

按“ENTER”键进入(或从主菜单中按“ENTER”进入)甚低频设置菜单，如图4-5-24所示。

图4-5-24 ENVI甚低频模式下测量参数设置菜单

设置完毕后，按ESC回到(6)，按“START”键初始化显示，初始化完毕后自动进入测量状态。

测量过程中，如需要查看正在保存的单个频率的数据，按“1”，“2”或“3”键。

Q框显示 *** 作者质量数，显示在5-6为优。

S框显示信号噪声比数，显示在9为最优。

在任何时候，按“NUM/GRA”键显示当前测线的最后178个点的剖面图，按“NEXT”后显示最后一个数据的进动衰减信号，再按“NUM/GRA”回到数据显示。

数据的回放、下载与磁力仪测量类似。

(7)如果想同时测量VLF和磁场，从(1)中按“3”键，显示如图4-5-25所示。

图4-5-25 ENVI同时测量甚低频和磁场主菜单

按“SETUP”键进入仪器设置显示，如图4-5-26所示。

图4-5-26 ENVI同时测量甚低频和磁场模式下仪器设置菜单

设置完毕后，按ESC回到(7)，按“START”键开始测量

测量过程中或完毕后，数据的显示、回放、下载和校正与前面的单独测量类似。

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