极化SAR图像特征提取与分类方法研究

【摘要】极化合成孔径雷达（PolSAR）利用不同极化方式交替发射与接收雷达信号，能够获得极为丰富的目标散射信息，已成为对地探测的重要工具。极化SAR的成功应用依赖于图像解译技术，极化SAR图像解译能够揭示极化SAR图像本质，为极化SAR系统的自动目标识别建立基础。然而由于研究起步较晚，目前极化SAR图像解译技术不够成熟，还不能满足军事与民用领域的需求。为此本文立足于极化SAR图像解译的两个关键问题——特征提取与分类，开展相应的研究工作。本文研究工作包括极化SAR图像的特征提取与分类两大模块。首先，本文结合极化目标分解与非负特征值理论来开展特征提取的研究工作。其次，本文以极化特征与极化数据统计分布为基础，采用核函数、支持向量机（SVM）以及三重Markov场（TMF）对极化SAR图像分类进行系统研究。论文的主要内容可概括为如下五部分：第一部分以VanZyl工作为基础来构建非负特征值理论的知识体系。VanZyl工作主要包括两点：推导得出表征目标散射机制的协方差矩阵是半正定的；提出非负特征值分解（NNED）模型，并给出在反射对称情况下NNED解法。然而VanZyl工作在理论与方法上需要系统地拓展。本文将VanZyl工作与拓展工作统称为非负特征值理论，其中拓展工作包括：（1）将“极化矩阵应满足半正定性”命名为极化矩阵的非负特征值约束（NNEC），分析NNEC与NNED之间的关系，论述NNEC在极化目标分解中的作用；（2）解译NNED数学模型的物理意义，提出并证明NNED若干重要性质；（3）提出在非反射对称情况下NNED快速解法。非负特征值理论充实了极化SAR的基本理论，能为极化SAR信息处理的相关技术提供理论支持。本部分工作还将非负特征值理论用于确定子空间分解滤波的阈值，实测极化SAR数据实验验证了所提出的滤波方法能提高斑点噪声的抑制效果且能较好地保持边缘与点目标信息。第二部分提出非负特征值理论的NNED后向策略，解决Freeman分解的失效问题。本部分主要工作有：（1）论述Freeman分解的有效性等价于余项满足NNEC，并分析已有方法（前向策略及其衍生策略）不能确保余项满足NNEC；（2）以非负特征值理论为基础，提出了NNED后向策略，从原理上分析NNED后向策略能确保余项满足NNEC，进而解决Freeman分解的失效问题；（3）将NNED后向策略应用于Freeman分解及其改进方法，提出了Freeman分解结合非负特征值理论的极化特征提取方法。实测极化SAR数据实验验证了相比于已有Freeman分解方法，所提出的特征提取方法能明显提高城区的二面角散射功率并抑制城区的体散射功率过估计。第三部分提出非负特征值理论的NNED层次后向策略，并利用NNED后向策略与层次后向策略解决Yamaguchi分解的失效问题。本部分主要工作有：（1）理论分析与实验证实了Yamaguchi分解存在失效问题，指出通过确保余项满足NNEC来解决失效问题；（2）以非负特征值理论为基础，提出了改进的NNED后向策略——层次后向策略，它不仅能解决Yamaguchi分解的失效问题，而且能进一步减少余项功率；（3）将NNED后向策略及其层次后向策略分别应用于Yamaguchi分解及其改进方法，提出了Yamaguchi分解结合非负特征值理论的极化特征提取方法。实测极化SAR数据实验证实相比于已有Yamaguchi分解方法，所提出的特征提取方法能明显提高城区的二面角散射功率并抑制城区的体散射功率过估计，另外层次后向策略的余项功率明显低于后向策略的余项功率。第四部分首先利用SVM分类方法来评测NNED后向策略与层次后向策略提取的散射功率对极化SAR图像分类的效果，实测极化SAR数据实验表明NNED后向策略与层次后向策略提取的散射功率有助于提高极化SAR图像分类的精度。其次，利用SVM与加权合成核来构建极化SAR图像分类方法，以提高基于SVM的极化SAR图像分类方法性能。构造加权合成核的关键是确定权重系数，本文通过训练样本在特征空间上的距离来确定核函数的权重系数。实测极化SAR数据实验验证了所构造的加权合成核能有效融合多种特征，提高基于SVM的极化SAR图像分类方法性能。第五部分工作是将TMF及其改进模型应用于极化SAR图像分类，以提高基于MRF的极化SAR图像分类方法性能。本部分主要工作有：（1）分析极化SAR图像的非平稳特性，指出TMF适合处理极化SAR图像分类；（2）提出极化SAR图像分类的TMF模型及算法，利用实测极化SAR数据实验验证了TMF方法优于MRF方法；（3）分析TMF辅助场的局限性，定义了极化SAR图像的平滑特征，并将平滑特征融入到TMF模型提出了TMF-SAF模型，从原理上阐述了TMF-SAF能够克服TMF辅助场的局限性。实测极化SAR数据实验验证了极化SAR图像分类的TMF-SAF方法优于MRF与TMF方法。
【作者】刘高峰；
【导师】李明；
【作者基本信息】西安电子科技大学，信号与信息处理，2014，博士
【关键词】极化SAR；极化目标分解；非负特征值分解；核函数；三重Markov场；

【参考文献】
[1]LUONGDUCHOAI.越南企业建设工程总承包模式研究[D].北京交通大学,2014.
[2]杨萍.G蛋白偶联受体激酶5在发育期的血管新生中的作用研究[D].复旦大学,药理学,2011,硕士.
[3]孙犀铭.卡特尔宽恕制度研究[D].山东大学,经济法学,2013,硕士.
[4]乔巧.招商银行国际化的路径选择研究[D].首都经济贸易大学,国际商务（专业学位）,2013,硕士.
[5]武玉支.促进中小企业发展的财政政策研究[D].首都经济贸易大学,财政学,2014,硕士.
[6]张文佳.企业信息化与业务匹配的实证研究[D].北京邮电大学,管理科学与工程,2013,硕士.
[7]熊晓军,贺振华,黄德济,文晓涛,宁忠华.一种新的裂缝储层的数值模拟方法[J].石油地球物理勘探,2006,S1:52-56+142+145-146.
[8]王乐.小鼠口腔阴道双部位白念珠菌感染模型的构建及不同部位来源白念珠菌的毒力差异研究[D].北京协和医学院,皮肤病与性病学,2014,博士.
[9]何胜宇.滨州公路运输物流企业服务质量评价体系研究[D].西安科技大学,工商管理,2013,硕士.
[10]纳新.中国精神残疾人接受康复服务影响因素分析及对策研究[D].吉林大学,公共卫生,2012,硕士.
[11]杜加强,舒俭民,张林波,郭杨.黄河上游不同干湿气候区植被对气候变化的响应[J].植物生态学报,2011,11:1192-1201.
[12]黄杏秀.生物质发电废弃物及生物质炭肥对苗期小麦和水稻生长的影响[D].南京农业大学,农业资源利用,2013,硕士.
[13]杨友辉.非炼焦煤改性炼焦工业性试验研究[D].重庆大学,冶金工程,2014,硕士.
[14]杨甜.物流配送快递业发展的法律思考[D].复旦大学,法律,2012,硕士.
[15]户刚.不同强度脉冲压力刺激对骨缺损修复的影响[D].第四军医大学,外科学（专业学位）,2014,硕士.
[16]陈炳地,彭成信,崔征.高性能锂离子电池负极材料CoO/石墨烯纳米复合结构的超声法制备(英文)[J].TransactionsofNonferrousMetalsSocietyofChina,2012,10:2517-2522.
[17]李德利.基于FFP-TF解调技术的FBG测温系统研究[D].太原科技大学,光学,2014,硕士.
[18]王助祥.三层B/S模式在船员远程培训系统中的研究与应用[D].武汉理工大学,交通信息工程及控制,2004,硕士.
[19]廖丽军.高速列车运行控制系统仿真[D].北京交通大学,2009.
[20]李时敏.信任基本问题研究[D].东北财经大学,产业经济学,2003,硕士.
[21]汤丽拿.高中英语课程资源及其开发利用中的问题研究[D].杭州师范大学,课程与教学论,2005,硕士.
[22]贾俊丽.陈赓陈庾及其创作研究[D].山西师范大学,中国古代文学,2014,硕士.
[23]李钧涛,贾英民.用于微阵列分类的Huberized多类支持向量机(英文)[J].自动化学报,2010,03:399-405.
[24]陈强,邓洁清,潘建亚,范永璞.一起主变压器低压侧故障的分析与对策[J].电力系统自动化,2015,08:164-167.
[25]刘晓冬.三维集成电路硅通孔匹配和倒装芯片布线算法研究[D].复旦大学,微电子与固体电子学,2013,博士.
[26]陈善斌.我国商业银行个人理财业务风险防范研究[D].吉林大学,金融,2014,硕士.
[27]付元辰.服务型政府视域下的政府信息公开研究[D].长安大学,行政管理学,2014,硕士.
[28]杨光.石墨/酚醛树脂/BaTiO_3基复合PTC材料的研究[D].天津大学,材料学,2004,硕士.
[29]任玲玲.将陀螺运动引入秦皇岛市青龙县小学体育课堂的可行性调查研究[D].河北师范大学,学科教学,2014,硕士.
[30]薛玲.基于NDVI遥感数据的华北平原作物蒸散量、产量时空分布研究（1981—2001）[D].中国农业大学,气象学,2004,硕士.
[31]黄瑞敏.我国老年人监护制度研究[D].郑州大学,民商法学,2013,硕士.
[32]任金华.江苏沿海盐田复耕适宜性评价与整治分区研究[D].南京大学,自然地理学,2013,硕士.
[33]齐岩.低维阻挫系统磁性驱动铁电性的理论研究[D].东北大学,凝聚态物理,2010,硕士.
[34]陈利强,屠新泉.美国对华新能源产业实施“双轨制反补贴”战略研究[J].国际贸易问题,2013,05:67-77+103.
[35]陈丕山.基于图像采集的目标跟踪系统研究[D].中北大学,信号与信息处理,2013,硕士.
[36]刘兴富.发动机凸轮单程段检测方法初探[J].宇航计测技术.1993(04)
[37]王子帅.基于ARM的换热站智能控制器的研究与开发[D].沈阳理工大学,控制理论与控制工程,2013,硕士.
[38]杨婧.太原市保障性住房空间布局问题研究[D].山西财经大学,社会保障,2013,硕士.
[39]陈汉辉.中国电力行业结构与绩效研究[D].首都经济贸易大学,企业管理,2004,硕士.
[40]廖娟.新型表面等离子体光催化材料[D].北京邮电大学,光学,2013,硕士.
[41]黄奇萃.记者权利及其救济[D].复旦大学,新闻学,2012,硕士.
[42]母东杰.双喷嘴挡板伺服阀流固耦合特性分析及振动抑制[D].北京交通大学,2015.
[43]相福军.2010南非世界杯前四强队伍主力前锋有球技术运用特点研究[D].北京体育大学,体育教育训练学,2013,硕士.
[44]祁秀秀.p-π共轭聚合物的微波辐射合成及其荧光性能的研究[D].苏州大学,应用化学,2003,硕士.
[45]李烜桢,王焰,吕正勇,王丰青,茹瑞红,高峰,钟卫鸿.天然介体在产漆酶真菌氧化蒽和芘中的重要作用(英文)[J].微生物学通报,2014,07:1293-1298.
[46]王琳琳.实现核对严重不良反应的半自动化[D].复旦大学,药学,2012,硕士.
[47]詹鹏.中日贸易摩擦分析[D].河北大学,世界经济,2003,硕士.
[48]郑非艺.基于空气负离子浓度的建筑室内通风状态研究[D].华中科技大学,建筑技术科学,2013,硕士.
[49]覃毅,张世贤.FDI对中国工业企业效率影响的路径——基于中国工业分行业的实证研究[J].中国工业经济,2011,11:68-78.
[50]陈新年.直升机旋翼负载模拟计算机控制系统研制[D].西北工业大学,控制理论与控制工程,2004,硕士.