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森林高度的单基线P波段PolInSAR反演
来源:一起赢论文网     日期:2019-06-19     浏览数:100     【 字体:

 引用格式:张林科,豆靖林.森林高度的单基线 P波段 PolInSAR反演 [J] .测绘科学,2018,43(10):96-101,116.-4,-3,0dB;其他参数与图1(b)中参数相同,分别采用传统三阶段算法与新算法进行树高反演。在利用新方法反演植被高过程中将消光系数固定为σ=0.3dB。图3(a)、图3(b)分别表示已有方法、新方法反演 果,明 反演结果相比已有方法更接近真值。从图3(a)可以看出,在经典三 下,随 度比的增加 大, 下,随着地体幅度比的增大,新 方法反演树高不会出现显著偏差。说明了新方法中将消光系数固定而对地体幅度比参数化的有效性。为了对上述结果进行定量分析,分别计算图3中反演结果的均方根误差(root mean squares error,RMSE),见图 4。对于经典三阶段方法,反演树高的 RMSE 随着地体幅度比的增加,变化范围为1.1~7.7 m。可以看到当地体幅度比达到0dB 时,已有方法的树高反演精度显著下降。对 于新方法 高反演精度显著优于已有方法反演 树高 精度,RMSE 变化范围为0.4~0.5m,RMSE 随着地体幅度比的增大无显著的增加,进 性。通过以上分析可知,新 法在不同 体幅度比条件下,均能取得较为满意的结果,说明新方法对于 P波段等长波段或短波段观测稀疏植被覆盖区条件下,均能较好地 计,新 实质上是经典三阶段方 的补充,拓宽了 经典方法的适用范围。图3 模拟实验结果对比Fig.3 Comparison of Simulation Experimental Results图4 树高反演精度随地体幅度比变化Fig.4 The Change of Forest Height Inversion Precisionwith Ground to Volume Ratio2.2 机载 E-SAR P波段真实数据实验2.2.1 实验区介绍实验区位于瑞典北部 Krycklan Catchment,地形存在 (高 围:152~372 m)。实验区林分以针叶林(松树、杉木及马尾松等)为主(比例大于80%),混有少量的阔叶林。2008年,德国宇航局等单位在 BioSAR2008项目资助下,共同协作完成机载 SAR 飞行实 验。项 X、L及 P波段全极化数据,其中 波段为双天线干涉,L、P为多轨道重轨干涉。P 波段数据获取过程中,时间基线小于1h,可忽略时间去相干的影响[8]。方位向、斜距向分辨率分别为:1.5、0.9m。入射角变化范围25~60°。大量已有研究发现 波段全极化 SAR 林生物量 有较高的 感度,积极开展 义。本文选取2景 波段全极化数据进行干涉处理用于实验验证。此外,在机载SAR 飞行实验的同时,项目组对实验区进行了机载激光雷达(light detec-tion and ranging,LiDAR)飞行实验,获取了实验区的森林高 度,本 中,将 据作为真值验证实验结果。图5为获取 段全极化 SAR 数据 Free-man分解[9]结果。其中 R、G、B 3 种颜色分别代表二面角散射、体 射。可 实验区主要呈现 种散射:① 来自 被冠层的体散射;②来 射;③直接来自地表的表 散射。实 说明实验区森林主要以体散射为主。但是注意 仍有很多区域99测绘科学 第43卷为了定量说明 上述假设对于反演植被高度的影响,进行如下 验:利 参数,结合式(1)、式(2)模拟一 组复相干系数;之后利用式(3)进行植被高度反演。图1(a)为反演树高的相对误差。通过分析可以得到如下结论:①要想保证树高反演的相对误差小于 10%,地体幅度比应小于-10dB;②当地体幅度比达到0dB 时,反演树高的相对误差将近 50%;③ 在相同地体幅度比条件下,高植被相比低矮植被具有较小的相对误差。已有研究成果 发现:对于 波段,森 林覆盖地区地体幅度比通常大于-10dB[6-7],这种条件下仍采用 m(w)=0将会导致显著的偏差,故有必要将地体散射幅度比进行参数化,获取更为准确的 “纯”体去相干系数的估值。结合式(1)、式(3),植被高度可通过式(4)进行反演。γ(w)/eiφ0=γv +m(w)1+m(w)(4)注意到式(4)中已知量有2个,未知量有3个(hv、σ、m(w)),无法获得唯一解。为了解决这一问题,下文介绍利用先验信息对消光系数σ进行约束,进而解决解算的不适定问题。大量已有研究表明:在森林高度反演过程中,森林高对消光系数σ的敏感度较低,可对σ进行固定[1,7]。为了进一步验证该假设对森林高度估值的影响,进 验: 数σ=0.2∶0.01∶0.4dB;地体幅度比m(w)=0;其他参数与表1相同。利用式(2)模拟 “纯” 体去相干系数,利用式(3)且固定σ=0.3dB 反演森林高度,反演森林高的相对误差见图1(b)。由相对误差反演结果可以看出:当消光系数的估值偏差达到30%时,森林高相对误差小于6%,这一偏差对于森林高度反演可以被接受。模 实验 定量说明了已有研究中将消光系 性。但 是,该假设建议在单基线 PolInSAR 条件或相对较为匀质的林分(如树种单一)使用,当存在多基线或复杂林分条件时,建议将消光系数作为待求参数进行求解。表1 模拟实验参数入射角/(°) kz消光系数/dB 植被高/m 地体幅度比/dB45  0.1  0.3  0∶0.1∶30 -15∶0.1∶0至此,建立了适用于P波段的三阶段反演算法,利用该算法进行植被高度反演的整体流程见图2。树高反演流程主要分为两部分:①PolInSAR 处理。主要包括:配准、去平地、多视处理、干涉、相干图1 反演树高的相对误差Fig.1 The Relative Error of Forest Height Inversion性估计。②树高反演。直线拟合、地表相位估计可参照三阶段算法进行。在树高反演过程中采用二维查找表对树高进行反演。该方法易于实现,且具有较高的运算效率及良好的稳定性。图2 反演算法流程Fig.2 The Process of Inversion Algorithm2 实验验证2.1 模拟数据实验为了验证新 法的 性,首 模拟实验:令地体幅度比 m(w)= -10,-7,-5,89引用格式:张林科,豆靖林.森林高度的单基线 P波段 PolInSAR反演 [J] .测绘科学,2018,43(10):96-101,116.可能。目前,利 PolInSAR 常用、有效的模型为随机地体二层散射模型(randomvolume over ground,RVoG)[2-3]。该 植被覆盖区由各向同性 的植 被层 及地表层构成。针对该模型的特点,文献 [2]提出六维非线性迭代方法反演森林高度,该方法首次建立了PolInSAR观测数据与植被参数的关联,利用 波段 PolInSAR数据成功反演了森林 高度。针对该算法函数模型形式复杂难以求解、参 数求 解依赖初值的可靠性差等缺陷,文献 [3]在该算法的基础上,针对 L波段极化信号散射机理特性,提出了三阶段算法。该方 RVoG 式,极大地降低了参数解算过程的复杂性且显著提高了参数反演的稳健性。但是该方法在使用过程中,需假定存在某种极化方式其回波信号中不含有地表回 号。该 X、C、L PolInSAR研究中,取得了较为满意的结果[4-5]。然而,与 P波段相比,X、C、L 穿 力,难以找到某种极化方式不含有地 献[6-7],违背了三阶段算法的假设。为此,本 散射机理 上, 线 P波段反 法。 利用先验知 RVoG 固定,在此 上, 假设进行参数化, 使 穿 特点。最后,利 E-SAR P 据进行实验验证。1 适用于P波段的三阶段反演方法1.1 RVoG原理RVoG 模型将植被覆盖区概括为:植被层为各向匀质且散射粒子方 向角 呈随 机分布;微波 号不可穿透的地表层[2]。在不考虑时间去相干 响时,极化相干系数与森林参数可通过 RVoG 模型进行关联[2]。γ(w)=eiφ0γv +m(w)1+m(w)(1)式中:w 表示极化状态,表征某种特定目标的散射特性;γ(w)表示极化状态w 对应的复相干系数;φ0表示地表相位;m(w)表示 有效 地体散射幅度 比,与极化状态有关;γv为 “纯”体去相干系数,其假定植被的垂直结构函数服从指数分布,具体 达如式(2)[2]。γv =2σ(e(2σhv/cosθ+ikzhv)-1)(2σ+ikzcosθ)(e2σhv/cosθ-1)(2)式中:θ为雷达平 角;σ为 穿 森林过程中的平均消光系数;hv为森林高度;kz表示垂直 数, 线、 长、 距、入射角有 关。 (1)可 知, 3种极 时, 便 数反演。1.2 已有三阶段法三阶段法是在六 非线性迭 算法的基础之上建立的,其反演过程主要分为3个阶段[3]。1)相干直线的确定。根据式(1),容易知道将不同极化方式的复相 系数的实 部、虚 部拆分在复数平面内 开,可 现,这 在复数平面内 线 上,即 线。由于受到噪声(时间去相干、数据处理 差等)的影响,这些复相干 线 侧,利 用整体最小二乘可以对相干直线进行重建。2)地表相位 定。根 应的相位中心的差异(如 HH-VV 极化方式的相位中心更贴近地表,HV 极化方式的相位中心更贴近植被冠层顶部),确定1)中相干直线与复数单位圆的交点中哪个 位,通 是:靠 近HH-VV 极化方式对应的复相干系数的交点为地表相位。3)“纯” 定。假 极化方式中不含有地表回波信号,即 m(w)=0,则式(1)简化为:γ(w)/eiφ0=γv (3)式 (每 供2个已知量:相位、幅 度)、2 数, 用二维查找表即可对植被高度进行参数反演。1.3 适用于 P波段的三阶段反演方法在经典三阶 算法 中,假定 极化方式其回波信号中 含有地表 射的贡献,即式(1)中m(w)=0。这一假设对于 X、C、L波段微波信号容易满足,原因在于 X、C、L 波段极化信号波长较短,与 片、尺寸较小的枝 用,微 显,地 回波信号较弱,容易满足上述假设。但 是对于 波段,其波 较长,在穿透森林 中,主 作用对象为尺寸较大的枝干,具有较强的穿透能力,地表回波信号 显[7]。这种 下,倘 定m(w)=0将会导致 “纯”体去相干系数估值出现偏差,进而降低森林参数的反演精度。79作者简介:张 (1979—), 男, 河南通许 人,高 师,主 方向为合成孔径雷达系统。E-mail:997061203@qq.com收稿日期:2017-01-26森林高度的单基线P波段PolInSAR 反演张林科,豆靖林(河南省有色金属地质矿产局 第一地质大队,郑州 450016)摘 要:针对传统三阶段方法难以适用于 P波段极化干涉合成孔径雷达(PolInSAR)植被高反演难题,该文采用先验信息对消光系数进行固定,在此基础之上,对经典三阶段算法中地体散射幅度比为0的假设进行参数化。通过模拟实验验证新方法相比已有方法在不同地体幅度比条件下均能得到较好的反演精度,且固定消光系数不会引起树高显著偏差。最后,利用2景 E-SAR P波段全极化数据进行树高度反演。实验结果表明,新方法反演树高的均方根误差(RMSE)为3.43m,相比已有方法,RMSE提高的幅度为35.7%,有效提升了传统三阶段算法的适用范围。关键词:极化干涉 SAR;森林高;地体幅度比;三阶段算法【中图分类号】P237     【文献标志码】A     【文章编号】1009-2307(2018)10-0096-06DOI:10.16251/j.cnki.1009-2307.2018.10.015Forest height inversion using single baseline P-band of polarimetric SAR interferometryAbstract:Since the classical 3-stage inversion method is not suitable for forest height inversion fromP-band polarimeric interferometry SAR(PolInSAR)data,the main idea of the proposed method was thatthe extinction could be fixed on the basis of the prior information with respect to theforest.Subsequently,instead of the null ground to volume ratio assumption,the ground to volume ratiowhich is zero in the classical 3-stage inversion method was parameterized.A simulated experiment wasfirstly conducted.It indicated that the new approach could be applied to invert more accurate forest heightunder the different ground to volume cases,moreover,the fixed extinction could not induce pronouncedbias of the forest height estimation.Finally,two E-SAR P-band PolInSAR imagines were selected forexacting the forest height.The results showed that the root mean squared error(RMSE)of differencesbetween the forest height and LiDAR-derived forest height was 3.43 m.It implied an improvement inRMSE by 35.7% in comparison to the 3-stage method.This demonstrated the new method wasavailable.Keywords:polarimeric interferometry SAR;forest height;ground to volume ratio;three-stageinversion methodZHANG Linke,DOU Jinglin(The First Geological Team,Henan Provincial Non-ferrous MetalsGeological and Mineral Resources Bureau,Zhengzhou 450016,China)0 引言森林高度是定 量分析森林生物量储量的重要数据源。与此同 时,森 管理、精准获 资料[1]。然而,传统人工观测手段受观测范围小、数据更新周期 长、费 约,难 满足对森林高度数据的 切要求,亟须寻 求一种新的技术手段来解决这 问题。极 干涉合成孔径雷达(polarimeric interferometry SAR,PolInSAR)为解决这一问题提供了契机。PolInSAR 兼容了极化SAR 对散射体空间分布敏感及InSAR 对散射体高度敏感的特性,使 具备分离 射单元内体散射、地表散射的能力[2],为提取森林高度提供了可能。此外,该技 具备全天时、全 能力,为大 围、快 速、准 获取 了测绘科学 第43卷(如虚线矩形标定区域)呈现较强的二面角散 射及表面散射。为了 分,在 区选取26个林分,对其 Freeman分解结果进行统计分析,见图6。对比已有研究中森林区 L波段回波信号散射成分[10],可见在 P波段条件下,所有林分均呈现更为显著的地表散射成分,其中表面散射回波信号贡献显著,说明 P波段相比短波段具有更强的穿透能力。这种条件下,显然难以找到某极化方式不包含地表回波信号。此外,位于图5中矩形标定区域的林分(林分9,10,11,23,25)相比其他林分呈现更为显著的表面散射及二面角散射。在对这些林分地面调查资料分析后,发现矩形标定区域具有相对较小的林分密度(小于1 000(stems·hm-1)),这种条件下,极化干 涉信号 包含显著 的地表散射贡献,难以准确对 植被冠 散射贡献 进行准确估计。图5 实验区数据 Freeman分解结果Fig.5 The Freeman Results of the Data in Test Site图6 实验区数据散射成分统计结果Fig.6 The Statistical Results of Scattering Component of the Data in Test Site2.2.2 实验与结果分析按照图 2PolInSAR 程, 景极化数 理, 计。为了尽可 射、 献,采用相位变更(phase diversity,PD)和 C&P相干优化算法进 计[11]。 化方 (PD:2 种;C&P:3 ),满足三阶段算法对观 (大 等于2种相 ), 演。 PD算法可 心, 采用 PDHigh对 “纯” 体去相干系数进 计。 据已有研 果[12], 为σ=0.3dB。由图7(a)和图7(b)可知,两种方法反演植被图7 树高反演结果Fig.7 The Results of Forest Height Inversion001

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