准备 SAR 影像以供分析

首先,您将在 ArcGIS Pro 中下载并打开工程。 您将在地图上添加代表巴拿马运河及其周边地区的 SAR 图像。 接下来,您需要对其进行辐射定标并更改符号系统,完成准备工作。

下载并打开工程

您将下载一个包含本教程所有数据的工程,并在 ArcGIS Pro 中将其打开。

  1. 下载 Detect_ships_with_SAR_imagery.zip 文件,然后在计算机上找到下载的文件。
    注:

    大多数 Web 浏览器默认将文件下载到计算机的 Downloads 文件夹中。

  2. 右键单击 Detect_ships_with_SAR_imagery.zip 文件并将其解压缩到计算机上的某个位置,例如 C 盘。
  3. 打开解压缩的 Detect_ships_with_SAR_imagery 文件夹,双击 Detect_ships_with_SAR_imagery.aprx 以在 ArcGIS Pro 中打开该工程。

    工程文件夹

  4. 如果出现提示,请登录 ArcGIS 组织账户。
    注:

    如果您没有 ArcGIS Pro 的访问权限或者 ArcGIS 组织账户,请参阅软件访问权限选项

    工程随即打开。

    初始工程概览

    目前,该地图仅包含以巴拿马运河为中心的默认地形底图。 您将在本教程中使用的 SAR 图像包含在工程中;您需要将其添加至地图。

  5. 单击功能区上的视图选项卡。 在窗口组中,单击目录窗格

    “目录窗格”按钮

    随即显示目录窗格。

  6. 目录窗格中,单击文件夹旁的箭头将其展开。 类似地,展开 Detect_ships_with_SAR_imageryInput Data 文件夹。

    文件夹 Detect_ships_with_SAR_imagery 和“输入数据”已展开

    输入数据文件夹包含您将在本教程中使用的大部分数据。

  7. 展开 SAR 图像文件夹,右键单击 ICEYE_GRD_SC_244270_20220207T192226.xml,然后选择添加到当前地图

    将 ICEYE_GRD_SC_244270_20220207T192226.xml 添加到地图。

    图像随即出现在地图中。

    地图上的 ICEYE_GRD_SC_244270_20220207T192226.xml

    SAR 图像于 2022 年 2 月捕获,代表了巴拿马运河及其周边地区。

    注:

    该图像来自 ICEYE 卫星影像提供商的 SAR 一级地面范围检测 (GRD) 数据产品。 ICEYE 公司成立于 2014 年,致力于利用小型 SAR 卫星星座提供关于地球的可靠且及时的信息。 这些卫星能够捕获地球表面的高分辨率图像,从而监测和分析包括自然灾害、环境变化、海洋活动和基础设施监控等多种现象。 了解关于 ICEYE SAR 数据的详细信息。 有关常用于提供 SAR 影像的 SAR GRD 和其他产品类型的详细信息,另请参阅 SAR 卫星数据

    您需要为该图层指定一个更加有意义的名称。

  8. 内容窗格中,单击 Scan_ICEYE_GRD_SC_244270_20220207T192226 图层以将其选中,然后再次单击该图层以切换至编辑模式。 输入 Panama SAR,然后按 Enter 键。

    SAR 图像被重命名为 Panama SAR

    提示:

    或者,也可以通过选中图层并按下 F2Fn+F2 键来重命名图层。

应用辐射定标

现在,您将对 SAR 图像进行辐射定标处理。 需要执行辐射定标来获取有意义的反向散射,该反向散射可以与图像中要素的物理属性相关。 有关散射回波概念的详细信息,请参阅合成孔径雷达基础知识 (SAR) 指南。 您将使用应用辐射定标工具完成定标操作。

注:

一级 SAR 数据的像素值为未经校准的数字值 (DN)。 定标过程将 DN 值转换为雷达反向散射强度值。 反向散射强度是发射信号击中地表与从地表反射回的接收信号(即 DN)之间的比例。 后向散射强度的辐射亮度可能存在差异。 因此,辐射定标在规范这些值方面至关重要,可确保从 SAR 图像中获得准确的定性观测和定量测量。

  1. 在功能区分析选项卡的地理处理组中,单击工具按钮。

    “工具”按钮

    将出现地理处理窗格。

  2. 地理处理窗格中单击工具箱选项卡。

    “工具箱”选项卡

  3. 展开影像分析工具工具箱,查看其中包含的所有工具集。

    影像分析工具箱

  4. 影像分析工具下,展开合成孔径雷达工具集。

    “合成孔径雷达”工具集

    该工具集包含 SAR 地理处理工具,其中包括应用辐射定标工具。

    提示:

    您也可以通过在地理处理窗格的搜索框中输入工具名称来查找应用辐射定标工具。

  5. 单击应用辐射定标工具以将其打开。

    “应用辐射定标”工具

  6. 设置以下工具参数:
    • 对于输入雷达数据,选择 Panama SAR
    • 对于输出雷达数据,输入 Panama SAR - Radiometric Calibration.crf
    • 对于极化波段,确保复选框已选中。
    • 对于定标类型,选择 Gamma nought

    输出将使用云栅格格式 (CRF),该格式专门针对分布式处理和存储环境中的大型栅格文件的读写而进行了优化。

    您选择 Gamma nought 选项,是因为稍后在工作流中您将使用的检测亮色海洋对象工具,需要这种校准类型的 SAR 输入。

    “应用辐射定标”工具参数

    注:

    有关校正选项的详细信息,请参阅应用辐射定标工具文档。

  7. 单击运行

    几分钟后,新 Panama SAR - Radiometric Calibration.crf 图层将显示在地图上。

    地图上的 Panama SAR - Radiometric Calibration.crf

注:

要查看图像的详细信息,请在内容窗格中右键单击 Panama SAR - Radiometric Calibration.crf 图层,选择属性,然后单击选项卡。

其中包括源图像所应用处理步骤的信息。 可以在处理历史部分找到此信息。

SAR 图像属性中的“处理历史”部分

符号化并检查校准后的影像

现在,您将更改校准后 SAR 图像默认的符号系统配色方案,更清晰地可视化测量到的反向散射。 接下来,您将检查图像,并观察其中包含的船舶和其他要素。

  1. 内容窗格中,确保已选择 Panama SAR - Radiometric Calibration.crf 图层。

    已选择 Panama SAR - Radiometric Calibration.crf 图层。

  2. 在功能区栅格图层选项卡的渲染组中,单击符号系统按钮。

    符号系统按钮

    Panama SAR - Radiometric Calibration.crf 图层的符号系统窗格随即出现。

  3. 符号系统窗格中,检查影像当前是否显示为拉伸,配色方案为黑到白。

    Panama SAR - Radiometric Calibration.crf 的“符号系统”窗格

    这意味着影像中的所有要素均以黑到白色调显示,测得的较低散射回波值以黑色显示,较高值以白色显示,二者之间的中间值采用灰色梯度。

  4. 符号系统窗格中,设置以下参数:
    • 对于主符号系统,确认已选择拉伸
    • 对于波段,确认已选择 VV 极化。
    • 对于标准差数量,键入 0.5
    • 对于 Gamma,键入 2.0

    符号系统参数

  5. 对于配色方案,展开下拉列表,然后选中显示名称框。 选择 Viridis 配色方案。

    Viridis 配色方案

    在地图上,图层将使用新的符号系统进行更新。

  6. 在功能区地图选项卡的导航组中,单击书签并选择 Northern Entrance

    Northern Entrance 书签。

    地图将更新至书签指定的位置,显示船舶在北部入口等待通过巴拿马运河。

    地图上的 Northern Entrance 视图

    最高反向散射值的区域以黄色表示,而最低反向散射值的区域以靛蓝色表示。 海洋主要呈现靛蓝色调。 陆地主要呈现蓝色调。 在海洋中,船舶则以黄色显示。

    在此图像中,最高回波散射值对应名为双次反射的散射类型。 在此类散射中,雷达信号第一次从垂直目标(船舶)反射到光滑表面(海洋)上,第二次从光滑表面反射回传感器。 这种散射类型通常出现在人造结构上(如船舶),并导致非常高的反向散射值。 请参见下图,了解双次反射散射的示例:

    双次反射散射示意图
    双次反射散射示意图。

    注:

    有关双次散射的详细信息,请参阅“合成孔径雷达基础知识 (SAR)”指南中的散射类型一节。

  7. 在功能区上,再次单击书签,选择 Southern Entrance 书签,查看在南部入口等待通过巴拿马运河的船舶。

    Southern Entrance 视图

  8. 在地图上,使用鼠标滚轮放大和缩小,并拖动以探索图像。

    大多数船舶显示为又小又细的黄色形状。 一些船舶会发出双次散射,回波散射包含高值,这些值有时可能解释为亮色加号或星形。 您将检查两个示例。

  9. 在功能区上,再次单击书签,然后选择 Ships 书签。

    显示为亮色加号或星号的船舶

    需要注意的是,这些加号和星号的交叉线并不代表实际的船舶,而仅仅是 SAR 成像的一种视觉效果。

  10. 缩小视图,并进一步观察图像中的不同要素,如海岸线、陆地和水体。
  11. 当您完成图像检查后,在功能区上,再次单击书签,选择 Overview 书签,返回到全图视图。

    符号化 SAR 图像概览

    您将保存工程。

  12. 快速访问工具栏上,单击保存以保存您的工程。

    “保存”按钮

    至此,在本工作流中,您已经完成了工程的设置,对代表巴拿马运河及其周边地区的 SAR GRD 图像进行了辐射定标,对图像进行了符号化,并检查了它包含的船舶和其他要素。 接下来,您将开始进行分析。


分析 SAR 数据

SAR 图像现已准备好进行分析。 首先,检测图像中的船只。 然后,将检测到的船只与原始图像进行比较,了解几何地形校正的重要性。

检测亮色海洋对象

使用检测亮色海洋对象工具检测 SAR 图像中的船只。 该工具采用 gamma nought 校准的 SAR 图像作为输入,并寻找高反向散射值像素簇(即明亮的物体)。 然后进行过滤,仅保留指定最小和最大长宽的亮色对象。 最后输出一个要素类,显示检测到的对象周围的矩形框。 在此图像中,检测到的亮色对象是船只。 在其他情况下,亮色对象也可能是不同类型的人造要素,例如石油钻井平台。

该工具使用两个附加输入图层:表示陆地面的要素类和数字高程模型 (DEM) 栅格。 现在,将这两个图层添加到地图中并了解它们的作用。

  1. 符号系统窗格的底部,单击目录选项卡。

    “目录”选项卡

  2. 目录窗格中,展开数据库文件夹和 Detect_ships_with_SAR_imagery.gdb 地理数据库,右键单击 Land_Polygons 要素类,然后选择添加到当前地图

    将 Land_Polygons 添加到地图。

    Land_Polygons 图层将显示在地图上。

    地图上的 Land_Polygons

    注:

    颜色是随机分配的,可能会有所不同。

    这是代表该区域地形的面图层。 检测亮色海洋对象工具将使用该图层作为遮罩,仅检测海洋中而非陆地上的船只。

    现在将添加 DEM 图层。

  3. 目录窗格中,浏览至文件夹 > Detect_ships_with_SAR_imagery > 输入数据,然后展开 DEM 文件夹。 右键单击 Panama DEM 30m.tif,然后选择添加到当前地图

    将 Panama DEM 30m.tif 添加到地图。

    DEM 图层随即出现在地图上。 Land_Polygons 图层显示在 DEM 图层的上方并部分遮挡住了它,所以我们要关闭 Land_Polygons 图层。

  4. 内容窗格中,取消选中 Land_Polygons 图层旁边的框,将其关闭。

    Land_Polygons 已关闭

    现在可以完整看到 DEM 图层。

    地图上的 DEM 图层

    DEM 图层是提供有关该区域的高程数据的栅格。 默认情况下,以黑白配色方案显示,其中最低海拔值显示为黑色,最高海拔值显示为白色。 检测亮色海洋对象工具将使用它来正射校正输出。 正射校正是校正由于传感器视角和地形起伏造成的地面物体位置明显变化的过程。

  5. 内容窗格中,关闭 Panama DEM 30m.tif 图层,不再需要对其进行可视化。

    Panama DEM 30m.tif 已关闭

    现在将运行检测亮色海洋对象工具。

  6. 地理处理窗格中,单击后退按钮。

    “返回”按钮

  7. 工具箱选项卡上的 Image Analyst 工具工具箱下的合成孔径雷达工具集中,单击检测亮色海洋对象工具将其打开。

    检测亮色海洋对象工具

  8. 设置以下工具参数:
    • 对于输入雷达数据,选择 Panama SAR - Radiometric Calibration.crf
    • 对于输出要素类,输入 Detected_Ships
    • 对于输出类型,确认已选择边界框

    检测亮色海洋对象工具参数

    注:

    检测亮色海洋对象工具需要使用 Gamma naught 方法校准的 SAR 输入(请参阅本教程前面的应用辐射校准部分)。 另一个要求是 SAR 输入不应经过任何其他处理,例如去斑或几何地形校正,因为这会改变检测亮色对象所需的像素分布。

  9. 设置以下宽度和长度参数:
    • 对于最小对象宽度,输入 5
    • 对于最大对象宽度,输入 500
    • 对于最小对象长度,输入 10
    • 对于最大对象长度,输入 700

    宽度和长度参数

    该工具只会保留检测到的宽度在 5 到 500 米之间、长度在 10 到 700 米之间的对象。

  10. 指定该工具将使用的陆地面和 DEM 图层。
    • 对于遮罩要素,选择 Land_Polygons
    • 对于要素类型,选择陆地面
    • 对于 DEM 栅格,选择 Panama DEM 30m.tif
    • 确认选中应用大地水准面校正
    • 对于掩膜容差,输入 300

    陆地面和 DEM 的参数

    注:

    要了解有关任何工具参数的更多信息,请指向该参数并单击信息按钮。

    “信息”按钮

  11. 单击运行

    几分钟后,Detected_Ships 图层将出现在地图上。

对检测到的船舶图层进行符号化和检查

更改 Detected_Ships 图层的符号系统并检查结果。

  1. 内容窗格中,确保选择 Detected_Ships 图层。

    Detected_Ships 图层已选中

  2. 在功能区要素图层选项卡的绘图组中,单击符号系统按钮。

    符号系统按钮

  3. 符号系统窗格中,单击符号图块。

    符号图块

  4. 属性选项卡的外观下,对于颜色,展开调色板并选择无颜色

    “无颜色”选项

  5. 对于轮廓颜色,展开调色板并选择亮橙色,例如电子金

    电子金颜色选项

  6. 对于轮廓宽度,输入 2 pt

    轮廓宽度参数

  7. 单击应用

    在地图上,检测到的船只在 Panama SAR - Radiometric Calibration.crf 图层上显示为亮橙色矩形。

  8. 放大并平移以检查结果。

    地图上检测到的船舶

    大多数船舶均被成功检测到。 但是,您可能会注意到橙色框与 SAR 图像上船舶位置之间存在轻微差异。

    橙色框与船舶位置之间的差异

    这个问题将在下一节中讲解并解决。

应用几何地形校正

检测亮色海洋对象工具生成了正射校正输出(在 DEM 的帮助下),而 Panama SAR - Radiometric Calibration.crf 图像尚未经过正射校正。 这解释了为什么橙色框与 SAR 图像上船舶位置之间存在轻微差异。 为了进行更准确的比较,现在将使用应用几何地形校正工具对 SAR 图像进行正射校正。

  1. 地理处理窗格中,单击后退按钮。
  2. 工具箱选项卡上的 Image Analyst 工具工具箱下的合成孔径雷达工具集中,单击应用几何地形校正工具将其打开。

    “应用几何地形校正”工具

  3. 设置以下工具参数:
    • 对于输入雷达数据,选择 Panama SAR - Radiometric Calibration.crf
    • 对于输出雷达数据,输入 Panama SAR - Geometric Terrain Correction.crf
    • 对于极化波段,确保 VV 复选框已选中。
    • 对于 DEM 栅格,选择 Panama DEM 30m.tif
    • 确认选中应用大地水准面校正框。

    “应用几何地形校正”工具参数

  4. 单击运行

    几分钟后,新图层出现。 接下来,将更改其符号系统。

  5. 内容窗格中,确保已选择 Panama SAR - Geometric Terrain Correction.crf 图层。
  6. 在功能区栅格图层选项卡的渲染组中,单击符号系统
  7. 符号系统窗格中,设置以下参数:
    • 对于配色方案,展开下拉列表,然后选中显示名称框,并选择 Viridis 配色方案。
    • 对于标准差数量,键入 0.5
    • 对于 Gamma,键入 2.0

    Panama SAR - Geometric Terrain Correction.crf 的符号系统参数

    您将看到位于北入口的船只。

  8. 在功能区的地图选项卡上,单击书签,然后选择 Northern Entrance 书签。
  9. 放大和平移,观察检测到的船只。

    Detected_Ships 要素类与 SAR 图像中的船舶对齐

    Detected_Ships 要素类现在与 Panama SAR - Geometric Terrain Correction.crf 栅格图层中的船舶对齐。

  10. 内容窗格中,尝试关闭和打开 Panama SAR - Geometric Terrain Correction.crf 图层,查看位置差异。

    关闭和打开 Panama SAR - Geometric Terrain Correction.crf 图层。

    对齐的差异清晰可见。

    并排对比没有和有几何地形校正之间的差异
    没有几何地形校正的 SAR 图层(左)和有几何地形校正的 SAR 图层(右),重点关注检测到的船舶。

    注:

    一些较大的船舶会对应多个面,因为船舶的不同部分是单独检测的。 要获得更精确的船舶计数,可以选择使用成对融合工具,并确保取消选中创建多部件要素框。

    为了更好地理解正射校正的概念,需要查看图像的其他区域。

  11. 在地图上缩小并平移到可以看到海岸线的位置。

    地图上的海岸线

  12. 内容窗格中,打开 Land_Polygons 图层。

    Land_Polygons 已开启

  13. 关闭和打开 Panama SAR - Geometric Terrain Correction.crf 图层,查看海岸线的位置是如何校正的。

    并排对比没有和有几何地形校正之间的海岸线差异
    没有几何地形校正的 SAR 图层(左)和有几何地形校正的 SAR 图层(右),重点关注检测到的海岸线。

    您可以观察到整个图像都发生了正射校正过程。

  14. 在功能区的地图选项卡中,单击书签并选择 Overview 书签转至全图范围。
  15. 内容窗格中,关闭 Land_Polygons 并确保打开 Panan SAR - Geometric Terrain Correction.crf

    Land_Polygons 和 Panama SAR - Geometric Terrain Correction.crf 概视图

  16. Ctrl+S 以保存您的工程。

在工作流程的这一部分中,使用检测亮色海洋对象工具检测了 SAR 图像中的船舶。 然后,在对 SAR 图像应用几何地形校正后,将检测到的船舶与图像进行比较。


生成船舶密度地图

创建船舶密度图层,展示检测到的船舶集中位置。 然后对图层进行符号化并解释结果。

范围内汇总

使用范围内汇总工具和 5×5 公里格网创建船舶密度图层。 首先,将格网图层添加到新地图。

  1. 目录窗格中,展开数据库Detect_ships_with_SAR_imagery.gdb,右键单击 Grid_5km,然后选择添加到当前地图

    将 Grid_5km 添加到地图。

    格网出现在地图上。 每个单元格的尺寸为 5x5 公里。

    地图上的格网图层

    目前,格网还不包含数据。

    注:

    使用创建渔网工具创建空的格网图层。

    使用范围内汇总工具来计算格网每个单元格中的船舶数量。

  2. 地理处理窗格中,单击后退按钮。 在搜索框中输入范围内汇总,然后单击范围内汇总 (分析工具) 打开工具。

    搜索范围内汇总。

    注:

    范围内汇总 (GeoAnalytics Desktop 工具) 是另一个不同的工具,不在此工作流程中使用。

  3. 设置以下工具参数:
    • 对于输入面,选择 Grid_5km
    • 对于输入摘要要素,选择 Detected_Ships
    • 对于输出要素类,接受默认名称。
    • 取消选中保留所有输入面复选框。
    • 对于形状单位,选择平方米

    范围内汇总工具参数

  4. 单击运行

    新图层出现在地图上,但您无法将其与原始网格图层区分开。

  5. 内容窗格中,关闭 Grid_5km 图层。

    Grid_5km 已关闭

    您现在可以观察到,在新图层中,仅保留了拥有一艘或多艘船的单元格。

    地图上的 Grid_5km_SummarizeWithin 图层

    查看该图层的属性表。

  6. 内容窗格中,右键单击 Grid_5km_SummarizeWithin 并选择属性表

    “属性表”菜单选项

  7. 检查 Grid_5km_SummarizeWithin 属性表中的内容。

    面计数属性由范围内汇总工具添加,包含每个格网单元格的船舶数量。

    面计数属性

  8. 检查完属性表后,关闭 Grid_5km_SummarizeWithin 属性表窗口。

    关闭窗口按钮

符号化并解释船舶密度图层

对船舶密度图层进行符号化并解释结果。 首先,您需要为该图层指定一个更加有意义的名称。

  1. 内容窗格中,单击选中 Grid_5km_SummarizeWithin,然后再次单击,进行重命名。 输入 Number of ships per grid cell,然后按 Enter 键。

    图层重命名为 Number of ships per grid cell

    接下来,更改符号系统以反映每个格网单元格的船舶数量。

  2. 确保选中 Number of ships per grid cell 图层。
  3. 在功能区要素图层选项卡的绘制组中,单击符号系统
  4. 符号系统窗格的主符号系统中,选择分级色彩

    选择了分级色彩的主符号系统参数

  5. 对于字段,选择面计数

    选择了面计数的字段参数

    既然已经对船舶密度图进行了符号化,现在就来查看哪里船舶最为拥堵。

  6. 在地图上,检查 Number of ships per grid cell 图层以及内容窗格中的相应图例。

    最终地图

    密度最高的区域显示为红色,密度最小的区域显示为黄色。 您会看到,大多数船舶都与运河的南北入口对齐,每个入口覆盖约 75 平方公里。

  7. Ctrl+S 以保存您的工程。

在本教程中,您作为巴拿马交通服务机构的分析师,使用 SAR 图像来确定巴拿马运河地区的海上交通拥堵情况。 对 SAR 图像执行了辐射定标,并更改了其符号系统。 然后使用检测亮色海洋对象工具检测 SAR 图像中的船只。 在对 SAR 图像应用几何地形校正后,将检测到的船舶与图像进行比较。 最后,生成船舶密度图层,展示检测到的船舶集中位置、对图层进行符号化并解释结果。

巴拿马交通服务机构等组织旨在通过监控各种因素和实施有效的管理策略,最大程度地减少船舶拥堵并确保平稳运营。 请注意,在现实生活中,船舶密度地图只是用于实现这些目标的工具之一。 其他重要因素还包括天气条件、进出货物量以及港口的货物处理能力。

您可以在教程库中找到更多教程。