多极化星载合成孔径雷达海岸线提取与分类机制研究

A coastline is the area where land meets ocean. The changes of coastline reflect the reciprocity of global and coastal environmental changes and human activities. Comprehensively and accurately monitoring the coastline change is important for coastal management and sustainable utilization of coastal resources. The goal of this proposal is to develop new algorithms for automatic coastline extraction and classification from satellite multi-polarization microwave synthetic aperture radar (SAR) data. The details of this proposal includes: 1) develop algorithm for automatic coastline extraction from multi-polarization SAR images; 2) apply tidal data and model for extracted coastline correction; 3) classify different types of coastlines; 4) case study to validate and evaluate the efficiency and accuracy of the proposed coastline extraction and classification methods.

海岸线是海洋与陆地的分界线。海岸线的变迁是全球环境变化、海岸环境变化以及人类活动相互作用的结果和综合反映。如何全面、准确地了解海岸线的动态变化，是实现海岸带资源科学管理和可持续利用的基础。本项目拟采用卫星多极化微波遥感对海岸线进行监测，探讨卫星多极化微波遥感的海岸线机制。具体内容包括：利用多极化合成孔径雷达（Synthetic Aperture Radar, SAR）图像提取水边线；根据水边线及其它辅助资料或模型，如验潮站潮位资料、潮汐表、潮汐模型等，提取海岸线；利用多极化SAR图像对海岸线进行分类；选取典型的海岸带，对多极化SAR海岸线提取和分类算法的精度进行验证和评价。

海岸线是海洋与陆地的分界线。微波卫星遥感穿透能力强，能全天时、全天候地获取信息，在海洋领域具有无可比拟的优势。如今，多极化合成孔径雷达具有比传统的单极化合成孔径雷达更加丰富的探测信息而备受青睐。为拓宽和深化极化合成孔径雷达海岸线检测，探究卫星多极化微波遥感的海岸线机制，我们提出了此项目。.主要研究内容有：（1）利用单极化 SAR 图像提取水边线；（2）利用多极化 SAR 图像提取水边线；（3）根据水边线及其它辅助资料或模型提取海岸线；（4）基于单极化和多极化 SAR 图像海岸线提取的精度验证；（5）基于单极化和多极化 SAR 图像海岸线提取方法的性能对比与分析。.研究的重要结果为：（1）提出了四种利用合成孔径雷达图像来提取海岸线的新方法，他们分别为“基于多尺度归一化割的单极化合成孔径雷达图像海岸线提取方法”、“基于判别割分割的单极化合成孔径雷达图像海岸线提取方法”、“基于多尺度归一化割的多极化合成孔径雷达图像海岸线提取方法”和“基于判别割分割的多极化合成孔径雷达图像海岸线提取方法”。为描述简便起见，这四种方法依次记为方法Ⅰ-Ⅳ。（2）选择了上海临港新城地区的海岸带为试验区，a) 利用实测资料验证了方法Ⅰ的海岸线提取精度。验证结果表明：采用该方法提取海岸线的精度优于图像空间分辨率的4倍；当潮滩表面含水的时候，提取精度会降低。对比和分析了该方法与另一种多极化方法（Nunziata et al., 2014）的性能。b) 对比了方法Ⅰ和方法Ⅲ的海岸线提取精度。试验结果表明：方法Ⅲ优于方法Ⅰ。c) 利用实测资料验证了方法║的海岸线提取精度。验证结果表明：采用该方法提取海岸线的精度优于图像空间分辨率的4倍。d) 对比了方法║和方法Ⅳ的海岸线提取精度。试验结果表明：方法Ⅳ优于方法║。.研究的科学意义在于将多尺度归一化割（Multiscale Normalized Cuts）和判别割（Discriminant Cuts）这两种图像分割技术分别应用于单极化和多极化合成孔径雷达图像海岸线提取当中，并取得了良好的效果，获得了同行认可。其中，方法Ⅰ发表在国际SCI期刊上，方法║发表在EI收录论文中。方法Ⅲ是方法Ⅰ的拓展和升级，方法Ⅳ是方法║的拓展和升级。这四种方法都能被用来快速、准确地确定海岸线的位置和及时更新地区或国家的海岸线信息，具有实际的应用价值。