本文關(guān)鍵詞：機(jī)載X-波段雙天線干涉SAR森林結(jié)構(gòu)參數(shù)估測(cè)方法　出處：《中國(guó)林業(yè)科學(xué)研究院》2015年博士論文　論文類型：學(xué)位論文

  更多相關(guān)文章： 機(jī)載SAR X-波段雙天線InSAR 多角度 森林樹(shù)高 森林AGB

【摘要】：森林樹(shù)高與森林地上生物量(Above Ground Biomass,AGB)作為森林重要的結(jié)構(gòu)參數(shù),其精確測(cè)量對(duì)于森林生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)活動(dòng),研究全球氣候變化和全球碳循環(huán),分析森林在碳儲(chǔ)存和水氣變化等方面的作用具有重要的意義。合成孔徑雷達(dá)(Synthetic Aperture Radar,SAR)數(shù)據(jù)已成為估測(cè)森林結(jié)構(gòu)參數(shù)的重要數(shù)據(jù)源,按波長(zhǎng)區(qū)分,可分為長(zhǎng)波長(zhǎng)SAR和短波長(zhǎng)SAR。以往的研究中利用長(zhǎng)波長(zhǎng)SAR估測(cè)森林參數(shù)得到了較好的結(jié)果,同時(shí)也表明了短波長(zhǎng)SAR具有估測(cè)森林參數(shù)的潛力。短波長(zhǎng)SAR具有穿透力弱,容易與冠層發(fā)生散射的特點(diǎn),其優(yōu)勢(shì)在于能夠反映冠層信息;其弱勢(shì)在于無(wú)法探測(cè)林下地表相位,不利于森林樹(shù)高的估測(cè),并且難以與森林AGB的主體—樹(shù)干發(fā)生作用,不利于森林AGB的估測(cè)。鑒于利用X-波段估測(cè)森林參數(shù)存在的問(wèn)題,本文將利用多個(gè)觀測(cè)角度的機(jī)載X-波段雙天線In SAR數(shù)據(jù)研究了森林樹(shù)高以及森林AGB的估測(cè)方法。主要研究?jī)?nèi)容分為以下幾個(gè)方面:1)X-波段對(duì)森林的穿透深度與觀測(cè)角度的關(guān)系X-波段由于穿透力弱對(duì)獲取冠層相位中心有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì),但難以獲取林下地面相位,鑒于此,本文研究了森林樹(shù)高差分估測(cè)方法,利用In SAR獲取的數(shù)字表面模型(Digital Surface Model,DSM)與機(jī)載激光雷達(dá)(Light Detection And Ranging,Li DAR)獲取的高精度數(shù)字高程模型(Digital Elevation Model,DEM)進(jìn)行差分估測(cè)森林樹(shù)高,并利用Li DAR獲取的冠層高度模型(CHM)對(duì)估測(cè)結(jié)果進(jìn)行了精度檢驗(yàn),驗(yàn)證結(jié)果顯示R2最高為0.82,均方根誤差(Root Mean Square Error,RMSE)最低為1.1m。對(duì)各個(gè)觀測(cè)角度的估測(cè)樹(shù)高的差異進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn),相位中心的高度受入射角的影響,入射角越大,相位中心相對(duì)較高,入射角越小,相位中心相對(duì)較低。研究結(jié)果表明,雖然X-波段穿透力弱,但對(duì)于本實(shí)驗(yàn)區(qū)相對(duì)較稀疏,樹(shù)高較低的森林,仍表現(xiàn)出一定的穿透性,其相位中心低于冠層高度。并且由于X-波段穿透力弱容易發(fā)生散射作用,對(duì)森林結(jié)構(gòu)敏感,以不同的角度觀測(cè),與微波發(fā)生作用的森林結(jié)構(gòu)存在差異,其穿透深度隨入射角的增大而減小。2)無(wú)高精度DEM輔助下的相干系數(shù)估測(cè)森林樹(shù)高利用差分法估測(cè)森林樹(shù)高需要借助外部高精度DEM,這制約了X-波段應(yīng)用于森林樹(shù)高的估測(cè),因此,本文研究了基于相干系數(shù)的森林樹(shù)高估測(cè)方法,利用X-波段雙天線In SAR數(shù)據(jù)無(wú)時(shí)間去相干的影響,又難以探測(cè)到林下地表的特點(diǎn),假設(shè)其干涉相干全部來(lái)自體散射去相干,從而由植被相干模型通過(guò)勒讓德展開(kāi)式截取第零階得到了相干系數(shù)估測(cè)樹(shù)高模型,利用精度檢驗(yàn)樣本對(duì)估測(cè)結(jié)果進(jìn)行精度驗(yàn)證,估測(cè)精度與差分法估測(cè)精度相當(dāng),且估測(cè)結(jié)果與森林樹(shù)高較為一致,不需要標(biāo)定。研究結(jié)果表明,對(duì)于X-波段雙天線模式的In SAR數(shù)據(jù),僅基于單極化相干系數(shù)就可以得到較高的樹(shù)高估測(cè)精度,且估測(cè)的樹(shù)高不需要實(shí)測(cè)樹(shù)高進(jìn)行標(biāo)定,也不需要已知高精度DEM信息,這種估測(cè)方法對(duì)于我國(guó)東北大興安嶺森林具有較強(qiáng)的適用性和推廣性。3)無(wú)高精度DEM輔助下的多角度觀測(cè)估測(cè)森林樹(shù)高根據(jù)X-波段SAR對(duì)林分冠層穿透深度隨入射角增大而減小的特點(diǎn),本文提出了多角度觀測(cè)估測(cè)森林樹(shù)高的方法,利用接近冠層的高度與接近地面的高度之差估測(cè)森林樹(shù)高,精度驗(yàn)證結(jié)果顯示基于像元的估測(cè)精度較低,以一定大小的窗口為單元的估測(cè)結(jié)果精度有所提高,并隨著窗口的增大估測(cè)精度逐漸增大并飽和,這是由于窗口的增大增加了同時(shí)獲取到接近冠層高度和接近地面高度的機(jī)率,使得兩個(gè)高度之差更接近于樹(shù)高。研究結(jié)果表明了多角度觀測(cè)估測(cè)森林樹(shù)高方法的可行性,但由于本文多角度數(shù)據(jù)角度差異較小,多角度觀測(cè)的優(yōu)勢(shì)不能充分得到發(fā)揮,使得估測(cè)結(jié)果誤差偏大,此方法需要利用仿真數(shù)據(jù)進(jìn)行深入分析研究。4)多角度觀測(cè)估測(cè)森林AGB方法根據(jù)X-波段SAR對(duì)林分冠層穿透深度隨入射角增大而減小的特點(diǎn),本文提出了多角度觀測(cè)估測(cè)森林AGB的方法。此方法是根據(jù)不同角度的觀測(cè)估測(cè)的高度在垂直方向上的分布構(gòu)建森林垂直結(jié)構(gòu)剖面,并提取剖面參數(shù)估測(cè)森林AGB,不同觀測(cè)角度的組合構(gòu)建的剖面各異,進(jìn)而影響剖面參數(shù)與森林AGB的相關(guān)性。因此,本文對(duì)最優(yōu)角度組合進(jìn)行了分析選擇,提取了剖面結(jié)構(gòu)參數(shù),并對(duì)各個(gè)參數(shù)與森林AGB的相關(guān)性進(jìn)行了分析,并基于剖面參數(shù)建立了森林AGB估測(cè)模型。利用Li DAR森林AGB對(duì)估測(cè)結(jié)果進(jìn)行精度驗(yàn)證,驗(yàn)證結(jié)果顯示利用剖面參數(shù)可以得到較高的森林AGB估測(cè)精度,且優(yōu)于只利用樹(shù)高得到的估測(cè)精度。研究結(jié)果表明,利用不同觀測(cè)角度的相位中心高度可以構(gòu)建森林垂直結(jié)構(gòu)剖面,從而基于剖面參數(shù)估測(cè)森林AGB,其剖面參數(shù)比單一的樹(shù)高信息能更精確地估測(cè)森林AGB,綜合利用多角度觀測(cè)提取的森林垂直結(jié)構(gòu)剖面信息可提高森林地上生物量的估測(cè)精度。本文的創(chuàng)新點(diǎn)體現(xiàn)在三個(gè)方面:第一,通過(guò)不同角度的觀測(cè),分析了X-波段對(duì)森林的穿透深度與觀測(cè)角度的關(guān)系,揭示出X-波段對(duì)森林結(jié)構(gòu)的敏感性,這有助于深入理解X-波段在森林中的散射機(jī)理;第二,基于不同觀測(cè)角度的穿透深度不同,提出了利用多角度觀測(cè)的穿透深度差異估測(cè)森林樹(shù)高的方法,這為無(wú)高精度DEM輔助的情況下估測(cè)森林樹(shù)高提供了解決途徑;第三,基于不同觀測(cè)角度能夠反映不同的森林結(jié)構(gòu)特征,提出了利用多角度觀測(cè)構(gòu)建森林垂直結(jié)構(gòu)剖面,提取并利用剖面參數(shù)估測(cè)森林AGB的方法,為短波長(zhǎng)In SAR估測(cè)森林AGB提供了新思路,并為發(fā)展多角度觀測(cè)估測(cè)森林AGB的物理模型提供了基礎(chǔ)。
【學(xué)位授予單位】：中國(guó)林業(yè)科學(xué)研究院
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號(hào)】：S771

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本文編號(hào)：1316347