基于散射机理分析的极化SAR建筑物震灾损毁评估研究

Building damage evaluation after an earthquake is a key factor for making rescue and reconstruction plans. Synthetic aperture radar (SAR) as a microwave sensor can work day and night and is nearly unaffected by weather and atmospheric conditions, which is viewed as the most effective technology for earthquake damage evaluation. Since the backscattering coefficients and cross-correlation coefficients can be changed by temporal/spatial baseline, local incident angle and et al., the commonly used algorithms based on the amplitude and cross-correlation information of multi-temporal SAR images are not robust and face the bottle-neck for the further development. Polarimetric SAR (PolSAR) can obtain fully polarimetric information by transmitting and receiving microwaves with orthogonal polarization states. PolSAR can characterize the target scattering properties in detail. This project plans to explore this very promising polarimetric technology to extract more effective and robust parameters for earthquake damage evaluation, through thoroughly investigating the polarimetric scattering mechanisms changes of damaged buildings before and after an earthquake. Firstly, the theory and technology for PolSAR image understanding and interpretation will be further studied. Generalized scattering models and the corresponding interpretation theory will be developed. Then, the electromagnetic scattering properties of typical shaped buildings will be analyzed and the polarization modulation mechanism of damaged buildings will be disclosed. Moreover, a set of polarimetric parameters which can characterize and discriminate the building damage degrees will be formed. Finally, building damage evaluation technology and implementation strategy will be proposed and established based on polarimetric scattering mechanism investigation.The achievements of this project will provide solid theory, technology and application supports for polarimetric scattering mechanism interpretation and earthquake damage evaluation.

建筑物目标震灾损毁评估是制定灾后救援和重建计划的关键。合成孔径雷达(SAR)能够全天候全天时工作，被认为是震灾评估最为有效的技术途径。传统基于多时相单极化SAR图像幅度和相关系数信息的建筑物震灾损毁评估技术并不稳健，面临发展瓶颈。 极化SAR通过收发极化状态正交的电磁波获得目标的全极化信息，能够对目标散射特性进行完整刻画。本项目拟通过深入分析建筑物震灾损毁前后极化散射机理的变化，提取更有效和更稳健的特征量进行震灾损毁评估。首先，深化极化SAR图像理解与解译技术研究，建立描述极化散射机理的精细化模型及相应的解译理论，揭示震灾损毁建筑物的极化调制机理。其次，综合利用散射机理解译技术，提取并建立能够刻画和区分建筑物损毁程度的极化特征参数集合。最后，提出并建立基于极化散射机理分析的建筑物震灾损毁评估技术和优化实施方案。研究成果将为极化散射机理解译和建筑物震灾损毁评估提供理论、技术和应用支撑。

建筑物目标震灾损毁评估是制定灾后救援和重建计划的关键。极化合成孔径雷达（SAR）能够全天时全天候工作，并通过收发极化状态正交的电磁波获得目标的全极化信息，对目标散射特性进行完整刻画，是震灾评估最为有效的技术途径之一。.面向建筑物震灾损毁评估，经过三年研究，本项目完成了预期研究内容和研究目标。本项目围绕“机理解译-特征提取-评估应用”三个层面，建立了一套完整的建筑物倒损率定量评估方法。其中，在机理解译层面，提出了精细化人造目标散射模型，发展了广义极化目标分解方法，在建筑物等人造目标的解译性能方面有明显进步；提出了融合极化和干涉信息的“极化+干涉”目标分解方法，利用建筑物等人造目标和森林等自然目标不同的相干性构建散射模型，提升了人造目标解译性能。在特征提取层面，提出了统一的极化矩阵旋转理论与特征提取方法和极化相干参数旋转域解译与特征提取方法，导出了一系列新的极化特征参数集，用于建筑物损毁分析。在评估应用层面，分别基于极化目标分解和极化相干参数旋转域解译方法，提出了两种广域建筑物倒损率定量估计方法，并利用震区实测极化SAR数据开展了应用验证，证实了方法的有效性。研究成果为目标极化散射机理解译和建筑物震灾损毁评估提供了理论、技术和应用支撑。此外，部分研究成果正通过与国内多家科研机构开展合作研究进行推广应用。.在本项目资助下，项目组发表学术论文20篇，SCI收录9篇，EI收录17篇。其中，包括IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing（IEEE TGRS）论文4篇、IEEE Signal Processing Magazine 论文1篇、International Journal of Remote Sensing论文1篇。发表IEEE TGRS封面论文一篇，为该刊自1980年创刊以来大陆研究机构第四篇封面论文，并入围“2014年度中国遥感领域十大事件评选”的候选事件。此外，该论文已进入ESI前10%层次。项目组参加IGARSS、EUSAR等本领域权威国际会议7次并报告研究成果，获2015年IET国际雷达会议优秀论文奖。申请国家发明专利6项，国防专利2项，获军队科技进步一等奖1项。预计于2017年7月，本项目负责人作为第一作者将在Springer出版社出版英文专著1部，已签订出版合同。