CN110569624A - 适用于PolInSAR反演的森林三层散射模型的确定及分析方法 - Google Patents

Abstract

适用于PolInSAR反演的森林三层散射模型的确定及分析方法，属于遥感图像处理技术领域。本发明的目的是为解决现有的植被相干散射模型的散射过程相较于真实散射过程依旧存在误差，影响反演精度的问题。本发明包括如下步骤：步骤一：分析地表层的散射特性并确定其垂直结构函数形式；步骤二：分析树干层的散射特性并确定其垂直结构函数形式；步骤三：分析植被冠层的散射特性并确定其垂直结构函数形式；步骤四：结合植被垂直结构上地表层、树干层和植被冠层的垂直结构函数，推导植被一般三层散射模型，确定干涉相干系数的表达式，并分析高度参数对相干性的影响。本发明可应用于遥感图像处理领域，实现高精度的极化干涉SAR图像植被参数反演。

Description

适用于PolInSAR反演的森林三层散射模型的确定及分析方法

技术领域

本发明属于遥感图像处理技术领域，特别是涉及一种适用于PolInSAR反演的森林三层散射模型的确定及分析方法。

背景技术

近年来，随着全球气候问题加重，人们对生态环境和自然资源越来越重视，而森林地区是生态资源的重要部分，传统森林资源调查的特点是调查范围广、人力需求大，从调查到结果发布周期大概几年时间，无法满足数据快速获取的需求。遥感技术不受时间、气候的影响，并且能在大范围内进行监测，已成为森林资源监测的一个重要数据来源。

极化干涉合成孔径雷达(PolInSAR)是目前获取森林垂直结构信息的一种主要的技术，它是在传统的干涉合成孔径雷达(InSAR)的基础上，结合极化信息并通过特定的手段获取森林地区垂直结构信息。相干散射模型研究是极化干涉的一个重要分支，相干散射模型通过分析森林地区的散射特性，将雷达观测值与植被垂直结构参数之间的关系进行建模，结合相干最优技术，能够获得准确的植被垂直结构信息。相干散射模型的建立要求完整性，相干散射模型由Treuhaft等首先推导，随后由Papathanassiou等完善并提出了经典地表上随机体散射(RVoG)模型。RVoG模型的出现为参数反演提供了可能，自提出以来就得到了广泛的研究及应用。但是受时间去相干以及森林区域散射过程的复杂性等因素影响，相干散射模型描述的散射过程相较于真实散射过程依旧存在误差，影响反演精度。所以对相干散射模型的完善一直是迫切需要解决的一个难题。

发明内容

本发明的目的是为解决现有的植被相干散射模型的散射过程相较于真实散射过程依旧存在误差，影响反演精度的问题，本发明综合分析了森林地区的实际物理散射过程，提出了一种适用于PolInSAR反演的森林三层散射模型的确定及分析方法。

实现上述目的，本发明采取下述技术方案：

适用于PolInSAR反演的森林三层散射模型的确定及分析方法，包括以下步骤：

步骤一：分析地表层的散射特性并确定其垂直结构函数形式；

步骤二：分析树干层的散射特性并确定其垂直结构函数形式；

步骤三：分析植被冠层的散射特性并确定其垂直结构函数形式；

步骤四：结合植被垂直结构上地表层、树干层和植被冠层的垂直结构函数，推导植被一般三层散射模型，确定干涉相干系数的表达式，并分析高度参数对相干性的影响。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、本发明综合分析了植被垂直结构上的三层散射模型，建立了更加适用于自然山地区域的一般三层散射模型，对于自然散射过程的描述更加完备，基于该模型进行植被参数反演得到的结果精度更高。

2、本发明可应用于遥感图像处理领域，实现高精度的极化干涉SAR图像植被参数反演。

附图说明

图1是地表层的垂直结构函数模型示意图；图中z₀表示地形高度，表示地表层电磁散射幅度；

图2是树干层的垂直结构函数模型示意图；图中h′_d表示树干层的等效散射中心高度，表示树干层电磁散射幅度；

图3是树干层的垂直结构函数模型示意图；图中f表示冠层的垂直结构函数；

图4是一般三层散射模型示意图；图中G表示地表层的表面散射，z₀表示地形高度，D表示树干层的偶次散射，h_d表示树干层的高度，z_c表示冠层底部高度，V表示冠层的体散射，h_v表示植被高度，B表示基线长度，θ表示雷达入射角；

图5是一般三层模型垂直结构函数示意图；图中和分别表示地表层、树干层和冠层的电磁散射幅度；

图6是体相干幅度随高度的变化图；

图7是一般三层模型的相干性分布图；

图8是相干性幅度图；

图9是仿真数据第56行像素应用一般三层散射模型的反演结果图；

图10是一般三层模型高度反演结果图；

图11是RVoG模型高度反演结果图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是发明的一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

具体实施方式一：本实施方式披露了一种适用于PolInSAR反演的森林三层散射模型的确定及分析方法，包括以下步骤：

步骤一：分析地表层的散射特性并确定其垂直结构函数形式；

步骤二：分析树干层的散射特性并确定其垂直结构函数形式；

步骤三：分析植被冠层的散射特性并确定其垂直结构函数形式；

步骤四：结合植被垂直结构上地表层、树干层和植被冠层的垂直结构函数，推导植被一般三层散射模型，确定干涉相干系数的表达式，并分析高度参数对相干性的影响。

具体实施方式二：本实施方式是对具体实施方式一作出的进一步说明，所述步骤一具体为(参见图1)：

表面散射通常发生在不连续的介质中，在L波段下，电磁波往往能够穿透植被冠层到达地表，所以表面散射发生在地表，对于表面散射，其散射中心在一恒定高度上，且垂直结构函数反映在水平方向，因此其垂直结构函数建模成一冲激响应，表达式如下：

其中，z₀表示地形高度，f_g(z)表示表面散射的电磁散射幅度在垂直方向上的分布函数，表示地表层电磁散射幅度，δ表示冲激响应函数，z表示垂直方向坐标。

具体实施方式三：本实施方式是对具体实施方式一作出的进一步说明，所述步骤二具体为(参见图2)：

设树干层的高度为h_d(注意，这里的树干层的高度并不等同于冠层底部的高度)，偶次散射是由于电磁波在树干、树枝与地表之间的相互作用产生的，在L波段下，由于电磁波能够穿透所述冠层，所以偶次散射是存在的，将发生在树干树枝与地表之间的偶次散射等效为地表到冠层底部某一高度的表面散射，其等效散射中心h_d′定义为

其中，h′_d表示树干层的等效散射中心高度，θ表示雷达入射角；

相应的垂直结构函数建模成冲激响应，表达式如下：

其中，表示树干层电磁散射幅度，f_d(z)表示树干层散射的电磁散射幅度在垂直方向上的分布函数。

具体实施方式四：本实施方式是对具体实施方式一作出的进一步说明，所述步骤三具体为(参见图3)：

体散射主要发生在冠层，假设冠层是由朝向随机的散射粒子组成，r_hh_v表示冠层的厚度，其中r_h表示冠层因子，根据经验，冠层因子通常表示其中表示平均树高，h_v表示植被高度，r_h表示冠层因子；

在L波段下，冠层体积能被电磁波穿透，在穿透的过程中存在衰减，其衰减程度用平均波消光σ来表示，其垂直结构函数不同于表面散射，主要反应在体积层，在垂直方向上连续分布，建模成指数函数，表达式如下：

其中，f_v(z)表示体散射的电磁散射幅度在垂直方向上的分布函数，表示冠层的电磁散射幅度，σ表示电磁波的衰减，称之为平均消光系数。

具体实施方式五：本实施方式是对具体实施方式一作出的进一步说明，所述步骤四具体为：

综合考虑地表层、树干层和冠层的散射，建立一般三层散射模型(参见图4)，冠层假设是由朝向随机的散射粒子组成的；

综合考虑地表层、树干层和冠层的三层散射模型的垂直结构函数(参见图5)：

所述垂直结构函数的表达式如公式(5)所示，

其中，f(z)表示一般散射模型中的所有电磁散射强度在垂直方向上的分布函数，即垂直结构函数；

极化干涉相干系数的表达式如下：

其中，表示极化干涉相干系数，j表示虚数单位，k_z表示有效垂直波数，有k_z＝4πB/λR，其中B表示基线长度，λ表示电磁波场，R表示距离分辨单元中心距平台的斜距；

将公式(5)代入公式(6)，有以下推导：

其中，r_h表示冠层因子，h_v表示植被高度，r_hh_v表示冠层的厚度；

令

其中，A₁表示冠层散射产生的干涉相干性，A₂表示地表层散射产生的干涉相干性，A₃表示树干层散射产生的相干性，B₁表示体散射在整个冠层部分的散射幅度之和，B₂表示地表散射在植被整个垂直方向上的散射幅度之和，B₃表示树干层散射在植被整个垂直方向上的散射幅度之和；

将步骤一、二和三分析所得代入公式(8)，有

将公式(9)代入公式(6)，得到相干性的推导如下：

体相干系数用γ_v表示，地表层与冠层的幅度比，简称地体幅度比树干层与冠层的幅度比，简称偶次体幅比表示如下

将公式(11)-(13)代入公式(10)，得到相干性表达式：

其中，φ₀、φ_d和φ_v分别表示地表层、树干层和冠层的散射相位；

对植被高度与体相干幅度的关系举例说明，设置消光系数为0.1dB/m，雷达入射角为45°，冠层因子为0.25，得到体相干随高度的变化而变，参见图6，从图6中可以看出，随着树高的增加，体相干随之减小；体相干随着高度的变化而变，具有一一对应关系，因此，可以通过体相干反演出相应的植被高度；

(参见图7)相干性分布区域在单位圆上的两个交点分别为和其中φ₀表示地表层的散射相位，φ_d表示树干层的散射相位；另外，相干性分布的另一端点为旋转的体相干点其中φ_v表示冠层的散射相位；当忽略树干层时，一般三层模型退化为RVoG模型，此时为直线模型；当忽略地表层时，相干性同样呈直线分布，不过直线一端为另一端为

具体实施方式六：本实施方式是对具体实施方式五作出的进一步说明，因为极化复相干中地体幅度比和偶次体幅度比随极化的不同而变化，故散射模型需要求解的独立参数为其中，表示3个极化最优复相干状态下地表层散射与体散射的幅度之比，简称地体幅度比，表示3个极化最优复相干状态下树干层散射与体散射的幅度之比，简称偶次体幅比；

根据观测的全极化干涉数据，由3个不同的极化方式可以得到3个极化最优复相干，因此反演模型表示：

p＝[M]^-1 o (15)

其中，算子[M]表示相干散射模型，与散射过程的未知参数有关，表示需要反演的森林参数，o＝{γ_1opt,γ_2opt,γ_3opt}表示观测数据获得的3个极化最优复相干，对于单基线PolInSAR数据，该模型是欠定的，故不能直接从观测数据获取植被参数，针对该一般三层散射模型的改进三阶段反演算法的步骤如下：

步骤(1)：地表层和树干层相位估计；利用现有的极化目标分解方法求得地表层的散射相位φ₀和树干层的散射相位φ_d；

步骤(2)：体相干性估计；根据干涉相干系数在复平面上的分布，利用体相干系数点离交点和交点最远的准则估计体相干；

根据步骤(1)得到的地表层散射相位和树干层散射相位可以得到点和点在单位圆上的位置；接着在计算全极化干涉相干系数，得到9种极化状态不同的干涉相干系数；然后计算各干涉相干系数点与点和点距离之和；最后利用体相干系数距离点和点最远准则估计体相干系数，注意此时的体相干实际上是经过旋转的γ_v，即

步骤(3)：参数估计；建立体相干的查找表，进行高度反演；

根据体相干系数的表达式，对其中的参数，包括植被高度h_v、平均消光系数σ，体散射相位中心φ_v和冠层因子r_h，分别设置不同的步长，穷举所有可能的体相干系数，构建查找表，对比估计的体相干系数与计算得到的体相干系数，则可以获得最接近真实的植被高度参数。

实施例1：

本实施例采用PolSARProSIM软件产生的仿真极化干涉SAR图像对提出的一般三层散射模型进行验证，其相干性系数幅度图如图8所示，参数设置如表1所示，图像大小为111像素×129像素。

表1 仿真参数设置

应用基于一般三层模型的反演方法得到的结果如下，图9是选取图像中的第56行像素反演得到的结果。从上述图中可以看出，有高度的反演结果只分布在中间偏左的部分区域，这与图8中森林区域恰好对应，说明在森林区域反演出的高度信息明显区别于非森林区域。另外，反演高度分布在5～27m之间，比较真实高度14m，结果可以接受。

图10是整幅图像的反演结果，从图中可以看出森林区域的反演高度明显区别于非森林地区，非森林地区也有一些高度反演结果，称之为奇异点。图11是RVoG模型的高度反演结果，采用的方法是三阶段反演方法。RVoG模型和一般三层模型的反演结果如表2所示，从反演结果来看，虽然两种模型的反演结果都存在过低估计的问题，但是显然基于一般三层散射模型的反演结果的低估问题要比RVoG模型轻微得多，从平均高度的角度上来看，基于一般三层模型的结果较好，同时也验证了一般三层模型在参数反演方面的性能。

表2 RVoG模型和一般三层模型的反演结果

以上对本发明所提供的一种适用于PolInSAR反演的森林三层散射模型的确定及分析方法进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施例进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (6)

1.一种适用于PolInSAR反演的森林三层散射模型的确定及分析方法，包括以下步骤：

步骤一：分析地表层的散射特性并确定其垂直结构函数形式；

步骤二：分析树干层的散射特性并确定其垂直结构函数形式；

步骤三：分析植被冠层的散射特性并确定其垂直结构函数形式；

步骤四：结合植被垂直结构上地表层、树干层和植被冠层的垂直结构函数，推导植被一般三层散射模型，确定干涉相干系数的表达式，并分析高度参数对相干性的影响。

2.根据权利要求1所述的适用于PolInSAR反演的森林三层散射模型的确定及分析方法，其特征在于：所述步骤一具体为：

表面散射通常发生在不连续的介质中，在L波段下，电磁波往往能够穿透植被冠层到达地表，所以表面散射发生在地表，对于表面散射，其散射中心在一恒定高度上，且垂直结构函数反映在水平方向，因此其垂直结构函数建模成一冲激响应，表达式如下：

其中，z₀表示地形高度，f_g(z)表示表面散射的电磁散射幅度在垂直方向上的分布函数，表示地表层电磁散射幅度，δ表示冲激响应函数，z表示垂直方向坐标。

3.根据权利要求1所述的适用于PolInSAR反演的森林三层散射模型的确定及分析方法，其特征在于：所述步骤二具体为：

设树干层的高度为h_d，偶次散射是由于电磁波在树干、树枝与地表之间的相互作用产生的，在L波段下，由于电磁波能够穿透所述冠层，所以偶次散射是存在的，将发生在树干树枝与地表之间的偶次散射等效为地表到冠层底部某一高度的表面散射，其等效散射中心h′_d定义为

其中，h′_d表示树干层的等效散射中心高度，θ表示雷达入射角；

相应的垂直结构函数建模成冲激响应，表达式如下：

其中，表示树干层电磁散射幅度，f_d(z)表示树干层散射的电磁散射幅度在垂直方向上的分布函数。

4.根据权利要求1所述的适用于PolInSAR反演的森林三层散射模型的确定及分析方法，其特征在于：所述步骤三具体为：

体散射主要发生在冠层，假设冠层是由朝向随机的散射粒子组成，r_hh_v表示冠层的厚度，其中r_h表示冠层因子，根据经验，冠层因子通常表示其中表示平均树高，h_v表示植被高度，r_h表示冠层因子；

在L波段下，冠层体积能被电磁波穿透，在穿透的过程中存在衰减，其衰减程度用平均波消光σ来表示，其垂直结构函数不同于表面散射，主要反应在体积层，在垂直方向上连续分布，建模成指数函数，表达式如下：

其中，f_v(z)表示体散射的电磁散射幅度在垂直方向上的分布函数，表示冠层的电磁散射幅度，σ表示电磁波的衰减，称之为平均消光系数。

5.根据权利要求1所述的适用于PolInSAR反演的森林三层散射模型的确定及分析方法，其特征在于：所述步骤四具体为：

综合考虑地表层、树干层和冠层的散射，建立一般三层散射模型，冠层假设是由朝向随机的散射粒子组成的；

综合考虑地表层、树干层和冠层的三层散射模型的垂直结构函数：

所述垂直结构函数的表达式如公式(5)所示，

其中，f(z)表示一般散射模型中的所有电磁散射强度在垂直方向上的分布函数，即垂直结构函数；

极化干涉相干系数的表达式如下：

其中，表示极化干涉相干系数，j表示虚数单位，k_z表示有效垂直波数，有k_z＝4πB/λR，其中B表示基线长度，λ表示电磁波场，R表示距离分辨单元中心距平台的斜距；

将公式(5)代入公式(6)，有以下推导：

其中，r_h表示冠层因子，h_v表示植被高度，r_hh_v表示冠层的厚度；

令

其中，A₁表示冠层散射产生的干涉相干性，A₂表示地表层散射产生的干涉相干性，A₃表示树干层散射产生的相干性，B₁表示体散射在整个冠层部分的散射幅度之和，B₂表示地表散射在植被整个垂直方向上的散射幅度之和，B₃表示树干层散射在植被整个垂直方向上的散射幅度之和；

将步骤一、二和三分析所得代入公式(8)，有

将公式(9)代入公式(6)，得到相干性的推导如下：

体相干系数用γ_v表示，地表层与冠层的幅度比，简称地体幅度比树干层与冠层的幅度比，简称偶次体幅比表示如下

将公式(11)-(13)代入公式(10)，得到相干性表达式：

其中，φ₀、φ_d和φ_v分别表示地表层、树干层和冠层的散射相位；

相干性分布区域在单位圆上的两个交点分别为和其中φ₀表示地表层的散射相位，φ_d表示树干层的散射相位；另外，相干性分布的另一端点为旋转的体相干点其中φ_v表示冠层的散射相位；当忽略树干层时，一般三层模型退化为RVoG模型，此时为直线模型；当忽略地表层时，相干性同样呈直线分布，不过直线一端为另一端为

6.根据权利要求5所述的适用于PolInSAR反演的森林三层散射模型的确定及分析方法，其特征在于：

因为极化复相干中地体幅度比和偶次体幅度比随极化的不同而变化，故散射模型需要求解的独立参数为其中，表示3个极化最优复相干状态下地表层散射与体散射的幅度之比，简称地体幅度比，表示3个极化最优复相干状态下树干层散射与体散射的幅度之比，简称偶次体幅比；

根据观测的全极化干涉数据，由3个不同的极化方式可以得到3个极化最优复相干，因此反演模型表示：

p＝[M]^-1 o (15)

其中，算子[M]表示相干散射模型，与散射过程的未知参数有关，表示需要反演的森林参数，o＝{γ_1opt,γ_2opt,γ_3opt}表示观测数据获得的3个极化最优复相干，对于单基线PolInSAR数据，该模型是欠定的，故不能直接从观测数据获取植被参数，针对该一般三层散射模型的改进三阶段反演算法的步骤如下：

步骤(1)：地表层和树干层相位估计；利用现有的极化目标分解方法求得地表层的散射相位φ₀和树干层的散射相位φ_d；

步骤(2)：体相干性估计；根据干涉相干系数在复平面上的分布，利用体相干系数点离交点和交点最远的准则估计体相干；

根据步骤(1)得到的地表层散射相位和树干层散射相位可以得到点和点在单位圆上的位置；接着在计算全极化干涉相干系数，得到9种极化状态不同的干涉相干系数；然后计算各干涉相干系数点与点和点距离之和；最后利用体相干系数距离点和点最远准则估计体相干系数，注意此时的体相干实际上是经过旋转的γ_v，即

步骤(3)：参数估计；建立体相干的查找表，进行高度反演；

根据体相干系数的表达式，对其中的参数，包括植被高度h_v、平均消光系数σ，体散射相位中心φ_v和冠层因子r_h，分别设置不同的步长，穷举所有可能的体相干系数，构建查找表，对比估计的体相干系数与计算得到的体相干系数，则可以获得最接近真实的植被高度参数。