A resposta polarimétrica na classificação de imagens SAR. Daniel Drummond Villaça 1,2 David Fernandes 2

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1 A esosa olaiméica na classificação de imagens SAR Daniel Dummond Villaça 1,2 Daid Fenandes 2 1 Comando Geal de Oeações Aéeas - COMGAR Basília DF, Basil ddillaca@gmail.m 2 Insiuo ecnológi de Aeonáuica - IA São José dos Camos - SP, Basil daid@ia.b Absac. e deelomen of Syneic Aeue Radas (SAR) wi olaimeic caabiliy equies secific image ocessing algoims, aking ino acun e oeies elaed wi e SAR olaimeic images. e ocessing ecniques of SAR olaimey ae elaiely new, bu ey ae sowing is song oenial in e classificaion asks oug olaimeic aamees like: enoy, anisooy, angles Ala-Bea and olaimeic esonse. e main aim of is wok is o inesigae e meodology of classificaion using e calculaion of e -olaizaion and oss-olaizaion esonse of ages esen in a SAR image. By selecing samles of eac class in e image, a sandad samle can be defined and is olaimeic esonse can be elaed wi e olaizaion esonse of eac ixel in e image, nsideing e ixel neigboood. e geaes elaion efficien idenifies e ixel class. A aiaion in e classificaion meod is also oosed oug e use of e W maix, a is used in e olaimeic esonse calculaion. e main gain of using only e W maix in e classificaion is e educion in mue ocessing ime. Again, a sandad samle can be defined and is W maix can be elaed o e W maix of eac ixel in e image. Anoe classificaion ossibiliy exloed in is wok is e mbinaion of e olaimeic esonse and e W maix. e classificaion efomance was esed wi a olaimeic L-band ESAR image fom e Miowae and Rada Insiue - Geman Aeosace Cene (DLR). Palaas-cae: ada de abeua sinéica, olaimeia SAR, eosa olaiméica incial, eosa olaiméica uzada, maiz W, classificação olaiméica de imagens. 1. Inodução As imagens SAR são o esulado do ocesso de eoesalameno de uma onda eleomagnéica ansmiida m uma olaização oizonal () ou eical (), que ode se ecebida na foma de um camo eléi E e/ou E, fomando assim um njuno ossíel de imagens SAR: HH, HV, VH e VV. A ese njuno de imagens, dá-se o nome de imagens olaiméicas. Pelo incíio de eciocidade, sendo o meio omogêneo, sem aesena a oação de Faaday e m o sisema SAR calibado, as imagens HV e VH são equialenes. No neso da Polaimeia SAR, o njuno das quao imagens eesenam, aa cada ixel (icue elemen) da imagem, a maiz de esalameno [S]. Da maiz esalameno odem se esimados áios aâmeos que auxiliam na classificação e caaceização dos alos, dene eses em-se: a enoia, a anisooia, os ângulos alfa e bea e a esosa olaiméica (Lünebug, 1995; Cloude e Poie, 1996; Ulaby e Elaci, 1990; Kauss, 2007). Ese abalo esuda a classificação de imagens SAR olaiméicas, uilizando dieamene a esosa olaiméica de cada ixel da imagem. No cálculo da esosa olaiméica, no modo olaização incial e olaização uzada, é necessáio o cálculo da maiz [W], cujos elemenos são odas as ossíeis mulilicações, dois a dois, dos elemenos da Maiz Esalameno. Aalia-se ambém a classificação da imagem SAR olaiméica uilizando-se somene a maiz [W] e maa-se o esulado m a classificação ealizada m a esosa olaiméica. Ressala-se que o esfoço muacional de uma classificação m a maiz [W] é muio meno do que a classificação m as esosas olaiméicas. 7513

2 2. Resosa olaiméica Um dos elemenos inciais aa a caaceização da enegia eoesalada o um alo é a maiz de esalameno [S], que elaciona os camos esalado e incidene, nfome a elação: es in E ex{ jko} E [ ] S, HH SHV S es= in [ S] = E 4π E S VH S (1) VV in in es es onde E, E, E e E são as monenes oizonal () e eical () dos camos incidene (in) e esalado (es) e ko = 2 π / λ é o númeo de onda, sendo λ o mimeno de onda da oadoa, e a disância do alo ao ada. Nese abalo, a maiz esalameno seá nsideada no sisema de efeência BSA - Back Scaeing Alignmen (Ulaby e Elaci, 1990). Idealmene, as imagens SAR olaiméicas eesenam, aa cada ixel da imagem, a maiz esalameno do alo nido em uma célula de esolução (CR) do SAR. Em (1) a onda eleomagnéica, incidene ou efleida, é eesenada elas suas monenes oizonal e eical, mas uma oua foma de eesenação da onda eleomagnéica é o eo de Sokes (Ulaby, Elaci, 1990). Consideando uma onda eleomagnéica m as monenes oizonal e eical do camo eléi, dadas eseciamene o E e E, em-se: 2 2 E + E I0 I0 Q + U + V 2 2 Q E E s(2 ) s(2 ) ψ χ F = = Q U V U = + + (2) 2Re( E ) sin(2 ) s(2 ) E ψ χ V sin(2 χ ) 2Im( EE ) onde. é o oeado média esaísica, χ e ψ são, eseciamene, os ângulos de elisidade e de inclinação da elise de olaização da monene olaizada da onda. I 0, Q, U e V são aâmeos das monenes oizonal e eical do camo eléi, dadas eseciamene o E e E. I0 Q + U + V, mas aa uma onda dia mleamene olaizada ale a igualdade. Uma oua foma neniene de se exessa o eo de Sokes é dada o: m m F = [ R] G (3) onde m {, }, eesenando a onda ansmiida () ou ecebida (), que em monenes ( E, E ) e ( E, E ). A maiz [R] e o eo G m são definidos mo: [ R] = j j (4) 7514

3 G m m m E E m m E E = m m E E m m E E (5) Consideando-se um meio sem disoção e associando-se o camo esalado ao ecebido e o incidene ao ansmiido ode-se, a ai da exessão (1), obe-se a seguine elação: 1 2 [ ] G = W G (6) 4π onde: SHH SHH SHV SHV SHH SHV SHV S HH SVH SVH SVV SVV SVH SVV SVV SVH [ W ] = SHH SVH SHV SVV SHH SVV SHV S (7) VH SVH SHH SVV SHV SVH SHV SVV S HH o A Seção Rea Rada (σ ) e o eficiene de eoesalameno ( σ ) odem se calculados de dois modos básis (Ulaby, Elaci, 1990; Boene e al., 1998): a) Polaização incial: Quando os ângulos de olaização das ondas ansmiidas e ecebidas seguem as elações: ψ = ψ = ψ (mesma inclinação das elises de olaização) e χ = χ = χ (mesmas olaizações aa a dieia ou aa a esqueda): σ ( ψ, χ) ( ( ψ, χ)). [ R] = [ W ] [ R] ( ψ, χ) (8) onde ψ (, χ) = 1 s(2 ψ )s(2 χ) sin(2 ψ )s(2 χ) sin(2 χ) (9) [ ] é o eo de Sokes de uma onda eleomagnéica de enegia uniáia, e o σ ( ψ, χ) σ ( ψ, χ ) = (10) A CR onde A CR é a áea de uma célula de esolução. b) Polaização uzada: Quando os ângulos de olaização das ondas ansmiidas e ecebidas seguem as elações: ψ = ψ π + (oogonalidade ene a inclinação das elises de olaização) e χ 2 = χ (olaizações oosas dieia/esqueda): σ ( ψ, χ) ( ( ψ, χ)). [ R] = [ W ] [ R] ( ψ + π, χ) (11) 2 e o σ ( ψ, χ) σ ( ψ, χ ) = (12) A CR 7515

4 As funções σ ( ψ, χ ) e σ ( ψ, χ ) são as esosas olaiméicas incial e uzada de o o um alo onual e σ ( ψ, χ ) e σ ( ψ, χ ) são as esosas olaiméicas incial e uzada de um alo exenso. O oeado média. é usualmene alicado em uma izinança de uma amosa, nsideando-se que o ocesso é egódigo localmene. ano a esosa olaiméica mo a maiz mlexa [ W ] foam uilizadas aa aaliação da classificação de alos na imagem SAR ese. 3. Pocesso de Classificação Uilizou-se, nese esudo, uma imagem na banda L do sisema aeoansoado ESAR do DLR/HF (Geman Aeosace Cene Miowae and Rada Insiue ). A cena imageada é de Obeffafenofen/Gilcing na Baiea, sul da Alemana. A Figua 1 mosa uma mosição loida da imagem ese e as see classes nsideadas: isa de ouso, gama, floesa, nsuções A, nsuções B, cidade e uma áea de culio. Po meio de um ocesso de esla sueisionado, selecionou-se amosas eesenaias das classes nsideadas na imagem olaiméica ese. Calculou-se, uilizando-se uma izinança de 17 ixels em azimue e 9 ixels em alcance, a esosa olaiméica incial e uzada e a maiz [ W ] dessas amosas, denominadas de efeência. Realizou-se, enão, a classificação da imagem SAR olaiméica segundo os seguines iéios: Ciéio 1: Calculou-se o eficiene de elação ene a esosa olaiméica incial de odos os ixels da imagem, nsideando-se uma izinança de 17 ixels em azimue e 9 ixels em alcance, m a esosa olaiméica incial das amosas de efeência aa cada classe. Como iéio de classificação, foi eslida a classe elaia à amosa de efeência de maio elação m o ixel nsideado. Ciéio 2: Calculou-se o eficiene de elação ene a esosa olaiméica uzada de odos os ixels da imagem, nsideando-se uma izinança de 17 x 9 ixels, m a esosa olaiméica uzada das amosas de efeência de cada classe. Como iéio de classificação, foi eslida a classe elaia à amosa de efeência de maio elação m o ixel nsideado. Ciéio 3: Um ixel da imagem foi nsideado de uma deeminada classe, somene se foi classificado na mesma classe elos iéios 1 e 2. Ciéio 4: Calculou-se o eficiene de elação ene a maiz [ W ] de odos os ixels da imagem, nsideando-se uma izinança de 17 x 9 ixels, m a maiz [ W ] de efeência aa cada classe. Como iéio de classificação, foi eslida a classe elaia à maiz de efeência de maio elação m o ixel nsideado. Ciéio 5: Um ixel da imagem foi nsideado de uma deeminada classe, somene se ele foi classificado na mesma classe elos iéios 1, 2 e 4. A Figua 2 eesena os esulados das classificações, nsideando-se os áios iéios. Nesas imagens uilizou-se a seguine nomenclaua: CP classificação ela esosa olaiméica incial, iéio 1; CC classificação ela esosa olaiméica uzada, iéio 2; W classificação ela maiz [ W ], iéio 4; CP - CC classificação ela esosa olaiméica incial e uzada, iéio 3; e 7516

5 CP - CC - W classificação ela esosa olaiméica incial, uzada e maiz [ ] W, iéio 5. Paa odas as classificações, foam definidos limiaes de elação, abaixo do qual o ixel é nsideado não classificado. Os limiaes uilizados foam de 0,5 aa as classificações ela eosa olaiméica incial e uzada e 0,8 aa a classificação ela maiz [ W ], os ixels m elação abaixo desse alo foam aesenados na emela. Nas imagens CP - CC e CP - CC - W as áeas eas eesenam a não incidência de classes dos ixels e, oano, são ambém áeas não classificadas. De modo a aalia o desemeno da classificação, foi calculado o eficiene Kaa (K a ) (Figueiedo e Vieia, 2007) da maiz de nfusão e o seu desio adão σ ( ) aa as ês classificações básicas CP, CC e W, obendo-se: K a Classificação CP: Classificação CC: Classificação W: K = 0,788 e σ ( ) = 0,0023. a a K a K = 0,717 e σ ( ) = 0,0025. a K a K = 0,796 e σ ( ) = 0,0023. K a Pela análise do eficiene Kaa nclui-se que o desemeno dessas ês classificações é aicamene o mesmo. Analisando-se a Figua 2, obsea-se que a classe isa de ouso em uma melo disiminação uilizando-se a imagem W. A imagem CP e, incialmene, a CC aesenaam eleado falso alame. O melo esulado foi dado ela mbinação CP - CC - W. Paa a classe gama, obee-se um melo esulado m as imagens CP e CC, a imagem W deixou de classifica algumas áeas gamadas. As meloes classificações foam m a CC e CP - CC. Quano à classe floesa, a melo classificação foi m a imagem CP. A imagem W ambém aesenou um bom esulado, eneano classifiu mo floesa uma ae da egião ceno-noe. A melo classificação aa a classe cidade foi obida nas imagens CP e CC, bem mo na sua mbinação, CP - CC. Da mesma foma que aa a floesa, é naual exisiem esuuas m esosas semelanes à cidade, em áias egiões da imagem. As esuuas denominadas nsuções A, m maio eono, foam idenificadas de foma semelane nas ês imagens, CP, CC e W. A melo classificação oeu na imagem W. As esuuas denominadas de nsuções B, de meno eono, não foam idenificadas a neno m as imagens CP e CC. A classificação W aesenou o melo esulado. As classificações do culio foam semelanes em odos os méodos, m um ou mais de falso alame na imagem CC. Os meloes esulados foam nas imagens CP - CC e CP - CC - W, que aesenaam caaceísicas semelanes. esou-se, ainda, o efeio da diminuição da izinança de 17X9 ixels aa 9X5 e 3X3 ixels. A diminuição acaeou alguma meloa na classificação das nsuções A e B, momeendo, eneano, o esane das classes. 7517

6 Anais XIV Simósio Basileio de Sensoiameno Remoo, Naal, Basil, abil 2009, INPE, a) Comosição loida da imagem ESAR. b) Classes: isa de ouso (0), gama (1), floesa (2), cidade (3), nsuções A (4), nsuções B (5) e áea de culio(6). Figua 1. Imagem SAR olaiméica do ESAR/DLR. CP CC CP - CC W LEGENDA Classe 0 (Pisa de Pouso) Classe 1 (Gama) Classe 2 (Floesa) Classe 3 (Cidade) Classe 4 (Consução A) Classe 5 (Consução B) Classe 6 (Culio) Não Classificado (abaixo do limia) Não Classificado (não incidência) CP - CC - W Figua 2. Resulados da classificação da imagem olaiméica. 7518

7 4. Comenáios Finais A uilização da maiz [ W ] aa a classificação da imagem ese obee esulados maíeis m os ocessos de classificação que uilizaam a esosa olaiméica incial e uzada. Como o uso da maiz [ W ] eduz dasicamene o esfoço muacional, ese io de classificação ode se uilizado em ocessadoes que enam mo equisio de desemeno a elocidade da classificação, mo o exemlo em sisemas de emo eal embacado em aeonaes. 5. Agadecimenos Ao Laboaóio de Guea Eleônica do IA e ao ojeo CAPAER-FINEP em desenolimeno no IA elo aóio ao abalo ealizado. 6. Refeências bibliogáficas Cloude, Sane R.; Poie, E., W. A eiew of age demosiion eoems in ada olaimey. IEEE ans. on Geoscience and Remoe Sensing,. 34, n. 2, , Boe, W.; Mo, H.; Lünebeg, E.; Liingsone, C.; Bis, B.; Bown, R.; Paeson, J. Polaimey in Rada Remoe Sensing: Basic and Alied Conce, in Pinciles and Alicaions of Imaging Rada, Manual of Remoe Sensing, 3d Ed.,. 3, Hendeson F. and Lewis A., Eds., Wiley and Sons, Figueiedo, G. C.; Vieia, C. A. O. Esudo do moameno dos índices de Exaidão Global, Kaa e au, mumene usados aa aalia a classificação de imagens de sensoiameno emoo. IN: Simósio Basileio de Sensoiameno Remoo. Anais Floianoolis: INPE, CD. Kauss, C. V. M. Aaliação do Veo Esalameno nas Medidas de Enoia e Anisooia em Imagens SAR Polaiméicas (CA/IA-IEE/N-005/2007). Disseação (Mesado em Engenaia Eleônica e Comuação) - Insiuo ecnológi de Aeonáuica, São José dos Camos Lünebug, E. Pinciles of ada olaimey. Poceedings of e ans. Eleonic eoy,. E78-C, n. 10, , Ulaby, F..; Elaci, C. Rada olaimey fo geoscience alicaions. London: Aec House,