CN113945926A - 一种通过低估补偿改进的反演森林冠层高度方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及森林冠层高度反演技术领域，具体地说，涉及一种通过低估补偿改进的反演森林冠层高度方法，包括以下步骤：步骤一、进行各极化复相干直线拟合；步骤二、由γ_PDlow估计地面相位；步骤三、确定体散射；从各极化复相干作为筛选出体散射复相干观测值和采用模值不变投影方法进行体散射估计；步骤四、通过植被厚度、消光系数构建的查找表估测冠层高度；步骤五、计算相位差；步骤六、判断地面相位位置；步骤七、高度补偿。本发明通过对经典三阶段算法中的地面相位、体散射优化和低估补偿，能够提高森林冠层高度估测的准确性。

Description

一种通过低估补偿改进的反演森林冠层高度方法

技术领域

本发明涉及森林冠层高度反演技术领域，具体地说，涉及一种通过低估补偿改进的反演森林冠层高度方法。

背景技术

森林约占陆地面积的30％，是地球上最完整、面积最大的陆地生态系统，是地球生态系统最重要的维护者。森林高度是森林的基本结构参数之一，是重要的林分乔木测量因子。然而，受森林分布、复杂地形条件、天气条件等因素的制约，大规模连续测量森林高度一直是森林调查的技术难题。合成孔径雷达(SAR)由于具有获取植被表面极化和干涉模式数据的能力，被广泛应用于森林结构和生物物理参数反演。InSAR(InterferometricSynthetic Aperture Radar)和PolInSAR(Polarimetric and InterferometricSynthetic Aperture Radar)对森林体散射的形状、方向和垂直结构比较敏感，可以获得不同植被高度下的不同极化干涉复相干，用于监测森林结构。

PolInSAR技术综合了InSAR技术对散射体垂直结构的量度性和PolSAR技术对散射体形状和方位的敏感性，可生成任意极化散射机制下的复相干影像，各种极化散射机制与森林结构特征相对应，为提取森林结构信息奠定了物理基础。1998年，cloude首次利用不同散射机制干涉优化算法估测了森林高度。Treuhaft等提出的RVoG模型是当前PolInSAR技术估测森林冠层高度机理模型基础。2001年，Papathanassiou将极化干涉相干优化算法与RVoG模型结合，提出了单基线RVoG复相干模型树高反演6参数法，采用非线性迭代优化解算。2003年，Cloude和Papathanassiou基于复相干的几何分布特征提出RVoG复相干模型的经典三阶段算法，简化了森林冠层高度估测的复杂性。受到地形相位估计误差、体相干性估计误差的影响，经典三阶段算法反演植被高度出现低估现象。Khati采用经典三阶段反演算法和TanDEM-X数据反演印度热带林区的森林冠层高度，出现了低估现象(-7～-10m)。解清华通过SAR数据仿真，指出在没有地形影响时，经典三阶段存在低估现象；在郁闭度较大的森林中各极化通道相位中心相对集中，地面相位中心偏高，植被高度估测值也将偏低。RVoG模型是极化干涉技术PolInSAR估测森林冠层高度的机理模型，模型通过求解地面相位中心与体散射相位中心之间的距离及体散射幅度来估测森林冠层高度的。

RVoG模型的经典三阶段算法是根据L、P长波长的极化散射特征来解算地面相位和体散射。当前在轨星载SAR系统数据大多需要重轨获取，森林高度估测时受时间失相干影响严重。而TanDEM-X星载数据采用一发双收模式对地物进行观测，零时间基线。若将X波段数据与经典三阶段算法共同反演森林冠层高度时出现地面相位、体散射复相干估计不准确，导致森林冠层估测高度出现低估或高估等现象。因此需要针对X波段数据的RVoG模型经典三阶段反演算法求解进行优化。

发明内容

本发明的内容是提供一种通过低估补偿改进的反演森林冠层高度方法，其能够克服现有技术的某种或某些缺陷。

根据本发明的一种通过低估补偿改进的反演森林冠层高度方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤一、基于RVoG模型进行各极化复相干直线拟合；

步骤二、由γ_PDlow估计地面相位φ_g；γ_PDlow和γ_PDhigh是极化空间相位差异最大的极化干涉复相干；

步骤三、确定体散射；从各极化复相干作为筛选出体散射复相干观测值和采用模值不变投影方法进行体散射估计；

步骤四、通过植被厚度h_v、消光系数σ构建的查找表LUT估测冠层高度；

步骤五、计算相位差；计算体散射复相干与地面相位的相位差Δφ_v,g；计算体散射复相干和γ_PDlow复相干的相位差Δφ_v,PDlow；

步骤六、判断地面相位位置；如果Δφ_v,g≥Δφ_v,PDlow，则地面相位处于γ_PDlow复相干相位下方，森林冠层估测高度不需要补偿；如果Δφ_v,g<Δφ_v,PDlow，则表示地面相位估计值高于γ_PDlow相位，则估测高度需要补偿，进行下一步；

步骤七、高度补偿；计算地面相位和γ_PDlow的相位差，并转换为高度差；高度差加上步骤四中的估测冠层高度为最终的高度。

作为优选，步骤一中，各极化复相干在复数单位圆CUC的轨迹将呈直线形式；采用总体最小二乘法拟合复相干拟合直线的参数；复相干拟合直线与复数单位圆CUC的两个交点的相位作为候选地面相位。

作为优选，步骤二中，由γ_PDlow估计地面相位的具体步骤为：

2.1、计算观测到的各复相干值与两个交点之间的相位差，并分别按照从小到大进行排序，相位差Δφ_i,ω计算如下式：

其中，γ(ω)为地面和植被二层模型极化干扰的总复相干性，随极化散射机制ω而变；i表示交点；j为虚数单位，abs()为绝对值函数，arg()为相位取值函数；

2.2、排序：若γ_PDlow在Rank1中排序在前3位时，则地面相位φ_g＝φ₁；若γ_PDlow在Rank2中排序在前3位时，则地面相位φ_g＝φ₂；若两组排序都没有超过前3位，则φ₁和φ₂则分别作为候选地面相位，估测出两个冠层高度估测值；选择冠层高度估测值在合理范围内的候选地面相位作为φ_g输出。

作为优选，步骤三中，确定体散射的具体步骤如下：

3.1、从散射观测值γ(ω^observe)中选择体相干观测值

将γ_PDhigh、γ_opt3和γ_PDlow排除外，从γ_HH、γ_HV、γ_VH、γ_VV、γ_HH-VV、γ_HH+VV、γ_OPT1、γ_OPT2、γ_LL、γ_RR中选取距离地面相位最远的复相干作为体相干观测的有效值；HH、HV、VH、VV、HH+VV、HH-VV、LL、RR、OPT1、OPT2、OPT3、PDhigh、PDlow为13种极化散射机制的极化干涉复相干；

3.2、用模值不变投影方法估计体散射γ(ω_v)；

首先，以坐标系原点为圆心，以体散射有效观测值γ(ω^observe)的模值为半径作圆；然后计算圆与拟合直线的交点P₁和P₂；取离垂直投影点p′距离较小的交点P₁作为体散射γ(ω_v)，如下式所示：

式中，x为γ(ω_v)的实部，y为γ(ω_v)的虚部，k为拟合直线的斜率，b为拟合直线的截距，m为体散射观测值的模值

若体散射观测值γ(ω^observe)到拟合直线的距离很近，则P₁与p′相差不是很大；若圆与拟合直线没有交点，则用垂直投影点p′替代。

作为优选，步骤四中，冠层高度估测方法具体为：构建查找表LUT后，根据RVoG模型，计算多组(h_v,σ)的理论γ_v，比较理论γ_v和估计γ_v，可用最小化函数F估测有效区域的冠层高度，如下式所示：

γ_v为植被层体散射引起的干涉复相干，k_z是垂直有效波数，θ为雷达波入射角。

作为优选，体散射复相干与地面相位的相位差Δφ_v,g计算公式为：

体散射复相干和γ_PDlow复相干的相位差Δφ_v,PDlow计算公式为：

*为复共轭；

高度差计算公式为：

本发明通过对经典三阶段算法中的地面相位、体散射优化和低估补偿，能够提高森林冠层高度估测的准确性。

附图说明

图1为实施例1中一种通过低估补偿改进的反演森林冠层高度方法的流程图；

图2为实施例1中RVoG模型的示意图；

图3为实施例1中复平面单位圆内相干线的几何表示的示意图；

图4为实施例1中模值不变的方式投影的示意图。

具体实施方式

为进一步了解本发明的内容，结合附图和实施例对本发明作详细描述。应当理解的是，实施例仅仅是对本发明进行解释而并非限定。

实施例1

RVoG模型

Treuhaft提出了一种带有地面回波的随机方位体积层模型(RVoG)的森林高度反演方法，森林是被视为覆盖在地表的随机体粒子层，包含大量随机分布且相互独立的体散粒微粒。

在雷达波入射角为θ的二层RVoG模型(见图2)中：地表被认为雷达波无法穿透的表面散射层，具有高度Z₀，引起地面相位φ_g，植被厚度为h_v、森林冠层高度为Z₀+h_v。假定植被层的散射能量随着高度增加呈指数变化，在消除配准误差、大气去相干等影响之后，基于RVoG模型的极化干涉复相干γ(ω)表示为式(1)：

其中，γ(ω)为地面和植被二层模型极化干扰的总复相干性，随极化散射机制(ω)而变；φ_g(＝k_zz₀)为地表高程z₀引起的地面相位。μ(ω)是有效地体散射幅度比，见式(2)；T_g(ω)为反射对称地面散射相干矩阵，T_v(ω)为体散射的对角相干矩阵。f(z)是雷达反射率垂直剖面，

p₂＝p₁+ik_z；θ为雷达波入射角；σ为植被层消光系数；γ_v为植被层体散射引起的干涉复相干，其理论模型为式(3)；k_z是垂直有效波数，在式(4)中，若干涉条件为Monostatic，则m＝2；若干涉条件为Bistatic，则m＝1。Δθ为主辅影像的入射角差异；λ为雷达波工作波长。

在RVoG复相干模型中，θ、λ、Δθ、k_z均可以通过SAR平台系统参数带入获得；四个待估测量：φ_g、μ(ω)、h_v、σ，可以通过求解RVoG复相干模型来估测森林冠层高度。

如图1所示，本实施例提供了一种通过体散射优化的三阶段优化算法反演森林冠层高度方法，其包括以下步骤：

步骤一、基于RVoG模型进行各极化复相干直线拟合；

根据RVoG模型中的式(1)，各极化复相干(本实施例共采用HH、HV、VH、VV、HH+VV、HH-VV、LL、RR、OPT1、OPT2、OPT3、PDhigh、PDlow共13种极化散射机制的极化干涉复相干)在复数单位圆(the Complex Unit Circle,CUC)的轨迹将呈直线形式。本实施例的步骤一与经典三阶段算法相同，经典三阶段算法中采用了总体最小二乘法拟合复相干拟合直线的参数。复相干拟合直线(complex fitting line,CFL)与CUC的两个交点的相位作为候选地面相位，见图3所示。

步骤二、由γ_PDlow估计地面相位φ_g；γ_PDlow和γ_PDhigh是极化空间相位差异最大的极化干涉复相干；

在经典三阶段算法中，地面相位是比较γ_HV与候选交点的距离进行估测。受到地形起伏和枝叶生长方向不确定性的影响，X波段HV极化通道不一定在林冠顶部，有可能接近地面；同时X波段极化复相干性分布相对集中，并趋于某一交点。这两种情况，经典三阶段算法就可能错误估计地相位。所以，本实施例由γ_PDlow估计地面相位。γ_PDlow和γ_PDhigh是极化空间相位差异最大的极化干涉复相干，γ_PDlow相位中心接近森林底部，同侧的交点应该是地面层交点。

由γ_PDlow估计地面相位的具体步骤为：

2.1、计算观测到的各复相干值与两个交点之间的相位差，并分别按照从小到大进行排序，相位差Δφ_i,ω计算如下式：

其中，γ(ω)为地面和植被二层模型极化干扰的总复相干性，随极化散射机制ω而变；i表示交点；j为虚数单位，abs()为绝对值函数，arg()为相位取值函数；

2.2、排序：若γ_PDlow在Rank1中排序在前3位时，则地面相位φ_g＝φ₁；若γ_PDlow在Rank2中排序在前3位时，则地面相位φ_g＝φ₂；若两组排序都没有超过前3位，则φ₁和φ₂则分别作为候选地面相位，估测出两个冠层高度估测值；选择冠层高度估测值在合理范围内的候选地面相位作为φ_g输出。

步骤三、确定体散射；从各极化复相干作为筛选出体散射复相干观测值和采用模值不变投影方法进行体散射估计；

在经典三阶段算法中，γ_HV作为体散射复相干观测值，其在拟合直线上的垂直投影作为体散射复相干的估计值，此时，μ_HV值接近0，γ_HV与地面

有最远的距离。受到地形起伏和枝叶生长方向不确定性的影响，X波段HV极化通道除体散射外，可能还包含了其他散射贡献，其相位不一定在林冠顶部，有可能接近地面。经典三阶段算法直接选择了HV极化通道的散射复相干作为体散射复相干观测值。垂直投影改变了体散射复相干有效观测值的模值和相位，容易引入误差，见图4。因此，本实施例提出体散射优化估计，即从各极化复相干作为筛选出体散射复相干观测值和采用模值不变投影方法进行体散射估计，具体步骤如下：

3.1、从散射观测值γ(ω^observe)中选择体相干观测值

X波段波长较短，穿透性较差，其回波主要来自林冠上部枝叶。依据现有的极化复相干算法原理和前期研究成果(章皖秋,2018)，γ_PDhigh和γ_opt3的干涉相位可能高于森林冠层。因此，将γ_PDhigh、γ_opt3和γ_PDlow排除外，从γ_HH、γ_HV、γ_VH、γ_VV、γ_HH-VV、γ_HH+VV、γ_OPT1、γ_OPT2、γ_LL、γ_RR中选取距离地面相位最远的复相干作为体相干观测的有效值；HH、HV、VH、VV、HH+VV、HH-VV、LL、RR、OPT1、OPT2、OPT3、PDhigh、PDlow为13种极化散射机制的极化干涉复相干；

3.2、用模值不变投影方法估计体散射γ(ω_v)；

首先，以坐标系原点为圆心，以体散射有效观测值γ(ω^observe)的模值为半径作圆；然后计算圆与拟合直线的交点P₁和P₂；取离垂直投影点p′距离较小的交点P₁作为体散射γ(ω_v)，如下式所示：

式中，x为γ(ω_v)的实部，y为γ(ω_v)的虚部，k为拟合直线的斜率，b为拟合直线的截距，m为体散射观测值的模值

若体散射观测值γ(ω^observe)到拟合直线的距离很近，则P₁与p′相差不是很大；若圆与拟合直线没有交点，则用垂直投影点p′替代。

步骤四、通过植被厚度h_v、消光系数σ构建的查找表LUT估测冠层高度。

冠层高度估测方法具体为：构建查找表LUT后，根据RVoG模型，计算多组(h_v,σ)的理论γ_v，比较理论γ_v和估计γ_v，可用最小化函数F估测有效区域的冠层高度，如下式所示：

γ_v为植被层体散射引起的干涉复相干，k_z是垂直有效波数，θ为雷达波入射角。步骤四与现有的经典三阶段算法相同。

步骤五、计算相位差；计算体散射复相干与地面相位的相位差Δφ_v,g；计算体散射复相干和γ_PDlow复相干的相位差Δφ_v,PDlow；

步骤六、判断地面相位位置；如果Δφ_v,g≥Δφ_v,PDlow，则地面相位处于γ_PDlow复相干相位下方，森林冠层估测高度不需要补偿；如果Δφ_v,g<Δφ_v,PDlow，则表示地面相位估计值高于γ_PDlow相位，则估测高度需要补偿，进行下一步；

步骤七、高度补偿；计算地面相位和γ_PDlow的相位差，并转换为高度差；高度差加上步骤四中的估测冠层高度为最终的高度。

体散射复相干与地面相位的相位差Δφ_v,g计算公式为：

体散射复相干和γ_PDlow复相干的相位差Δφ_v,PDlow计算公式为：

*为复共轭；

高度差计算公式为：

在本实施例中，为了能检验优化方法在高度估测方面的性能增益，采用固定的消光系数σ。已有研究发现，热带阔叶林和针叶树林消光系数主要在0.1-0.9dB/m之间。有学者在反演森林高度时，针叶树林的消光系数固定值为0.2dB/m,热带森林的消光系数固定值为0.3dB/m和0.4dB/m。在本实施例中，研究区思茅松林消光系数都取0.2dB/m。另外，h_v数值限制在5-30m。

以上示意性的对本发明及其实施方式进行了描述，该描述没有限制性，附图中所示的也只是本发明的实施方式之一，实际的结构并不局限于此。所以，如果本领域的普通技术人员受其启示，在不脱离本发明创造宗旨的情况下，不经创造性的设计出与该技术方案相似的结构方式及实施例，均应属于本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种通过低估补偿改进的反演森林冠层高度方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤一、基于RVoG模型进行各极化复相干直线拟合；

步骤二、由γ_PDlow估计地面相位φ_g；γ_PDlow和γ_PDhigh是极化空间相位差异最大的极化干涉复相干；

步骤三、确定体散射；从各极化复相干作为筛选出体散射复相干观测值和采用模值不变投影方法进行体散射估计；

步骤四、通过植被厚度h_v、消光系数σ构建的查找表LUT估测冠层高度；

步骤五、计算相位差；计算体散射复相干与地面相位的相位差Δφ_v,g；计算体散射复相干和γ_PDlow复相干的相位差Δφ_v,PDlow；

步骤六、判断地面相位位置；如果Δφ_v,g≥Δφ_v,PDlow，则地面相位处于γ_PDlow复相干相位下方，森林冠层估测高度不需要补偿；如果Δφ_v,g<Δφ_v,PDlow，则表示地面相位估计值高于γ_PDlow相位，则估测高度需要补偿，进行下一步；

步骤七、高度补偿；计算地面相位和γ_PDlow的相位差，并转换为高度差；高度差加上步骤四中的估测冠层高度为最终的高度。

2.根据权利要求1所述的一种通过低估补偿改进的反演森林冠层高度方法，其特征在于：步骤一中，各极化复相干在复数单位圆CUC的轨迹将呈直线形式；采用总体最小二乘法拟合复相干拟合直线的参数；复相干拟合直线与复数单位圆CUC的两个交点的相位作为候选地面相位。

3.根据权利要求1所述的一种通过低估补偿改进的反演森林冠层高度方法，其特征在于：步骤二中，由γ_PDlow估计地面相位的具体步骤为：

2.1、计算观测到的各复相干值与两个交点之间的相位差，并分别按照从小到大进行排序，相位差Δφ_i,ω计算如下式：

其中，γ(ω)为地面和植被二层模型极化干扰的总复相干性，随极化散射机制ω而变；i表示交点；j为虚数单位，abs()为绝对值函数，arg()为相位取值函数；

2.2、排序：若γ_PDlow在Rank1中排序在前3位时，则地面相位φ_g＝φ₁；若γ_PDlow在Rank2中排序在前3位时，则地面相位φ_g＝φ₂；若两组排序都没有超过前3位，则φ₁和φ₂则分别作为候选地面相位，估测出两个冠层高度估测值；选择冠层高度估测值在合理范围内的候选地面相位作为φ_g输出。

4.根据权利要求3所述的一种通过低估补偿改进的反演森林冠层高度方法，其特征在于：步骤三中，确定体散射的具体步骤如下：

3.1、从散射观测值γ(ω^observe)中选择体相干观测值

将γ_PDhigh、γ_opt3和γ_PDlow排除外，从γ_HH、γ_HV、γ_VH、γ_VV、γ_HH-VV、γ_HH+VV、γ_OPT1、γ_OPT2、γ_LL、γ_RR中选取距离地面相位最远的复相干作为体相干观测的有效值；HH、HV、VH、VV、HH+VV、HH-VV、LL、RR、OPT1、OPT2、OPT3、PDhigh、PDlow为13种极化散射机制的极化干涉复相干；

3.2、用模值不变投影方法估计体散射γ(ω_v)；

首先，以坐标系原点为圆心，以体散射有效观测值γ(ω^observe)的模值为半径作圆；然后计算圆与拟合直线的交点P₁和P₂；取离垂直投影点p′距离较小的交点P₁作为体散射γ(ω_v)，如下式所示：

式中，x为γ(ω_v)的实部，y为γ(ω_v)的虚部，k为拟合直线的斜率，b为拟合直线的截距，m为体散射观测值的模值

若体散射观测值γ(ω^observe)到拟合直线的距离很近，则P₁与p′相差不是很大；若圆与拟合直线没有交点，则用垂直投影点p′替代。

5.根据权利要求4所述的一种通过低估补偿改进的反演森林冠层高度方法，其特征在于：步骤四中，冠层高度估测方法具体为：构建查找表LUT后，根据RVoG模型，计算多组(h_v,σ)的理论γ_v，比较理论γ_v和估计γ_v，可用最小化函数F估测有效区域的冠层高度，如下式所示：

γ_v为植被层体散射引起的干涉复相干，k_z是垂直有效波数，θ为雷达波入射角。

6.根据权利要求5所述的一种通过低估补偿改进的反演森林冠层高度方法，其特征在于：体散射复相干与地面相位的相位差Δφ_v,g计算公式为：

体散射复相干和γ_PDlow复相干的相位差Δφ_v,PDlow计算公式为：

*为复共轭；

高度差计算公式为：

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