机载X-波段双天线干涉SAR森林结构参数估测方法

发布时间：2017-12-21 16:17

  本文关键词：机载X-波段双天线干涉SAR森林结构参数估测方法　出处：《中国林业科学研究院》2015年博士论文　论文类型：学位论文

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【摘要】：森林树高与森林地上生物量(Above Ground Biomass,AGB)作为森林重要的结构参数,其精确测量对于森林生产经营活动,研究全球气候变化和全球碳循环,分析森林在碳储存和水气变化等方面的作用具有重要的意义。合成孔径雷达(Synthetic Aperture Radar,SAR)数据已成为估测森林结构参数的重要数据源,按波长区分,可分为长波长SAR和短波长SAR。以往的研究中利用长波长SAR估测森林参数得到了较好的结果,同时也表明了短波长SAR具有估测森林参数的潜力。短波长SAR具有穿透力弱,容易与冠层发生散射的特点,其优势在于能够反映冠层信息;其弱势在于无法探测林下地表相位,不利于森林树高的估测,并且难以与森林AGB的主体—树干发生作用,不利于森林AGB的估测。鉴于利用X-波段估测森林参数存在的问题,本文将利用多个观测角度的机载X-波段双天线In SAR数据研究了森林树高以及森林AGB的估测方法。主要研究内容分为以下几个方面:1)X-波段对森林的穿透深度与观测角度的关系X-波段由于穿透力弱对获取冠层相位中心有独特的优势,但难以获取林下地面相位,鉴于此,本文研究了森林树高差分估测方法,利用In SAR获取的数字表面模型(Digital Surface Model,DSM)与机载激光雷达(Light Detection And Ranging,Li DAR)获取的高精度数字高程模型(Digital Elevation Model,DEM)进行差分估测森林树高,并利用Li DAR获取的冠层高度模型(CHM)对估测结果进行了精度检验,验证结果显示R2最高为0.82,均方根误差(Root Mean Square Error,RMSE)最低为1.1m。对各个观测角度的估测树高的差异进行分析发现,相位中心的高度受入射角的影响,入射角越大,相位中心相对较高,入射角越小,相位中心相对较低。研究结果表明,虽然X-波段穿透力弱,但对于本实验区相对较稀疏,树高较低的森林,仍表现出一定的穿透性,其相位中心低于冠层高度。并且由于X-波段穿透力弱容易发生散射作用,对森林结构敏感,以不同的角度观测,与微波发生作用的森林结构存在差异,其穿透深度随入射角的增大而减小。2)无高精度DEM辅助下的相干系数估测森林树高利用差分法估测森林树高需要借助外部高精度DEM,这制约了X-波段应用于森林树高的估测,因此,本文研究了基于相干系数的森林树高估测方法,利用X-波段双天线In SAR数据无时间去相干的影响,又难以探测到林下地表的特点,假设其干涉相干全部来自体散射去相干,从而由植被相干模型通过勒让德展开式截取第零阶得到了相干系数估测树高模型,利用精度检验样本对估测结果进行精度验证,估测精度与差分法估测精度相当,且估测结果与森林树高较为一致,不需要标定。研究结果表明,对于X-波段双天线模式的In SAR数据,仅基于单极化相干系数就可以得到较高的树高估测精度,且估测的树高不需要实测树高进行标定,也不需要已知高精度DEM信息,这种估测方法对于我国东北大兴安岭森林具有较强的适用性和推广性。3)无高精度DEM辅助下的多角度观测估测森林树高根据X-波段SAR对林分冠层穿透深度随入射角增大而减小的特点,本文提出了多角度观测估测森林树高的方法,利用接近冠层的高度与接近地面的高度之差估测森林树高,精度验证结果显示基于像元的估测精度较低,以一定大小的窗口为单元的估测结果精度有所提高,并随着窗口的增大估测精度逐渐增大并饱和,这是由于窗口的增大增加了同时获取到接近冠层高度和接近地面高度的机率,使得两个高度之差更接近于树高。研究结果表明了多角度观测估测森林树高方法的可行性,但由于本文多角度数据角度差异较小,多角度观测的优势不能充分得到发挥,使得估测结果误差偏大,此方法需要利用仿真数据进行深入分析研究。4)多角度观测估测森林AGB方法根据X-波段SAR对林分冠层穿透深度随入射角增大而减小的特点,本文提出了多角度观测估测森林AGB的方法。此方法是根据不同角度的观测估测的高度在垂直方向上的分布构建森林垂直结构剖面,并提取剖面参数估测森林AGB,不同观测角度的组合构建的剖面各异,进而影响剖面参数与森林AGB的相关性。因此,本文对最优角度组合进行了分析选择,提取了剖面结构参数,并对各个参数与森林AGB的相关性进行了分析,并基于剖面参数建立了森林AGB估测模型。利用Li DAR森林AGB对估测结果进行精度验证,验证结果显示利用剖面参数可以得到较高的森林AGB估测精度,且优于只利用树高得到的估测精度。研究结果表明,利用不同观测角度的相位中心高度可以构建森林垂直结构剖面,从而基于剖面参数估测森林AGB,其剖面参数比单一的树高信息能更精确地估测森林AGB,综合利用多角度观测提取的森林垂直结构剖面信息可提高森林地上生物量的估测精度。本文的创新点体现在三个方面:第一,通过不同角度的观测,分析了X-波段对森林的穿透深度与观测角度的关系,揭示出X-波段对森林结构的敏感性,这有助于深入理解X-波段在森林中的散射机理;第二,基于不同观测角度的穿透深度不同,提出了利用多角度观测的穿透深度差异估测森林树高的方法,这为无高精度DEM辅助的情况下估测森林树高提供了解决途径;第三,基于不同观测角度能够反映不同的森林结构特征,提出了利用多角度观测构建森林垂直结构剖面,提取并利用剖面参数估测森林AGB的方法,为短波长In SAR估测森林AGB提供了新思路,并为发展多角度观测估测森林AGB的物理模型提供了基础。
【学位授予单位】：中国林业科学研究院
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：S771

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