ارائه روشی جدید برای تصحیح مقدار بازپراکنش تصاویر سنتینل-1 در مناطق دارای توپوگرافی (مطالعه موردی: استان مازندران)

نوع مقاله : علمی - پژوهشی

نویسندگان

گروه فتوگرامتری و سنجش از دور، دانشکده نقشه برداری، دانشگاه خواجه نصیرالدین طوسی

چکیده

چکیده:

سابقه و هدف: در تصاویر رادار با روزنه مجازی، مقدار بازپراکنش در نواحی دارای توپوگرافی پیچیده به‌طور قابل‌توجهی تحت تأثیر قرار می‌گیرد. این مسئله منجر به کاهش دقت رادیومتریک تصاویر و بروز پدیده‌هایی نظیر کوتاه‌شدگی و وارونگی در تصویر می‌شود. چنین اثراتی موجب کاهش کیفیت و دقت اطلاعات قابل استخراج از تصاویر راداری شده و در نتیجه، تصحیح دقیق آن ها برای کاربردهای علمی امری ضروری است. در این راستا، مدل‌های متعددی برای اصلاح این تأثیرات توسعه یافته اند که به طور کلی در سه دسته اصلی طبقه بندی می شوند: مدل‌های مبتنی بر زاویه فرود محلی، مدل‌های مبتنی بر اصلاح مساحت پیکسل، و مدل‌های ترکیبی. هر یک از این رویکردها با توجه به ساختار و عملکرد خود، به نتایج قابل‌قبول و رضایت‌بخشی در تصحیح بازپراکنش دست یافته‌اند. هدف از پژوهش حاضر، توسعه مدلی نوین با توانایی بهبود دقت تصحیح بازپراکنش در تصاویر سنتینل-1 به‌ویژه در نواحی جنگلی و کوهستانی است.

مواد و روش‌ها: در این مطالعه، مدل تصحیح بازپراکنش با ترکیب دو مدل مختلف توسعه یافته است. ابتدا مدل RTF به دلیل عملکرد مطلوب در تصحیح مقدار بازپراکنش در نواحی دارای توپوگرافی شدید به‌کار گرفته شده است. با این حال، پس از اعمال این مدل، برخی نواحی واقع در پشت ارتفاعات که مدل‌سازی دقیق آن‌ها امکان‌پذیر نبود، حذف شدند. سپس مدل سینوسی بر روی تصویر اصلاح‌شده توسط مدل RTF اعمال گردید. با توجه به عملکرد مناسب این مدل در تصحیح مقدار بازپراکنش در نواحی دارای توپوگرافی ملایم، استفاده از آن محدود به پیکسل‌هایی با زاویه فرود محلی بیش از ۱۳ درجه بوده است. در نهایت، پیکسل‌های حذف‌شده در اثر اعمال مدل RTF بر روی تصویر مربوط به عبور نزولی، با مقادیر متناظر در تصویر عبور صعودی جایگزین شده‌اند. برای بررسی تعمیم‌پذیری مدل پیشنهادی که تحت عنوان«مدل RTF بهبودیافته»معرفی شده است، علاوه بر منطقه خیرودکنار استان مازندارن، در سه منطقه دیگر واقع در جنگل‌های دالخانی نیز پیاده‌سازی شده است. به منظور ارزیابی عملکرد مدل، از دو شاخص آماری کاهش واریانس و کاهش شیب رگرسیون میان زاویه فرود محلی و بازپراکنش و همچنین از روش طبقه‌بندی گونه‌های درختی استفاده شده است.

نتایج و بحث: در تصویر مربوط به منطقه خیرودکنار، واریانس بازپراکنش در پلاریزاسیون VVپس از تصحیح با مدل RTF به میزان 86.1%و پس از اعمال مدل RTF بهبودیافته به میزان 91.6% نسبت به تصویر اولیه کاهش یافته است. همچنین، در پلاریزاسیونVH، واریانس پس از تصحیح با مدل RTF به میزان 90% و پس از اعمال مدل RTF بهبودیافته به میزان 93.4% نسبت به تصویراولیه کاهش یافته است. شیب خط رگرسیون بین زاویه فرود محلی و بازپراکنش در پلاریزاسیون VV از مقدار 0.00201- در مدل RTF به 0.00011- در مدل بهبودیافته کاهش یافته و در پلاریزاسیون VH نیز از 0.00033- در مدل RTF به 0.00016- در مدل بهبودیافته کاهش یافته است که بیانگر کاهش قابل‌توجه اثرات توپوگرافی می‌باشد. همچنین، صحت کلی و ضریب کاپا طبقه‌بندی گونه‌های درختی به ترتیب از 47% و 0.18 در مدل RTF به 52% و 0.26 در مدل RTF بهبودیافته افزایش یافته است. به‌منظور بررسی تعمیم‌پذیری مدل، دو روش آماری ارزیابی بر روی سه منطقه دیگر واقع در جنگل‌های دالخانی اعمال شده است. نتایج به دست آمده نیز نشان‌دهنده بهبود قابل توجه بازپراکنش در این مناطق بود.

نتیجه‌گیری: مدل RTF بهبودیافته با ترکیب مزایای دو مدل RTF و سینوسی و بهره‌گیری همزمان از تصاویر عبور صعودی و نزولی سنتینل-1، توانسته است بهبود چشمگیری در تصحیح مقدار بازپراکنش ارائه دهد. این مدل جدید نه تنها دقت بالاتری نسبت به مدل‌های جداگانه دارد، بلکه با کاهش اثرات منفی توپوگرافی، کیفیت تصاویر تصحیح‌شده را به طرز قابل توجهی افزایش می‌دهد. بنابراین، این روش می‌تواند به عنوان یک ابزار قدرتمند در پژوهش‌های مرتبط با تحلیل تصاویر راداری مورد استفاده قرار گرفته و به محققان در دستیابی به نتایج دقیق‌تر کمک نماید.

کلیدواژه‌ها


عنوان مقاله [English]

Development of a New method for Backscatter Correction of Sentinel-1 images in Topographic Regions, Case Study: Mazandaran Province

نویسندگان [English]

  • Yaser Hajrajabi
  • Mahmod reza Sahebi
  • Elahe Khesali
Photogrammetry and remote sensing Department geomatic Faculty K. N. Toosi university of technology
چکیده [English]

Abstract

Background and Aims: In Synthetic Aperture Radar (SAR) images, the backscatter value is significantly affected in areas with complex topography. This issue leads to a reduction in the radiometric accuracy of the images and causes phenomena such as foreshortening and layover. Such effects degrade the quality and reliability of information extractable from radar imagery, making their accurate correction essential for scientific applications. In this regard, numerous models have been developed to rectify these effects, which are generally classified into three main categories: models based on the local incidence angle, models based on pixel area correction, and hybrid models. Each of these approaches has achieved satisfactory results in backscatter correction according to its structure and performance. The present study aims to develop a novel model with high accuracy for backscatter correction in Sentinel-1 images, particularly in forested and mountainous regions.

Materials and Methods: In this study, a backscatter correction model was developed by combining two different models. First, the RTF (Radiometric Terrain Flattening) model was applied due to its favorable performance in correcting backscatter values in areas with severe topography. However, after applying this model, some areas located behind the elevations, which could not be accurately modeled, were eliminated. Subsequently, the sinusoidal model was applied to the image corrected by the RTF model. Given the suitable performance of this model in correcting backscatter in areas with gentle topography, its application was restricted to pixels with a local incidence angle exceeding 13 degrees. Finally, the pixels eliminated by the application of the RTF model on the descending pass image were replaced with their corresponding values from the ascending pass image. To investigate the generalizability of the proposed model, introduced as the "Improved RTF model", it was implemented not only in the Kheyrudkenar region of Mazandaran province but also in three other areas within the Dalkhani forests. To evaluate the model's performance, two statistical indices variance reduction and the reduction of the regression slope between the local incidence angle and backscatter as well as a tree species classification method were used.

Results and Discussion: In the image of the Kheyrudkenar region, the backscatter variance in VV polarization was reduced by 86.1% after correction with the RTF model and by 91.6% after applying the Improved RTF model, relative to the original image. Furthermore, in VH polarization, the variance decreased by 90% following the RTF model correction and by 93.4% with the Improved RTF model. The slope of the regression line between the local incidence angle and backscatter in VV polarization decreased from -0.00201 for the RTF model to -0.00011 for the improved model, and in VH polarization, it was reduced from -0.00033 to -0.00016, indicating a significant reduction in topographic effects. Additionally, the overall accuracy and Kappa coefficient of the tree species classification increased from 47% and 0.18 with the RTF model to 52% and 0.26 with the Improved RTF model, respectively. To assess the model's generalizability, the two statistical evaluation methods were applied to three other regions in the Dalkhani forests. The obtained results also demonstrated a significant improvement in backscatter correction in these areas.

Conclusion: The Improved RTF model, by combining the advantages of both the RTF and sinusoidal models and simultaneously utilizing ascending and descending Sentinel-1 imagery, has provided a remarkable improvement in backscatter value correction. This new model not only exhibits higher accuracy than the individual models but also significantly enhances the quality of the corrected images by mitigating the negative effects of topography. Therefore, this method can serve as a powerful tool in research related to the analysis of radar imagery, assisting researchers in achieving more accurate results.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Radar
  • Radiometric Correction
  • Improved RTF Model
  • Backscatter
  • Topography
  • Sentinel-1