基于TanDEM-X数据的橡胶林高度反演研究——以云南省勐腊县为例

极化干涉SAR综合了雷达极化和干涉技术,可以分别提取出森林地区的地表和冠层相位中心,实现植被高度反演。文章采用TanDEM-X星座X波段全极化数据,基于随机散射体—地表二层散射模型(RVoG),结合三阶段算法反演云南省勐腊县研究区的橡胶林高度。结果表明,采用RVoG模型结合三阶段算法的反演策略可行,与野外实测橡胶林树高的相关系数R为0.449**,均方根误差R_(MSE)为6.92 m,平均误差M_E为-0.02 m。     

基于GVB模型改进算法的PolInSAR林分高度反演

P波段极化数据提高了雷达数据对林分冠层的穿透能力,基于RVoG模型的传统三阶段算法对林分均匀同质的假设前提不再满足实际情况。在符合林分异质性的GVB模型的基础上,利用林分高度、散射中心高度及其标准差进行三维搜索,改进传统三阶段算法中林分高度的反演过程,并分别采用仿真数据和机载E-SAR全极化数据进行算法验证。结果表明:与传统三阶段算法相比,改进算法的成功估计像元数提高了19.7%,林分高度估计精度提高了22.5%,说明改进算法能有效提高纯体相干估计的准确性,提高林分高度反演精度。     

基于TerraSAR-X/TanDEM-X数据的森林高度反演算法研究

基于RVoG模型,对传统三阶段算法及其改进算法进行研究,以云南省西双版纳州勐腊县为研究区,以TerraSAR-X/TanDEM-X数据为数据源进行森林高度反演算法研究,并结合野外实测数据进行结果验证。结果表明,三阶段改进算法对森林高度反演精度优于传统三阶段算法。三阶段改进算法对天然林高度反演精度较高;三阶段算法对橡胶林高度反演精度较高。     

森林地上生物量合成孔径雷达技术反演研究综述

森林地上生物量是森林获取能量的重要体现,准确掌握其动态变化对了解森林生长过程、实现生态系统的有效修复具有重要意义。合成孔径雷达技术（SAR）具有全天时、全天候的特点,在森林地上生物量（AGB）反演中极具潜力。星载SAR技术的发展,使得SAR数据源日益丰富,利用极化SAR技术、干涉SAR技术、极化干涉SAR技术、层析SAR技术、多频SAR技术可以实现对森林不同维度的观测,从而提供森林不同维度的信息,进而提高采用SAR技术进行森林AGB反演的能力。文中介绍星载SAR传感器及可获取SAR数据的现状,在此基础上重点阐述基于后向散射信息、极化信息、干涉信息、极化干涉信息、层析信息、多频SAR信息在森林AGB反演中的现状及存在问题,展望了SAR技术在森林AGB反演中的发展趋势。     

基于时间去相关的三阶段森林高度估计方法

[目的]在利用极化SAR数据反演树高时,时间去相关因子是影响反演精度的主要因素;目前,地面随机运动模型(RMoG)是该领域最有效的模型之一,但地面随机运动模型有着反演困难、耗时过长的缺点。为了改善这个问题,提出了简化RMoG模型。[方法]首先忽略地面运动,只保留植被冠层运动,重新改写植被体散射公式;然后对多个相干系数直线拟合出地面相位;再次通过PD极化相干最优方法来估计纯体散射去相干值;最后利用改写后的植被体散射公式建立查找表,在固定消光系数的基础上通过查找表反演得到植被高度。为了验证本研究方法的有效性,以瑞典南部的Remingstorp地区为研究区,以BioSAR2007项目的遥感数据进行试验,并以决定系数(R2)和均方根误差(RMSE)对4种模型的反演结果进行比较评价。[结果]表明:本研究方法可以很好地改善三阶段算法的高估问题。在精度比较方面:三阶段算法的R~2为0.78,RMSE为8.52;RMoG模型的R2为0.47,RMSE为4.17;RMoG_L模型的R~2为0.48,RMSE为2.50;本方法的R2为0.53,RMSE为6.24。对比三阶段算法,本研究方法在精度上有明显的优势;对比RMoG模型和RMoG_L模型,本方法可有效地减少反演时间。[结论]通过添加植被冠层运动消除时间去相关的影响行之有效。与三阶段算法、RMoG模型和RMoG_L模型对比,本方法具有精度高、耗时少的优点。     

基于极化合成孔径雷达干涉测量的平均树高提取技术

在新疆和田地区建立SIR-C/X SAR极化干涉测量试验区,获取2次重复飞行的SIR-C/X SAR全极化干涉测量数据、覆盖试验区的地形图4幅、Landsat-5 TM及Landsat-7 ETM 数据各一景.在此基础上,研究实现POLinSAR数据处理及树高反演算法,并对试验结果进行初步分析评价.结果表明:本文所采用的极化干涉测量数据处理方法及树高反演算法是正确的;受去相干噪声因素的影响,重复飞行极化干涉SAR相干影像上可能存在大量的非体散射去相干散射体,识别这些散射体并加以剔除是保证得到正确树高提取结果的重要步骤.     

ICESat-GLAS激光天顶角对反演森林冠层高度的影响

为了量化激光天顶角对ICESat-GLAS波形数据反演森林冠层高度的影响,以吉林省汪清林业局经营区为例,基于ICESat-GLAS波形数据及DEM数据,在Allouis模型和Nie模型基础上,分别引入激光天顶角,对光斑内坡度引起的高度距离(GroundExtent)进行修正,建立森林冠层高度估测模型,并通过模型对坡度的校正能力、天顶角引起的GroundExtent理论误差以及大气延迟增量三个方面讨论分析天顶角在反演森林冠层高度中的影响。结果表明:天顶角的引入能够提高模型的估测精度,决定系数(R2)分别提高了6.56%、4.26%,且能更好地校正地形坡度;在外部条件相同的情况下,由天顶角(1°)引起的GroundExtent理论误差在0.122~1.100m范围内;在天顶延迟约为2.3m时,天顶角(1°)对大气延迟增量的影响为0.04~3.50mm。由此可知天顶角对估测森林冠层高度存在一定的影响,引入激光天顶角的冠层估测模型能更准确地反演森林冠层高度。     

合成孔径雷达在国土监测中的应用

合成孔径雷达(SAR)具备微波极化和干涉特性,相比光学影像,对目标结构特征更为敏感,在监测地物方面具有一定优势。文章根据后向散射系数和干涉相干系数两个指标,对SAR影像拍摄的耕地、水体、森林、建筑物等常见地物特征进行分析归纳,以TanDEM-X在云南省勐腊县的一景数据为例,说明其在疑似建设用地图斑提取和地类图斑勾绘工作中的应用,证明SAR在国土监测中的有效性。     

高精度DEM支持下的多时期航片杉木人工林树高生长监测

【目的】集成多时期航片数据和由机载激光雷达数据获取的密集林区数字高程模型,估测多时期杉木人工林冠层高度,并对其生长情况进行定量监测,为多时期航片监测森林生长趋势和评价林地生产力提供可能。【方法】首先基于分类后的激光雷达点云数据获得林下高精度数字高程模型和森林数字表面模型,利用航片数据构建立体像对,通过自动立体匹配算法生成森林冠层的摄影测量数字表面模型,然后借助数字高程模型将2种数字表面模型进行高度归一化,提取研究区多时期森林冠层高度。利用1996、2004年历史航片和2014年数字航片以及激光雷达数据,构建18年内皖南杉木人工林3期森林冠层高度,并对其精度进行分析。【结果】1)由2014年数字航片和激光雷达数据获取的森林冠层高度的R^2为0. 52,RMSE为1. 79 m; 2)由2014年数字航片处理得到的森林冠层高度与对应样地实测上层木的平均高验证精度较高,平均绝对误差1. 59 m,平均相对误差15%,最大绝对误差3. 45 m,最大相对误差30. 80%,测量精度85. 00%; 3)由1996、2004、2014年航片得到3期杉木人工林冠层高度,其增长趋势与树高生长曲线预测趋势一致。【结论】在多山复杂地形条件下,利用航片可准确定量反映山脊向阳面的森林冠层高度变化,但对于山谷阴影处,则会出现冠层高度被低估情况,利用多期航片结合高精度DEM数据可定量反映上层木的冠层高度变化。     

多基线干涉层析SAR提取森林树高方法研究

应用瑞典Raminstorp研究区Bio SAR 2007 P-波段多基线In SAR数据,研究了基于多基线干涉SAR数据的层析方法,成功提取了可代表森林垂直结构信息的雷达后向散射功率垂直分布信息,并基于该信息提取了树高。应用地面实测样地对树高提取精度进行了检验,结果表明:HH极化树高提取精度最高(R2为0.65,RMSE为2.35 m,相关系数为0.80),HV其次,VV最差。     

基于INFORM模型与GEE的根河火烧迹地冠层含水量反演研究

【目的】提出一种结合辐射传输模型与遥感云平台反演火烧迹地冠层含水量(Canopy water content,CWC)的新方法,弥补目前对火烧迹地恢复阶段植被含水量的监测,为定量监测植被水分与火灾预警提供理论参考。【方法】以内蒙古自治区根河市火烧迹地为研究对象,基于INFORM辐射传输模型,使用查找表的方法反演森林冠层含水量,并结合Google Earth Engine(GEE)大数据遥感平台与Mann-kendall模型分析了火烧迹地的冠层含水量时序性变化,最后绘制根河2018年8月森林冠层含水量分布图。【结果】1)基于样地的CWC反演精度较高(R2为0.79);2)大范围的归一化水分指数(Normalized difference water index, NDWI)和CWC呈指数关系(R2为0.77),但CWC比NDWI的饱和点更高;3)CWC可作为火烧迹地恢复的生态指标,获得了34 a的CWC时序性反演结果,表明火灾后CWC明显降低,并基于Mann-kendall模型得到各样地CWC和LAI的恢复速率。【结论】联合INFORM模型与GEE反演并监测火烧迹地冠层含水量,方法通用且高效。火烧迹地在恢复过程中面临再次发生火烧和虫害病害的风险,研究结果可为森林防火和森林病虫害监测提供技术支持,对该区域森林火灾与森林虫害的预警有一定意义。     

基于Sentinel-2B的油松冠层可燃物含水率反演研究

森林火灾的发生与植被冠层可燃物含水率的大小有着密切联系。利用高精度、大尺度、高效率的遥感影像反演获取植被冠层可燃物含水率对于有效防治森林火灾具有重要意义。油松由于其自身理化性质成为引发森林火灾的主要树种之一，以张家口崇礼区的油松为研究对象，基于Sentinel-2B遥感影像和油松含水率实测数据，建立了多个油松冠层可燃物含水率反演模型：一元线性回归模型、一元非线性回归模型和多元非线性回归模型，并利用决定系数(R²)和均方根误差(RMSE)进行模型精度评价。结果表明，非线性模型总体上要优于线性模型；通过多个自变量因子建立的多元非线性模型能够更好地反映油松冠层可燃物含水率情况，模型反演精度更高，可以为植被冠层可燃物含水率反演模型方法选择提供一定的理论依据。     

森林地上生物量的多基线InSAR层析估测方法

【目的】发展一种森林地上生物量(AGB)的多基线干涉合成孔径雷达(InSAR)层析估测方法,解决热带雨林森林AGB遥感估测常规方法的信号"饱和"问题,为区域及全球森林生物量估测和碳储量研究提供关键技术支撑。【方法】以法属圭亚那巴拉库(Paracou)热带雨林为研究对象,以Tropi SAR 2009 P-波段多基线机载SAR数据和85块样地调查数据为主要数据源。首先,根据HH极化层析相对反射率的三维分布信息提取林下地表高度,对HV极化多基线InSAR数据进行地形相位去除;然后,对HV极化多基线InSAR数据进行三维成像,并对其进行地理编码,得到地理坐标空间层析相对反射率的三维分布信息;最后,利用样地调查数据,分析不同高度处层析相对反射率与森林AGB的相关性,进而建立以层析相对反射率为输入特征的森林AGB估测模型,同时采用留一交叉验证法(LOOCV)对其估测模型进行精度评价。【结果】20 m以下各高度处层析相对反射率与森林AGB呈不同程度的负相关关系,以5 m高度处层析相对反射率与森林AGB的负相关性最强(相关系数达到-0.58);20 m以上各高度处层析相对反射率与森林AGB呈不同程度的正相关关系,以25 m高度处层析相对反射率与森林AGB的正相关性最强(相关系数达到0.63)。采用5 m高度处层析相对反射率构建模型的估测精度为88.44%,均方根误差为49.85 t·hm-2(相对均方根误差为13.56%);采用25 m高度处层析相对反射率构建模型的估测精度为88.82%,均方根误差为47.30 t·hm-2(相对均方根误差为12.87%);同时采用5 m和25 m高度处层析相对反射率联合构建模型的估测结果最优,估测精度为89.17%,均方根误差为46.45 t·hm-2(相对均方根误差为12.63%)。【结论】通过多基线InSAR层析技术得到的层析相对反射率信息有效解决了热带雨林森林AGB遥感估测常规方法的信号"饱和"问题。采用5 m和25 m高度处层析相对反射率可反演得到高精度的森林AGB,表明多基线InSAR层析技术得到的特定高度处层析相对反射率对热带雨林森林AGB具有良好的指示作用;同时利用5 m和25 m高度处层析相对反射率进行联合估测可进一步提高森林AGB的估测精度,说明充分利用不同层次的森林垂直结构信息可进一步提高复杂森林空间结构条件下的森林AGB估测精度。     

星载LiDAR与HJ-1A/HSI高光谱数据联合估测区域森林冠层高度

【目的】将ICESat-GLAS波形数据与HJ-1A/HSI高光谱数据联合,借助HSI高光谱数据提供的连续高分辨率光谱信息,实现区域森林冠层高度的估测,降低由于GLAS光斑呈离散条带状分布无法覆盖整个研究区造成的估测误差。【方法】首先,从平滑后的ICESat-GLAS波形数据中提取波形参数(波形长度W和地形坡度参数TS),基于W和TS建立GLAS森林冠层高度估测模型,并利用此模型计算研究区所有GLAS光斑内的森林冠层高度;然后,采用最小噪声分离法(MNF)对HJ-1A/HSI高光谱数据进行降维,提取前3个MNF分量(MNF1,MNF2,MNF3);最后,基于支持向量回归机(SVR)算法,利用GLAS估测的森林冠层高度和3个MNF分量建立区域森林冠层高度SVR估测模型,并估测研究区内无GLAS光斑覆盖区域的森林冠层高度,生成森林冠层高度分布图。【结果】从ICESat-GLAS波形数据中提取的地形坡度参数TS与野外实测地形坡度具有显著线性关系(R2=0.78);基于W和TS建立的GLAS森林冠层高度估测模型的R~2=0.78,RMSE=2.51 m,模型验证的R~2=0.85,RMSE=1.67 m;基于支持向量回归机算法建立的SVR模型建模的R2=0.70,RMSE=3.62 m,模型验证的R2=0.67,RMSE=4.42 m。采用野外数据对最终得到的森林冠层高度分布图的估测误差进行分析,结果估测误差最大值为7.10 m,最小值为0.07 m,平均值为1.78 m,估测误差的标准差为1.49 m,Q1为0.75 m,Q3为2.31 m。【结论】从ICESat-GLAS波形数据中提取的地形坡度参数TS能够很好地反映地形坡度的变化,本研究建立的线性关系模型可克服对数关系模型在平坦地区解释困难的问题。基于支持向量回归机算法,将ICESat-GLAS波形数据与HJ-1A/HSI高光谱数据联合,可克服ICESat-GLAS由于光斑呈离散条带状分布无法实现区域森林冠层高度估测的不足,实现对区域森林冠层高度的高精度估测。     

基于SAR数据后向散射及光学图像纹理特征的橡胶林提取

以勐腊县为研究区,基于Terra SAR-X卫星的全极化SAR数据以及谷歌高清卫星影像图,对橡胶林的后向散射系数以及其纹理特征进行提取分析,采用决策树分类方法对勐腊县的橡胶林进行分类识别。研究结果表明:全极化Terra SAR数据的HH、HV、VH、VV的后向散射及其之间的计算是构建决策树算法,实现森林、农用地、水体和城市建设用地分类的重要基础;橡胶林作为一种特殊的人工林,其具有固定的行株距以及特有的纹理特征,能把橡胶林和天然林更好地区分开;利用结合SAR数据后向散射及光学图像纹理特征的决策树分类方法对橡胶林进行提取,总体精度为87.6%,Kappa系数为0.81,橡胶林的生产者精度和用户精度均达到90%以上。     

机载林业探测大光斑激光雷达系统的设计与应用

激光雷达以其独特的穿透能力在大面积的林业探测中越来越受到重视。以国家林业局调查规划设计院和北京遥测技术研究所共同设计研发的大光斑激光雷达系统为基础,详细介绍了该系统的工作原理、模块组成、设备安装、参数设计、数据处理等,并对该系统的飞行试验数据进行了分析,结果显示,该系统下得到的波形数据可对建筑、农田、森林等地物进行精确地刻画。进一步利用Matlab 2014b软件对大光斑激光雷达回波波形估测森林样地最大冠层高度,并利用与之对应的小光斑激光雷达数据提取的森林最大冠层高度对比,总体平均精度达到89.24%。利用SPSS软件做配对样本T检验,结果表明,该系统下获得的大光斑波形数据估测的森林最大冠层高度与小光斑估测的森林冠层高度的差异显著性为0.366,大于0.05,无明显差异,直接证明了大光斑激光雷达估测森林最大冠层高度的独特性能。因此,在未来的林业探测中,可用该系统对大面积的森林资源进行探测,为大面积估测林分最大高、平均高、郁闭度、生物量、蓄积量、叶面积指数等一系列森林参数创造了条件。     

森林冠层叶片氮浓度高光谱遥感反演研究进展

氮素是植物生命活动所需的重要营养元素，在森林植被的光合作用和生态系统固碳方面起着关键作用。因此，理解森林叶片氮浓度在叶片和冠层（遥感像元）尺度上的高光谱特征，是开展森林冠层叶片氮浓度（CNC）遥感反演、优化森林碳循环模拟、应对气候变化的重要基础工作。当前，森林CNC的光谱特征提取受到冠层结构因素的影响，其高光谱遥感反演的理论亦不明确。文中通过梳理国内外大量植被叶氮高光谱反演的代表性研究成果，以时间为轴线从叶片和冠层2个尺度上进行文献综述，详细阐述当前国内外森林叶氮浓度高光谱遥感反演的主要方法、研究热点和面临的问题，并对近年来学界关于森林冠层结构在冠层叶片氮浓度遥感反演中的影响进行综述，并展望森林冠层叶氮浓度高光谱遥感反演的发展方向。     

干涉测量土地利用影像分类决策树法森林识别研究

利用ERS－1和ERS－2 SAR串行轨道数据经干涉测量处理生成的干涉测量土地利用影像对森林识别方法进行初步研究。内容包括基于目标识别选择合成干涉测量土地利用影像处理方法、应用斜分类器（OCI）生成分类决策树以及在自主开发的软件中调整分类决策树、对分类结果进行像元级别上的精度检验和误差分析等。结果表明：ERS－1和ERS－2 SAR串行轨道数据经干涉测量处理，利用其强度影像和相干影像可以合成多种干涉测量土地利用影像；其中最小值影像和 标准差影像较之于其它强度影像和变化影像更有利于区分水体和森林；由于OCI生成决策树的算法决定了在分类处理中没有不可分类别的存在，所以在初期选择分类类别时，要尽可能多的覆盖原始影像的数值区间；选择的各类别样本数据要尽可能的“纯”，以减少类别间数值区间的重叠，从而减少误分类情况。     

基于TM影像数据的林分冠层郁闭度反演技术研究

本文以崂山林场为研究区域,利用森林资源二类调查数据和TM影像数据,分析了林分郁闭度与遥感因子之间的定量关系,在此基础上利用多元回归分析法结合实测数据构建郁闭度估测模型,并对模型精度进行检验,结果表明,预估精度达到81.6%,估测效果较好。利用该模型,反演了研究区的林分冠层郁闭度,将崂山林场的林分冠层郁闭度分为四个等级,即非林地区,低郁闭度区,中郁闭度区和高郁闭度区,研究区的森林郁闭度分布呈现西北部和东南部较低,而中部和南部相对较高。     

基于极化干涉SAR数据森林树高反演算法比较

树高是森林资源的重要参数,因此对于树高反演的研究具有重要的意义。以欧空局提供的Pol SARPro软件生成L波段和X波段的全极化雷达数据,对2个波段的数据进行预处理,选择DEM差值法、RVOG地相位法和复相干幅度法对树高进行反演,并对L波段和X波段反演结果进行分析。结果表明:对于L波段,DEM差值法低估了树高,RVOG地相位法高估了树高,复相干幅度法反演的树高精度比DEM差值法和RVOG地相位法要高;X波段严重低估了树高,已经不适用这3种树高反演算法,反演的结果不理想。