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

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【摘要】：森林樹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),其精確測量對于森林生產(chǎn)經(jīng)營活動,研究全球氣候變化和全球碳循環(huán),分析森林在碳儲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(Synthetic Aperture Radar,SAR)數(shù)據(jù)已成為估測森林結(jié)構(gòu)參數(shù)的重要數(shù)據(jù)源,按波長區(qū)分,可分為長波長SAR和短波長SAR。以往的研究中利用長波長SAR估測森林參數(shù)得到了較好的結(jié)果,同時也表明了短波長SAR具有估測森林參數(shù)的潛力。短波長SAR具有穿透力弱,容易與冠層發(fā)生散射的特點,其優(yōu)勢在于能夠反映冠層信息;其弱勢在于無法探測林下地表相位,不利于森林樹高的估測,并且難以與森林AGB的主體—樹干發(fā)生作用,不利于森林AGB的估測。鑒于利用X-波段估測森林參數(shù)存在的問題,本文將利用多個觀測角度的機載X-波段雙天線In SAR數(shù)據(jù)研究了森林樹高以及森林AGB的估測方法。主要研究內(nèi)容分為以下幾個方面:1)X-波段對森林的穿透深度與觀測角度的關(guān)系X-波段由于穿透力弱對獲取冠層相位中心有獨特的優(yōu)勢,但難以獲取林下地面相位,鑒于此,本文研究了森林樹高差分估測方法,利用In SAR獲取的數(shù)字表面模型(Digital Surface Model,DSM)與機載激光雷達(Light Detection And Ranging,Li DAR)獲取的高精度數(shù)字高程模型(Digital Elevation Model,DEM)進行差分估測森林樹高,并利用Li DAR獲取的冠層高度模型(CHM)對估測結(jié)果進行了精度檢驗,驗證結(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。對各個觀測角度的估測樹高的差異進行分析發(fā)現(xiàn),相位中心的高度受入射角的影響,入射角越大,相位中心相對較高,入射角越小,相位中心相對較低。研究結(jié)果表明,雖然X-波段穿透力弱,但對于本實驗區(qū)相對較稀疏,樹高較低的森林,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,對森林結(jié)構(gòu)敏感,以不同的角度觀測,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)無高精度DEM輔助下的相干系數(shù)估測森林樹高利用差分法估測森林樹高需要借助外部高精度DEM,這制約了X-波段應(yīng)用于森林樹高的估測,因此,本文研究了基于相干系數(shù)的森林樹高估測方法,利用X-波段雙天線In SAR數(shù)據(jù)無時間去相干的影響,又難以探測到林下地表的特點,假設(shè)其干涉相干全部來自體散射去相干,從而由植被相干模型通過勒讓德展開式截取第零階得到了相干系數(shù)估測樹高模型,利用精度檢驗樣本對估測結(jié)果進行精度驗證,估測精度與差分法估測精度相當(dāng),且估測結(jié)果與森林樹高較為一致,不需要標(biāo)定。研究結(jié)果表明,對于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高估測精度,且估測的樹高不需要實測樹高進行標(biāo)定,也不需要已知高精度DEM信息,這種估測方法對于我國東北大興安嶺森林具有較強的適用性和推廣性。3)無高精度DEM輔助下的多角度觀測估測森林樹高根據(jù)X-波段SAR對林分冠層穿透深度隨入射角增大而減小的特點,本文提出了多角度觀測估測森林樹高的方法,利用接近冠層的高度與接近地面的高度之差估測森林樹高,精度驗證結(jié)果顯示基于像元的估測精度較低,以一定大小的窗口為單元的估測結(jié)果精度有所提高,并隨著窗口的增大估測精度逐漸增大并飽和,這是由于窗口的增大增加了同時獲取到接近冠層高度和接近地面高度的機率,使得兩個高度之差更接近于樹高。研究結(jié)果表明了多角度觀測估測森林樹高方法的可行性,但由于本文多角度數(shù)據(jù)角度差異較小,多角度觀測的優(yōu)勢不能充分得到發(fā)揮,使得估測結(jié)果誤差偏大,此方法需要利用仿真數(shù)據(jù)進行深入分析研究。4)多角度觀測估測森林AGB方法根據(jù)X-波段SAR對林分冠層穿透深度隨入射角增大而減小的特點,本文提出了多角度觀測估測森林AGB的方法。此方法是根據(jù)不同角度的觀測估測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)估測森林AGB,不同觀測角度的組合構(gòu)建的剖面各異,進而影響剖面參數(shù)與森林AGB的相關(guān)性。因此,本文對最優(yōu)角度組合進行了分析選擇,提取了剖面結(jié)構(gòu)參數(shù),并對各個參數(shù)與森林AGB的相關(guān)性進行了分析,并基于剖面參數(shù)建立了森林AGB估測模型。利用Li DAR森林AGB對估測結(jié)果進行精度驗證,驗證結(jié)果顯示利用剖面參數(shù)可以得到較高的森林AGB估測精度,且優(yōu)于只利用樹高得到的估測精度。研究結(jié)果表明,利用不同觀測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)估測森林AGB,其剖面參數(shù)比單一的樹高信息能更精確地估測森林AGB,綜合利用多角度觀測提取的森林垂直結(jié)構(gòu)剖面信息可提高森林地上生物量的估測精度。本文的創(chuàng)新點體現(xiàn)在三個方面:第一,通過不同角度的觀測,分析了X-波段對森林的穿透深度與觀測角度的關(guān)系,揭示出X-波段對森林結(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理;第二,基于不同觀測角度的穿透深度不同,提出了利用多角度觀測的穿透深度差異估測森林樹高的方法,這為無高精度DEM輔助的情況下估測森林樹高提供了解決途徑;第三,基于不同觀測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)估測森林AGB的方法,為短波長In SAR估測森林AGB提供了新思路,并為發(fā)展多角度觀測估測森林AGB的物理模型提供了基礎(chǔ)。
【學(xué)位授予單位】：中國林業(yè)科學(xué)研究院
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號】：S771

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本文編號：1316347