CN117665809A - 反演森林冠层高度方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及森林冠层高度反演技术领域，涉及一种反演森林冠层高度方法，其包括以下步骤：（1）数据准备；（2）采用总体最小二乘法拟合复相干直线，获取候选地相位；（3）采用LiDAR DTM和卫星轨道数据，进行地相位模拟，然后参照模拟相位估计地相位；（4）求取纯体散射复相干估计值；（5）用F函数估测有效区域森林冠层高度。本发明能准确的估计地相位，从而提高森林冠层高度估测的准确性。
Description
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，涉及一种反演森林冠层高度方法，更确定地，涉及一种基于SAR卫星轨道描述、R-D定位模型和LiDAR DTM辅助地相位优化的反演森林冠层高度方法。
背景技术
森林树高及其变化直接反映森林生长状态，通过测定森林树高及其变化，可评价森林立地质量、林分年龄和森林退化程度，以此为基础可计算森林的蓄积量、生物量，评价森林生产力。由于野外森林所处的复杂地形条件，在森林资源实际调查中，难以准确获取大范围的森林树高信息。
遥感技术是大范围获取地面信息的有效技术手段，在土地利用/土地覆盖分类、生态环境监测等已发挥了积极有效的作用。激光雷达系统（Light Detection And Ranging，LiDAR）提供的估测森林高度具有无与伦比的精度，但由于获取数据的成本太高（飞行活动的高经济成本），短期内难以在大范围或区域尺度开展森林树高测量。
合成孔径雷达(synthetic aperture radar, SAR)是20世纪50年代末研制成功的一种微波传感器，具有获取植被表面极化和干涉模式数据的能力，被广泛用于森林结构和生物物理参数反演，其中合成孔径雷达干涉测量(interferometric synthetic apertureradar, InSAR)和极化合成孔径雷达干涉测量(polarimetric and interferometricsynthetic aperture radar, PolInSAR)对森林体散射的形状、方向和垂直结构比较敏感，可获得不同植被高度下不同极化干涉复相干，用于森林结构监测。
PolInSAR（Polarimetric and Interferometric SAR，PolInSAR）技术综合InSAR技术对体散射垂直结构的量度性以及PolSAR技术对体散射形状和方位的敏感性，能够生成任意极化散射机制下的复相干影像，各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。RVoG（Random Volume over Ground）模型简洁且估计精度较高，是最常用的模型之一。
已有研究发现，TanDEM-X数据具有高相干性，但基于机理模型RVoG的树高估测结果由于受X波长穿透性有限和地形的双重影响，整体估测精度不高，与森林二类调查数据相比，估测结果虽然整体变化趋势与调查数据一致，但相对误差还是较大，与森林调查的精度要求还有差距。
RVoG模型的估测森林树高的不确定性除受到地形影响外，还与森林类型、森林结构、森林疏密度有较大关系！本质上还是源于微波与森林的相互作用过程的不同（即微波散射机理），而RVoG模型不能真实反映这些不同的微波散射过程，导致估测精度不高。
由TerraSAR-X卫星和TanDEM-X卫星组成的TanDEM-X双站SAR干涉测量系统，零时间基线，TanDEM-X数据具有的高相干性也给森林树高测量带来了新的机遇。
目前，有学者基于RVoG模型的几何分布特征提出了三阶段算法估测森林冠层高度方法，在三阶段算法中地相位确定过程中，复相干拟合直线（complex fitting line，CFL）与复相干单位圆(the Complex Unit Circle，CUC)的两个交点的相位作为候选地相位。从两个候选地相位中选出真实地相位是三阶段算法中非常重要的步骤。TanDEM-XSAR 数据X波段波长短，穿透性弱，各极化复相干性分布相对集中，趋于某一交点，三阶段算法难以准确估计地相位。
发明内容
本发明的内容是提供一种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。
根据本发明的反演森林冠层高度方法，其包括以下步骤：
（1）数据准备；
计算TanDEM-X全极化SAR干涉数据13种极化散射机制复相干，即：HH、HV、VH、VV、HH+VV、HH-VV、LL、RR、OPT1、OPT2、OPT3、PDhigh、PDlow极化散射机制复相干；利用LiDAR DTM获取距离向的坡度角，修正局部入射角、垂直波数/>；
（2）复相干直线CFL拟合，获取候选地相位；
采用TLS总体最小二乘法拟合复相干直线CFL；复相干直线CFL与复相干单位圆CUC的两个相交点相位作为地相位候选值；
（3）采用LiDAR DTM和卫星轨道数据，进行地相位模拟，然后参照地面模拟相位估计地相位/>；
（4）求取纯体散射复相干估计值；
（5）计算多组 的体散射复相干理论值，比较体散射复相干理论值和体散射复相干估计值，用F函数估测有效区域森林冠层高度/>。
作为优选，步骤（3）中，具体包括以下步骤：
（3.1）采用SAR卫星的头文件数据，拟合出卫星轨道；
（3.2）采用R-D定位模型和LiDAR DTM解算像元斜距；
（3.3）在去平地相位效应下模拟地相位；
（3.4）参照模拟地相位估计地相位/>。
作为优选，步骤（3.1）中，具体为：
SAR数据头文件中提供N个时刻的位置矢量和速度矢量/>，S为卫星位置，采用多项式轨道描述法和离散点的位置和速度向量拟合卫星轨道，从而获得任意时刻的卫星位置矢量和速度矢量；采用下式解算遥感影像第i行的成像时间：
；
式中，t0为遥感影像第1行成像时间，ti为第i行成像时间，i为方位向；N为总行数，PRF为脉冲重复频率，t0和PRF从头文件中获得。
作为优选，位置矢量采用三次多项式进行卫星轨道模拟，速度矢量采用二次多项式进行卫星轨道模拟，如下所示：
；
；
式中， 为估测系数。
作为优选，步骤（3.2）中，具体为：
（a）计算遥感影像近似圆的半径RL
；
式中，Ra为第一椭球参数；Rb为第二椭球参数；为遥感影像中心纬度；cos()为取余弦函数，sin()为取正弦函数；
（b）计算第一地心角：
；
式中，为第一地心角；/>为SAR卫星位置矢量；r0为第一斜距，从卫星头文件中获得；cos()-1取反余弦函数；
（c）计算任意像元的斜距：
；
式中，R(i，j)为像元斜距；i为行号，j为列号；为距离向地距像元大小；
（d）间接定位法求解
通过LiDAR DEM影像获得大地坐标，然后转空间直角坐标系，结合拟合的卫星轨道建立R-D定位模型，迭代求解，得到影像行列坐标(i，j)。
作为优选，步骤（3.3）中，具体为：
在求得像元斜距R(i，j)后，依据下式，移除整体相位偏差后，求得：
；
式中，HOA为高度模糊数(表示导致2个干涉相位差的高度差)，/>是卫星微波从发射到接收时间差的卫星移动偏差距离，/>是平地相位，/>是模拟地相位。
作为优选，步骤（3.4）中，具体为：
第一步，计算模拟地相位与两个候选地相位/>之间的相位差/>，见下式：
；
第二步，比较和/>，若/>时，则/>；若/>时，则，见下式：
。
作为优选，步骤（4）中，方法为：各极化复相干中筛选出纯体散射有效观测值和采用模值不变投影方法获取体散射复相干估计值。
作为优选，步骤（5）中，用F函数估测有效区域森林冠层高度的公式为：
；
为体散射复相干，/>是垂直波数，θ为雷达波入射角，此时获得的高度/>需转换为水平状态下森林冠层高度/>，即/>。
本发明提出了一种基于SAR卫星轨道描述、R-D定位模型和LiDAR DTM辅助地相位优化三阶段算法估测森林冠层高度。本发明能准确的估计地相位，从而提高森林冠层高度估测的准确性。
附图说明
图1为实施例中反演森林冠层高度方法的流程图；
图2（a）为实施例中经过开窗口后的LiDARDEM的示意图；
图2（b）为实施例中与SAR 影像匹配后的LiDAR DEM的示意图；
图3为实施例中间接定位法的流程示意图；
图4为实施例中模拟地相位的示意图。
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
如图1所示，本实施例提供了一种反演森林冠层高度方法，其包括以下步骤：
（1）数据准备；
计算TanDEM-X全极化SAR干涉数据13种极化散射机制复相干，即：HH、HV、VH、VV、HH+VV、HH-VV、LL、RR、OPT1、OPT2、OPT3、PDhigh、PDlow极化散射机制复相干；利用LiDAR DTM获取距离向的坡度角，修正局部入射角（/>）、垂直波数/>；
（2）复相干直线CFL拟合，获取候选地相位；
采用TLS总体最小二乘法拟合复相干直线CFL；复相干直线CFL与复相干单位圆CUC的两个相交点相位作为地相位候选值；
根据RVoG模型理论，在复相干单位圆(the Complex Unit Circle，CUC)，各复相干的轨迹应呈直线。采用TLS(Total Least Square， TLS)总体最小二乘法拟合复相干直线CFL；复相干直线CFL与复相干单位圆CUC的两个相交点相位作为地相位候选值；
（3）采用LiDAR DTM和卫星轨道数据，进行地相位模拟，然后参照地面模拟相位/>估计地相位/>；
步骤（3）中，具体包括以下步骤：
（3.1）采用SAR卫星的头文件数据，拟合出卫星轨道；
步骤（3.1）中，具体为：
在SAR卫星几何构像模型中，S为卫星位置，其位置三维矢量(XS，YS，ZS)和速度矢量/>(VX，VY，VZ)，SAR构像模型的准确性受位置矢量和速度矢量精度影响；T为地表目标物，其位置矢量/>(XT，YT，ZT)，在椭球表面投影/>，/>的高程为h。
SAR数据头文件中提供N个时刻的位置矢量和速度矢量/>，S为卫星位置，本实施例采用多项式轨道描述法和离散点的位置和速度向量拟合卫星轨道，从而获得任意时刻的卫星位置矢量和速度矢量；
位置矢量采用三次多项式进行卫星轨道模拟，速度矢量采用二次多项式进行卫星轨道模拟，如下所示：
；
；
式中， 为估测系数。TerrSAR X影像数据头文件中提供了77个时刻的卫星轨道数据，采用最小二乘法获取上述中估测系数，获得卫星任意时刻位置状态矢量和卫星速度矢量。
；
；
；
利用多项式轨道拟合算法反演卫星速度矢量和位置矢量。采用下式解算遥感影像第i行的成像时间：
；
式中，t0为遥感影像第1行（指方位向）成像时间，ti为第i行（指方位向）成像时间，i为方位向；N为总行数（指方位向），PRF为脉冲重复频率，t0和PRF从头文件中获得。
（3.2）采用R-D定位模型和LiDAR DTM解算像元斜距；
DEM采样
通常情况下，高分辨率遥感影像的空间分辨率（小于10m）高于原始DEM影像的空间分辨率（30m），存在欠采样问题。在本实施例中，获得机载LiDAR DTM空间分辨率均为1 m，存在过采样现象，LiDAR DTM开[6*6]的窗口，如图2（a）所示。
将图2（a）开窗后的LiDAR DTM投影到相应的SAR 影像后的影像见图2（b）。
解算像元斜距
卫星与地表目标物斜距与方位向（i）无关，与列号（j）有关。
（a）计算遥感影像近似圆的半径RL
；
式中，Ra为第一椭球参数；Rb为第二椭球参数；对于WGS-84椭球，第一椭球参数Ra为6378137m；第二椭球参数Rb为6356752.3141m；为遥感影像中心纬度；cos()为取余弦函数，sin()为取正弦函数。
（b）计算第一地心角：
；
式中，为第一地心角；/>为SAR卫星位置矢量；r0为第一斜距，从卫星头文件中获得；cos()-1取反余弦函数；
（c）计算任意像元的斜距：
；
式中，R(i，j)为像元斜距；i为行号，j为列号；为距离向地距像元大小；
（d）间接定位法求解
受地形效应，SAR图像有透视收缩、叠掩和阴影等现象，导致原始SAR 影像坐标和DEM地理坐标不是一一对应。本实施例采用间接定位法解算DEM地理坐标与原始SAR 影像坐标的映射关系，具体解算流程见图3。通过LiDAR DEM影像获得大地坐标，然后转空间直角坐标系，结合拟合的卫星轨道建立R-D定位模型，迭代求解，得到影像行列坐标(i，j)。
（3.3）在去平地相位效应下模拟地相位，如图4所示，图4中，左边为未去除平地相位的地相位，中间为平地相位，右边是去除平地相位后的地相位。
步骤（3.3）中，具体为：
在求得像元斜距R(i，j)后，依据下式，移除整体相位偏差（）后，求得：
；
式中，HOA为高度模糊数(表示导致2个干涉相位差的高度差)，/>是卫星微波从发射到接收时间差的卫星移动偏差距离，/>是平地相位，/>是模拟地相位。
（3.4）参照模拟地相位估计地相位/>。
步骤（3.4）中，具体为：
第一步，计算模拟地相位与两个候选地相位/>之间的相位差/>，见下式：
；
第二步，比较和/>，若/>时，则/>；若/>时，则/>，见下式：
。
（3）求取纯体散射复相干估计值；
在获得准确地相位后，在森林冠层高度反演前需要对体散射复相干进行求解。在经典三阶段算法中，作为体散射复相干观测值/>，其在复相干拟合直线（complex fitting line，CFL）上的垂直投影作为体散射复相干的估计值/>。X波段波长短，穿透性小，在森林的优势散射为树冠体散射，体散射信号主要来自于树木冠层的枝叶部分，HV极化通道受到地形起伏和枝叶生长方向不确定性的影响，可能还包含了其他散射贡献。另外垂直投影方法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。本实施例采用先前研究成果（章皖秋，2018；张国飞等，2022）的纯体散射优化估计方法，即各极化复相干中筛选出纯体散射有效观测值和采用模值不变投影方法获得体散射复相干估计值。
（4）估测森林冠层高度
根据RVoG模型（RVoG模型通过有效区域森林冠层高度、消光系数/>有效地体散射幅度比/>、地相位/>四个参数模拟纯体散射复相干，这是现有技术），计算多组的体散射复相干理论值，比较体散射复相干理论值和体散射复相干估计值，用F函数估测有效区域森林冠层高度/>；
步骤（4）中，用F函数估测有效区域森林冠层高度的公式为：
；
为体散射复相干，/>是垂直波数，θ为雷达波入射角，此时获得的高度/>（坡度向的体积厚度）需转换为水平状态下森林冠层高度/>，即/>。
本实施例提出了一种基于SAR卫星轨道描述、R-D定位模型和LiDAR DTM辅助地相位优化三阶段算法估测森林冠层高度。即采用SAR卫星的头文件数据，拟合出卫星轨道，采用R-D定位模型和LiDAR DTM解算像元斜距；在去平地相位效应下模拟地相位；参照地面模拟相位/>估计地相位/>；采用F函数估测有效区域的森林冠层高度/>。
本发明能准确的估计地相位，从而提高森林冠层高度估测的准确性。
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 (9)
1.反演森林冠层高度方法，其特征在于：包括以下步骤：
（1）数据准备；
计算TanDEM-X全极化SAR干涉数据13种极化散射机制复相干，即：HH、HV、VH、VV、HH+VV、HH-VV、LL、RR、OPT1、OPT2、OPT3、PDhigh、PDlow极化散射机制复相干；利用LiDAR DTM获取距离向的坡度角，修正局部入射角、垂直波数/>；
（2）复相干直线CFL拟合，获取候选地相位；
采用TLS总体最小二乘法拟合复相干直线CFL；复相干直线CFL与复相干单位圆CUC的两个相交点相位作为地相位候选值；
（3）采用LiDAR DTM和卫星轨道数据，进行地相位模拟，然后参照地面模拟相位估计地相位/>；
（4）求取纯体散射复相干估计值；
（5）计算多组 的体散射复相干理论值，比较体散射复相干理论值和体散射复相干估计值，用F函数估测有效区域森林冠层高度/>。
2.根据权利要求1所述的反演森林冠层高度方法，其特征在于：步骤（3）中，具体包括以下步骤：
（3.1）采用SAR卫星的头文件数据，拟合出卫星轨道；
（3.2）采用R-D定位模型和LiDAR DTM解算像元斜距；
（3.3）在去平地相位效应下模拟地相位；
（3.4）参照模拟地相位估计地相位/>。
3.根据权利要求2所述的反演森林冠层高度方法，其特征在于：步骤（3.1）中，具体为：
SAR数据头文件中提供N个时刻的位置矢量和速度矢量/>，S为卫星位置，采用多项式轨道描述法和离散点的位置和速度向量拟合卫星轨道，从而获得任意时刻的卫星位置矢量和速度矢量；采用下式解算遥感影像第i行的成像时间：
；
式中，t0为遥感影像第1行成像时间，ti为第i行成像时间，i为方位向；N为总行数，PRF为脉冲重复频率，t0和PRF从头文件中获得。
4.根据权利要求3所述的反演森林冠层高度方法，其特征在于：位置矢量采用三次多项式进行卫星轨道模拟，速度矢量采用二次多项式进行卫星轨道模拟，如下所示：
；
；
式中， 为估测系数。
5.根据权利要求4所述的反演森林冠层高度方法，其特征在于：步骤（3.2）中，具体为：
（a）计算遥感影像近似圆的半径RL；
；
式中，Ra为第一椭球参数；Rb为第二椭球参数；为遥感影像中心纬度；cos()为取余弦函数，sin()为取正弦函数；
（b）计算第一地心角；
；
式中，为第一地心角；/>为SAR卫星位置矢量；r0为第一斜距，从卫星头文件中获得；cos()-1取反余弦函数；
（c）计算任意像元的斜距；
；
式中，R(i，j)为像元斜距；i为行号，j为列号；为距离向地距像元大小；
（d）间接定位法求解；
通过LiDAR DEM影像获得大地坐标，然后转空间直角坐标系，结合拟合的卫星轨道建立R-D定位模型，迭代求解，得到影像行列坐标(i，j)。
6.根据权利要求5所述的反演森林冠层高度方法，其特征在于：步骤（3.3）中，具体为：
在求得像元斜距R(i，j)后，依据下式，移除整体相位偏差后，求得：
；
式中，HOA为高度模糊数，是卫星微波从发射到接收时间差的卫星移动偏差距离，是平地相位，/>是模拟地相位。
7.根据权利要求6所述的反演森林冠层高度方法，其特征在于：步骤（3.4）中，具体为：
第一步，计算模拟地相位与两个候选地相位/>之间的相位差/>，见下式：
；
第二步，比较和/>，若/>时，则/>；若/>时，则，见下式：
。
8.根据权利要求7所述的反演森林冠层高度方法，其特征在于：步骤（4）中，方法为：各极化复相干中筛选出纯体散射有效观测值/>和采用模值不变投影方法获取体散射复相干估计值。
9.根据权利要求8所述的反演森林冠层高度方法，其特征在于：步骤（5）中，用F函数估测有效区域森林冠层高度的公式为：
；
为体散射复相干，/>是垂直波数，θ为雷达波入射角，此时获得的高度/>需转换为水平状态下森林冠层高度/>，即/>。
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| CN202311769192.8A Active CN117665809B (zh) | 2023-12-21 | 2023-12-21 | 反演森林冠层高度方法 |
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| CN (1) | CN117665809B (zh) |
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2023
- 2023-12-21 CN CN202311769192.8A patent/CN117665809B/zh active Active
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Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN117665809B (zh) | 2024-06-21 |
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