基于极化相干层析算法反演森林垂直结构剖面研究

森林的高度和垂直结构剖面都是重要的森林空间结构信息,极化干涉SAR的出现使定量获取森林结构参数成为可能。在分析比较三阶段法、DEM差分法和相干幅度法估计森林高度的基础上,采用相干幅度算法提取的树高,通过勒让德多项式展开以及单基线极化干涉数据提取森林的垂直结构剖面。利用仿真SAR数据进行实验分析,研究表明,通过极化相干层析技术,能够获取准确的森林垂直结构函数。     

植被高度的极化干涉互协方差矩阵分解反演法

经典三阶段极化干涉SAR植被高反演算法中地面散射相位估计不准确,从而导致植被高反演精度存在偏差。针对这一关键问题,本文提出基于极化干涉互协方差矩阵分解的植被高度反演新方法。该方法利用Freeman分解理论和极化干涉互协方差矩阵,估计出更准确的地面散射相位;然后,结合RVOG模型反演植被高度。利用欧空局（ESA）的软件PolSARpro模拟的L波段极化SAR数据和亚马逊森林地区的ALOS PALSAR L波段数据进行实验,结果表明本文提出的新算法提取的植被高度相比经典三阶段法精度更高,从而验证了算法的有效性和可靠性。     

层析SAR反演森林垂直结构参数现状及发展趋势

森林垂直结构参数反演是进行森林资源管理、森林蓄积量估算及全球碳循环研究的基础。层析合成孔径雷达TomoSAR(Tomography Synthetic Aperture Radar)是随着InSAR/Pol-InSAR技术的日益发展而产生的,更适用于森林垂直结构参数反演。本文首先介绍了TomoSAR的概念与实现方式:PCT(Polarization Coherence Tomography)、多基线干涉层析SAR MB-InTomoSAR(Multi-baseline Interferometric Tomographic SAR)、多基线极化层析SAR MBPolTomoSAR(Multi-baseline Polarization Tomographic SAR);概括了目前应用TomoSAR技术反演森林垂直结构参数的技术方法与信号模型等;论述了应用TomoSAR技术提取森林垂直结构参数的现状,最后分析了应用TomoSAR技术提取森林垂直结构参数可能的发展方向。     

基于极化相干层析技术的森林垂直剖面重建研究

极化相干层析技术作为极化干涉合成孔径雷达的一个重要应用方向,在林业遥感方面应用广泛。在分析极化相干层析技术原理的基础上,基于仿真数据从10 m,18 m和22 m三种森林高度以及Deciduous,Pine(2)和Hedge三种树型分别对极化相干层析技术构建森林垂直结构剖面的精度进行了验证,研究结果表明,该方法能够有效构建垂直结构剖面,森林高度和树型对估算结果影响较小,该方法对不同树型和不同高度均具有良好的适应性。     

利用矩阵值域的极化干涉SAR相干性的研究

极化SAR干涉测量 (PolInSAR)的相干性是反演植被参数的重要信息来源,极化空间中不同极化状态对应的相干性分布与复极化相干矩阵的值域相关。本文讨论了不同结构的复极化相干矩阵值域的特点,分析了不同极化状态下干涉相干性与复极化相干矩阵的值域的关系。利用模拟数据和真实全极化SAR数据分析了滑动窗口大小和不同散射体对复极化干涉矩阵值域的影响,以及复极化干涉矩阵的结构对极化干涉SAR相干性分布空间的影响,有助于更加准确地获取极化干涉SAR最优极化基和估计最优相干性。     

基于酉ESPRIT算法的极化干涉相位估计

目前SAR极化干涉测量地形参数已经成为一种新兴的前沿技术。在现有提取极化干涉相位的技术中,由空间谱估计理论发展而来的,利用MUSIC、TLS-ESPRIT算法获取干涉相位信息的方法正逐步完善起来。但由于SAR信号存在散射点的观测数据少的问题,利用上述方法往往不能得到更高精度的干涉相位。作者提出的基于酉ESPRIT算法估算干涉相位的方法,充分利用了复观测数据以及共轭数据中的信息,使得观测数据等效增加了一倍,从而提高了植被高度参数的估计精度。本文详细阐述了该方法的原理和实施步骤,并通过对SIR-C/X-SAR的L波段实际数据进行验证处理,表明酉ESPRIT算法十分有效。     

基于极化相干层析技术的林分高度估算

极化相干层析(Polarization Coherence Tomography,PCT)技术可以通过不同极化状态下的干涉相干系数反演植被垂直结构分布,是SAR技术应用的一个重要发展方向。文中介绍极化相干层析的原理,总结极化相干层析技术重建垂直剖面的流程,通过仿真数据和ALOS PALSAR数据对极化相干层析技术在林分高度估算方面的适用性进行研究。估算结果表明,极化相干层析技术反演的林分高度特征信息准确,具有较强的鲁棒性。     

融合升降轨的极化干涉SAR三层模型植被高度反演方法

森林参数的获取不仅可以估算地表生物量和林下地形,还有助于研究全球碳循环和分析全球气候变化。极化干涉SAR植被参数反演算法一般是基于随机地体两层模型(RVoG),但是当实际植被有着冠层、树干层和地表层的明显三层结构时,植被参数反演精度就会变差;另外,由于机载SAR系统数据的近距远距垂直向波数差异较大,导致试验结果存在着由其引起的系统误差。针对这两个问题,本文提出了一种融合升降轨的极化干涉SAR三层模型植被参数反演方法。该方法首先采用三层植被RVoG模型修正微波在穿透植被时的散射过程;然后采用融合升降轨道数据的方式削弱其系统误差;最后,采用非线性迭代平差的反演算法来进行植被高度反演。为了验证该方法的有效性,采用了德国宇航局DLR提供的BioSAR2008项目的两景升轨及两景降轨E-SAR P波段全极化SAR数据进行试验,并采用3组反演策略进行比较分析。结果表明,三层植被模型能够更好地描述植被散射过程;同时,新方法有效降低了由垂直向波数引起的系统误差,提高了树高反演精度。     

极化SAR干涉测量模拟研究

极化SAR干涉测量将极化测量技术和干涉测量技术巧妙地结合，能够提高干涉测量精度，尤其是在植被覆盖的情况下，不仅能够测量地表地形，而且使得估计植被高度成为可能。因此，近几年来国际上对极化SAR干涉测量技术的研究越来越重视，极化SAR干涉测量已成为SAR应用技术发展的重要方向。通过模拟技术深入研究极化SAR干涉测量理论和方法，并提出了一种新的极化SAR干涉测量改进算法，模拟实验结果表明，该算法可以进一步提高测量精度。     

极化与干涉合成孔径雷达应用方法研究进展

简要指出极化和干涉SAR 的基本特征后, 分别介绍了国内外近年来极化和干涉SAR, 以及极化干涉SAR 的研究进展。对处理和应用极化SAR 信息的方法和进展进行了归纳和总结, 重点对极化分解方法、极化分类和相干最优技术进行了介绍, 探讨了其发展的方向。对几种主要新的干涉SAR 应用技术方法, 包括最小二乘(LS)方法、永久散射体(PS)方法、小基线子集(SBAS)方法、相干目标(CT)方法和人工角反射器干涉测量(CR)方法进行了简要介绍和分析, 指出了其各自的特点。最后, 对综合极化和干涉特点的极化干涉SAR的应用研究状况, 包括植被参数、建筑物高度、冰川变化等几个重要的应用研究方向进行了介绍, 并讨论了存在的问题和不足。     

多基线极化干涉SAR植被高度反演方法

针对传统单基线PolInSAR三阶段植被高度算法,反演易受到噪声因素影响导致反演结果精度较低等问题。文中采用几何结构最优法和高程精度最优法两种多基线PolInSAR植被高度反演方法,结合瑞典北部E-SARP波段数据,验证得出两种多基线算法植被高度反演的精度以及其在不同植被高度覆盖区的适用条件。实验结果表明两种多基线方法植被高度反演精度相对传统单基线算法分别提高44.05%和22.11%,且当两种多基线方法同时反演植被高度时,植被高度大于10m时采用几何结构最优法较好;植被高度小于10m时采用高程精度最优法。     

Terrestrial laser scanning to estimate plot-level forest canopy fuel properties

This paper evaluates the potential of a terrestrial laser scanner (TLS) to characterize forest canopy fuel characteristics at plot level. Several canopy properties, namely canopy height, canopy cover, canopy base height and fuel strata gap were estimated. Different approaches were tested to avoid the effect of canopy shadowing on canopy height estimation caused by deployment of the TLS below the canopy. Estimation of canopy height using a grid approach provided a coefficient of determination of R² = 0.81 and an RMSE of 2.47 m. A similar RMSE was obtained using the 99th percentile of the height distribution of the highest points, representing the 1% of the data, although the coefficient of determination was lower (R² = 0.70). Canopy cover (CC) was estimated as a function of the occupied cells of a grid superimposed upon the TLS point clouds. It was found that CC estimates were dependent on the cell size selected, with 3 cm being the optimum resolution for this study. The effect of the zenith view angle on CC estimates was also analyzed. A simple method was developed to estimate canopy base height from the vegetation vertical profiles derived from an occupied/non-occupied voxels approach. Canopy base height was estimated with an RMSE of 3.09 m and an R² = 0.86. Terrestrial laser scanning also provides a unique opportunity to estimate the fuel strata gap (FSG), which has not been previously derived from remotely sensed data. The FSG was also derived from the vegetation vertical profile with an RMSE of 1.53 m and an R² = 0.87.     

Roles of horizontal and vertical tree canopy structure in mitigating daytime and nighttime urban heat island effects

The urban heat island (UHI) is increasingly recognized as a serious, worldwide problem because of urbanization and climate change. Urban vegetation is capable of alleviating UHI and improving urban environment by shading together with evapotranspiration. While the impacts of abundance and spatial configuration of vegetation on land surface temperature (LST) have been widely examined, very little attention has been paid to the role of vertical structure of vegetation in regulating LST. In this study, we investigated the relationships between horizontal/vertical structure characteristics of urban tree canopy and LST as well as diurnal divergence in Nanjing City, China, with the help of high resolution vegetation map, Light Detection and Ranging (LiDAR) data and various statistical analysis methods. The results indicated that composition, configuration and vertical structure of tree canopy were all significantly related to both daytime LST and nighttime LST. Tree canopy showed stronger influence on LST during the day than at night. Note that the contribution of composition of tree canopy to explaining spatial heterogeneity of LST, regardless of day and night, was the highest, followed by vertical structure and configuration. Combining composition, configuration and vertical structure of tree canopy can take advantage of their respective advantages, and best explain variation in both daytime LST and nighttime LST. As for the independent importance of factors affecting spatial variation of LST, percent cover of tree canopy (PLAND), mean tree canopy height (TH_Mean), amplitude of tree canopy height (TA) and patch cohesion index (COHESION) were the most influential during the day, while the most important variables were PLAND, maximum height of tree canopy (TH_Max), variance of tree canopy height (TH_SD) and COHESION at night. This research extends our understanding of the impacts of urban trees on the UHI effect from the horizontal to three-dimensional space. In addition, it may offer sustainable and effective strategies for urban designers and planners to cope with increasing temperature.     

森林垂直结构参数遥感反演综述

随着遥感技术的发展,林业遥感从早期森林分类制图的定性研究,逐步发展到森林整体特性的遥感定量反演研究。目前利用遥感反演的森林叶面积指数、生物量、叶绿素浓度、碳储量等参数以描述森林生化理化特征、水平结构特征为主,而描述森林垂直结构的参数较少。本文针对不同高度处森林的叶面积密度和冠层垂直高度廓线参数,综述了遥感获取森林垂直结构参数的方法以及典型地表类型的垂直结构参数曲线,并总结了森林垂直结构参数提取方法中存在的问题,探讨未来研究方向。     

地基激光雷达的玉兰林冠层叶面积密度反演

叶面积密度LAD(Leaf Area Density)是表征冠层内部叶面积垂直分布的重要参数,其分布廓线的准确反演对研究植被碳氮循环、初级生产力和生物量估算等具有重要意义。本文在电子科技大学校内建立实验样区,利用地基激光雷达Leica Scan Station C10和数码相机获取玉兰林高分辨率3维激光点云数据和真彩色影像。利用监督分类将真彩色影像中枝干等非光合组织与叶片分离,再将像素分类信息映射给点云数据,从而提取叶片点云。通过点云数据体元化,并引入2维凸包算法确定垂直方向分层树冠边界,获取激光接触冠层的频率;随机选择不同高度的多个叶片,利用特征值法进行叶片平面拟合,估算出叶倾角,并结合天顶角估算叶倾角校正因子;最后基于体元的冠层分析VCP(Voxel-based Canopy Profiling)方法实现树林冠层LAD反演。结果表明体元化的叶片点云数据能准确确定树林冠层边界和统计接触频率实现LAD反演;反演的LAD变化走势与区域林木冠层叶片垂直分布相吻合,在冠层中下部随着高度的增加叶面积密度也随之增加,在4 m高度处达到最大值1 m2/m3,之后随着高度的增加叶面积密度逐渐降低。根据LAD计算得到的累积叶面积指数LAI为3.20 m2/m2,与LAI-2200实测的叶面积指数相比,相对误差为1.26%。     

一种改进的PolInSAR PCT方法反演植被垂直结构

针对传统PCT方法中“相干相位-幅度联合反演算法”的缺点,采用RVOG模型,利用改进的非线性迭代算法反演植被高、地表相位.改进的非线性迭代算法不仅充分利用不同极化方式对应的复相干系数,同时兼顾复相干系数的先验统计误差,提高参数解算的可靠性,进而提高PCT结果的反演精度.最后,采用两景德国E-SAR数据进行实验,实验结果表明：文中提出的方法能较好地反映植被的垂直结构信息;植被冠层对应的平均相对反射率函数近似服从高斯分布;反演的相对反射率值与植被的种类、密度存在一定关联.     

A COMPARISON OF FILM TYPE AND THE IMPORTANCE OF SEASON FOR INTERPETATION OF COASTAL MARSHLAND VEGETATION

A study of coastal marshland using panchromatic vertical aerial photography suggested that October was the best season of the year for the interpretation of vegetation while February was most suitable for examining topographical or pedological features. False colour film was used to isolate certain plants from bare mudflats where it was impossible to identify these by differences in texture or height.     

ICESat-2机载试验点云滤波及植被高度反演

新一代星载激光雷达卫星ICESat-2将采用多波束微脉冲光子计数技术,并进行高程剖面式的对地观测。由于该点云数据具有背景噪声大、密度低并呈线状分布等特点,传统的点云滤波算法并不适用,研究新的点云滤波算法十分必要。本文以ICESat-2的机载模拟器MABEL数据为例,首先介绍了微脉冲光子计数激光雷达的基本原理和数据特点,并针对高程剖面点云提出基于局部距离统计和最小二乘局部曲线拟合的点云滤波算法;然后,对美国加利福尼亚州Sierras-Forest地区MABEL试验中532 nm通道的光子点云进行滤波处理,并利用识别的地面点插值得到3 m分辨率的线状DEM,进而估算了该区域美国云杉的平均树高;最后,对该滤波算法进行精度评价,并分析了误差来源及其对DEM精度和树高反演精度的影响。结果表明:(1)该算法整体精度达97.6%,能有效剔除绝大部分噪声点且对地形起伏具有较强的自适应能力;(2)误分噪声点影响了滤波过程中局部地形的拟合,而滤波过程中的分类误差将降低DEM和树高反演的精度。