复杂散射机制场景的SAR图像认知方法研究

This project selects the urban area and paddy rice as the research targets to face the challenges of peculiarity of SAR imaging and complexity of target/scene. Urban areas and paddy rice are strongly related to human living environment and food securitty. Human visual system has superior advantage in large amounts of visual information processing and cognition, fast and efficient. Cognitive science theory and method will be utilized in this study. SAR image recognition method applied on the scene with complex scattering mechanisms will be developed. The formation mechanism of SAR imaging will be studied by means of microwave scattering model, SAR image simulation, 3D modeling and formation. Visual optimization method for SAR image will be proposed by utilizing visual perception mechanism, human visual perception, habits and preferences, to improve SAR image understanding and interpretation to the complex scene. SAR image interpretation mode based on the mechanism model, data and knowledge will be developed combining with visual perception mechanism of complex scene and target. Multi dimension information extraction algorithm for two scenarios, urban areas and paddy rice fields, will be developed using scattering mechanism, vision optimization method and interpretation method. The results of this research will effectively reduce the application threshold of the SAR image, and promote the application of SAR image in China.

针对SAR成像的特殊性和目标/场景的复杂性，选取与人类生存和粮食安全密切相关的城市和稻田场景为研究对象，借鉴人类视觉系统可以高效、快速地处理大量视觉信息的优势，引入认知科学理论与方法，开展复杂散射机制场景的SAR图像认知方法研究。基于微波散射模型、SAR图像模拟、场景三维建模等，研究复杂散射机制场景的SAR图像特征形成机理；借鉴视觉认知机理，基于人类视觉认知习惯与偏好，研究SAR图像视觉优化方法，改善复杂场景SAR图像的呈现方式；结合人类对复杂场景和目标的视觉认知机理，开展机理模型、数据、知识驱动的SAR图像解译模式研究，阐明解译者的认知过程；在散射机理、视觉优化方法和解译模式研究的基础上，针对城市和稻田两类场景，发展适用的多维度信息提取算法。研究成果将有效降低SAR图像应用门槛，推进SAR图像的应用发展。

SAR成像的特殊性和场景的高度复杂性使得SAR图像的理解与解译非常困难。人类视觉系统可以高效、快速地处理大量视觉信息，因此，项目选取与人类生存和粮食安全密切相关的城市和稻田场景为研究对象，借鉴人类视觉系统可以高效、快速地处理大量视觉信息的优势，引入认知科学理论与方法，开展复杂散射机制场景的SAR图像认知方法研究。.主要成果包括：.（1）借助微波散射模型和SAR图像模拟，开展了目标与电磁波的相互作用机理研究。通过分析城市目标/场景高分辨率SAR成像几何畸变特征、二次散射形成机理、相邻目标的遮挡效应，结合目标SAR图像尺度方向特性分析，明确了城市目标高分辨率SAR图像特征形成机理；建立了考虑稻穗层的相干水稻微波散射模型，精确模拟水稻不同物候期的雷达响应规律，开展了水稻组件（茎叶穗等）—单株水稻—稻田场景的微波散射机理研究。.（2）根据城市、稻田场景的各类SAR图像特征，提出了基于极化参量组合优化的城市场景全极化SAR图像优化方法、基于负指数变换的城市场景高分辨率SAR视觉优化方法，以及基于Z因子的城市区域变化差异图视觉优化方法；基于稻田场景的SAR极化响应特征及其时相变化规律，建立了基于多极化组合和全极化的稻田场景SAR图像视觉优化方法。.（3）系统分析了专业人员对城市、稻田目标/场景SAR图像的解译和认知过程，发展了基于SAR图像模拟的城市目标/场景高分辨率SAR图像解译方法；针对道路目标在SAR图像上容易受遮挡、连续性差的问题，借鉴目视解译道路目标的特点，将张量投票引入城市道路网检测，有效改善了SAR图像道路提取半自动化方法的效果；将视觉注意模型引入城市快速变化区域解译，利用显著性检测对差值图进行变化区域提取，可以快速准确地识别出发生显著变化的区域。.（4）基于对解译模式的研究，提出了基于散射特征模型的城市目标/场景高分辨率SAR图像自动理解方法；针对道路目标在SAR图像上多呈现为断续的线状、条带状弱散射特征的问题，利用连接理论的“相似性、连接性”的特点，提出了基于模糊连接度的道路提取方法；针对稻田场景的特点，结合水稻监测应用需求，发展了基于多时相极化干涉数据进行水稻精细制图、水稻生理参数反演以及水稻植株高度估算的方法。.通过研究，共发表论文23篇，SCI检索12篇，出版专著1部，申请发明专利7项，申请软件登记1项，培养研究生7名，圆满完成了项目任务书中的各项指标。