曹先革,楊金玲,侯建國(guó),司海燕

(黑龍江工程學(xué)院 測(cè)繪工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150050)

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基于極化相干層析技術(shù)的林分高度估算

曹先革,楊金玲,侯建國(guó),司海燕

(黑龍江工程學(xué)院 測(cè)繪工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150050)

摘要：極化相干層析(Polarization Coherence Tomography，PCT)技術(shù)可以通過(guò)不同極化狀態(tài)下的干涉相干系數(shù)反演植被垂直結(jié)構(gòu)分布，是SAR技術(shù)應(yīng)用的一個(gè)重要發(fā)展方向。文中介紹極化相干層析的原理，總結(jié)極化相干層析技術(shù)重建垂直剖面的流程，通過(guò)仿真數(shù)據(jù)和ALOS PALSAR數(shù)據(jù)對(duì)極化相干層析技術(shù)在林分高度估算方面的適用性進(jìn)行研究。估算結(jié)果表明，極化相干層析技術(shù)反演的林分高度特征信息準(zhǔn)確，具有較強(qiáng)的魯棒性。

關(guān)鍵詞：極化相干層析；林分高度；ALOS PALSAR；全極化SAR

極化干涉合成孔徑雷達(dá)(POLInSAR)作為一種新的雷達(dá)成像技術(shù)，可以對(duì)某些重要的特性進(jìn)行遙感測(cè)量，能夠用于森林植被高度和生物量探測(cè)、雪/冰川厚度監(jiān)測(cè)、城市地面沉降測(cè)量等[1]。根據(jù)極化干涉相位的變化可以提取重要的生物和地球物理參數(shù)，這對(duì)植被覆蓋區(qū)域的遙感極其重要；同時(shí)，極化干涉合成孔徑雷達(dá)具有一個(gè)重要的特性：能夠基于單一頻率的單基線或多基線傳感器操作進(jìn)行模型參數(shù)估計(jì)[2]。

Cloude等于2006年提出了一種極化相干層析(Polarization Coherence Tomography，PCT)方法[3]，該方法可通過(guò)不同極化狀態(tài)下的干涉相干系數(shù)反演植被垂直結(jié)構(gòu)分布，該方法進(jìn)一步拓展了極化干涉SAR用于垂直結(jié)構(gòu)參數(shù)反演的理論和方法。此后，Cloude等從多基線角度對(duì)極化相干層析進(jìn)行了進(jìn)一步完善[4];張紅等對(duì)單基線和多基線極化相干層析進(jìn)行了比較分析[5];王金峰等分析了機(jī)載SAR層析三維成像的可行性[6];李文梅等基于極化相干層析估算了森林地上生物量[7];付海強(qiáng)等對(duì)極化相干層析方法進(jìn)行了改進(jìn)[8];Wenmei Li等基于極化相干層析和極化分割對(duì)森林地上生物量進(jìn)行了估算研究[9]，這些研究進(jìn)一步推進(jìn)了極化相干層析技術(shù)的完善和應(yīng)用。

極化相干層析技術(shù)應(yīng)用前景廣闊，開(kāi)展這方面的研究具有重要的意義，本文將在分析極化相干層析原理和步驟的基礎(chǔ)上，通過(guò)仿真數(shù)據(jù)和ALOS PALSAR數(shù)據(jù)重點(diǎn)對(duì)極化相干層析技術(shù)在林分高度估算方面的適用性進(jìn)行研究。

1極化相干層析技術(shù)

極化相干層析技術(shù)利用不同位置觀測(cè)的每一像元的散射矩陣，通過(guò)極化和干涉信息的有效組合，獲得觀測(cè)對(duì)象空間結(jié)構(gòu)特征信息[5]。極化相干層析技術(shù)的原理如圖1所示[3]。

圖1　極化相干層析技術(shù)原理圖

(1)

2極化相干層析步驟

作為InSAR技術(shù)的進(jìn)一步擴(kuò)展，極化相干層析技術(shù)在數(shù)據(jù)處理過(guò)程中亦用到了InSAR的兩個(gè)主要算法：SAR圖像的高精度匹配技術(shù)和基線估計(jì)。極化相干層析技術(shù)重建垂直剖面的流程如圖2所示[3,5]。

圖2　極化相干層析技術(shù)重建垂直剖面流程

3基于仿真數(shù)據(jù)和ALOS PALSAR全極化數(shù)據(jù)的林分高度估算

本實(shí)驗(yàn)利用仿真數(shù)據(jù)和塔河地區(qū)ALOS PALSAR全極化數(shù)據(jù)對(duì)極化相干層析技術(shù)估算的林分高度進(jìn)行了驗(yàn)證。

3.1仿真數(shù)據(jù)簡(jiǎn)介

本實(shí)驗(yàn)所用仿真數(shù)據(jù)系通過(guò)歐洲航天局提供的PolSARpro Simulator軟件生成，該軟件可通過(guò)設(shè)置軌道、入射角、中心頻率、方位向分辨率、距離向分辨率、樹(shù)型、樹(shù)高、林分密度等參數(shù)生成仿真數(shù)據(jù)。對(duì)于仿真數(shù)據(jù)，由于樹(shù)高可以人工設(shè)定，因此可將輸入模型的樹(shù)高視為已知值，并與通過(guò)極化相干層析技術(shù)估算得到的林分高度進(jìn)行對(duì)比，進(jìn)而可分析林分高度估算精度。

3.2仿真數(shù)據(jù)估算結(jié)果

本實(shí)驗(yàn)分別按18 m，22 m生成了L波段SAR仿真數(shù)據(jù)，仿真數(shù)據(jù)示意圖如圖3所示，估算得到的高度圖如圖4所示，高度剖面如圖5所示，高度三維視圖如圖6所示。

圖3　L波段SAR仿真數(shù)據(jù)示意圖

圖4　基于極化相干層析法估算的高度圖

圖5　估算的高度剖面圖(真實(shí)高度左圖為18 m，右圖為22 m)

圖6　由高度圖得到的三維視圖

3.3研究區(qū)概況及ALOS PALSAR全極化數(shù)據(jù)簡(jiǎn)介

研究區(qū)域位于黑龍江北部的塔河地區(qū)，地理位置為：東經(jīng)123.4°～124.9°，北緯52.3°～53.4°。該地區(qū)森林覆蓋完整，植被類(lèi)型豐富。

ALOS衛(wèi)星是世界上第一顆搭載全極化SAR的衛(wèi)星，能獲得L波段的全極化數(shù)據(jù)(HH、HV、VH、VV)，可以用于重復(fù)通過(guò)干涉測(cè)量[11]。本研究利用的數(shù)據(jù)是全極化模式下獲取的塔河地區(qū)的PALSAR全極化數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)獲取的時(shí)間分別是2007年5月7日和2007年11月7日，詳細(xì)信息見(jiàn)表1。

表1　塔河PALSAR數(shù)據(jù)軌道號(hào)和時(shí)相

同時(shí)，本研究還收集了2005年該研究區(qū)域的小班數(shù)據(jù)，小班數(shù)據(jù)顯示該地區(qū)平均樹(shù)高20 m左右；小班數(shù)據(jù)與ALOS PALSAR數(shù)據(jù)非同期，考慮到兩年內(nèi)林分高度的變化可以忽略，因此，本實(shí)驗(yàn)在分析估算精度時(shí)對(duì)2005—2007年樹(shù)木的生長(zhǎng)高度未予考慮。

3.4ALOS PALSAR數(shù)據(jù)估算結(jié)果

以塔河地區(qū)ALOS PALSAR數(shù)據(jù)5月份影像為主影像，以11月份影像為輔影像進(jìn)行精確配準(zhǔn)后，經(jīng)過(guò)干涉處理后基于極化相干技術(shù)估算出的林分高度如圖7所示。

圖7　基于極化相干層析技術(shù)估算的林分高度剖面圖

以塔河地區(qū)ALOS PALSAR數(shù)據(jù)11月份影像為主影像，以5月份影像為輔影像進(jìn)行精確配準(zhǔn)，經(jīng)過(guò)干涉處理后基于極化相干技術(shù)估算出的林分高度如圖8所示。

3.5林分高度估算結(jié)果分析

L波段SAR仿真數(shù)據(jù)和L波段ALOS PALSAR數(shù)據(jù)的林分高度估算結(jié)果表明：

1)對(duì)于仿真數(shù)據(jù)，從圖5和圖6所示的估算結(jié)果可以看出，極化相干層析技術(shù)估算得到的林分高度和輸入的林分高度吻合程度高，這說(shuō)明極化相干層析技術(shù)構(gòu)建的垂直剖面精度高，反演的林分高度特征信息準(zhǔn)確。

2)ALOS PALSAR數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)極化相干層析技術(shù)估算出的林分高度與收集到的該地區(qū)小班數(shù)據(jù)提供的參考林分高度20 m比較接近，說(shuō)明了該技術(shù)對(duì)真實(shí)數(shù)據(jù)的可行性。

3)ALOS PALSAR數(shù)據(jù)的兩景影像在SAR圖像配準(zhǔn)時(shí)無(wú)論選擇哪景做主影像對(duì)估算結(jié)果的影響都比較小，這說(shuō)明極化相干層析技術(shù)的估算方法具有較強(qiáng)的魯棒性。

4)在數(shù)據(jù)處理過(guò)程中，由于時(shí)間去相干因素和其它因素的影響，導(dǎo)致ALOS PALSAR數(shù)據(jù)干涉結(jié)果質(zhì)量的降低，這不可避免地會(huì)影響極化相干層析估算精度，并導(dǎo)致圖7和圖8的估算結(jié)果與小班數(shù)據(jù)提供的參考高度具有一定偏差。

5)雖然ALOS PALSAR數(shù)據(jù)估算的林分高度與小班數(shù)據(jù)提供的參考高度具有一定偏差，若能剔除時(shí)間去相關(guān)和其它因素的影響，極化相干層析技術(shù)的估算精度將會(huì)得到進(jìn)一步提高。

研究結(jié)果表明，極化相干層析技術(shù)能夠有效構(gòu)建植被的垂直結(jié)構(gòu)，具有較高的林分高度估算精度。

4結(jié)束語(yǔ)

作為一種新興SAR技術(shù)，極化相干層析技術(shù)由于能夠提供研究對(duì)象的空間結(jié)構(gòu)信息，近十年來(lái)發(fā)展迅速；極化相干層析技術(shù)也是未來(lái)SAR應(yīng)用技術(shù)的一個(gè)重要發(fā)展方向。隨著SAR系統(tǒng)的完善，極化相干層析技術(shù)將會(huì)得到進(jìn)一步的提升。與國(guó)外相比，雖然我國(guó)在SAR系統(tǒng)和數(shù)據(jù)處理方面有了很大的進(jìn)展，但在極化相干層析技術(shù)方面的研究仍需進(jìn)一步加強(qiáng)。

極化相干層析技術(shù)估算的林分高度對(duì)于大面積的森林生物量和蓄積量估算、森林疏密程度估計(jì)等具有重要的意義。極化相干層析技術(shù)林分高度估算的適用性仍需要進(jìn)一步的研究，與現(xiàn)有其它方法的對(duì)比分析，時(shí)間去相關(guān)等影響因素的剔除將是下一步的研究重點(diǎn)。

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[責(zé)任編輯：劉文霞]

Stand height estimation based on polarization coherence tomography

CAO Xiange,YANG Jinling,HOU Jianguo,SI Haiyan

(School of Surveying and Mapping Engineering,Heilongjiang Institute of Technology,Harbin 150050，China)

Abstract：Polarization coherence tomography technology can realize the vegetation vertical structure inversion through the interferometric coherence coefficient of different polarization states,which is an important development direction of SAR technology applications.This paper introduces the principle of polarization coherence tomography,then summarizes the vertical profile reconstruction process by polarization coherence tomography,and finally studies the applicable of polarization coherence tomography technology for stand height estimation through the simulation data and ALOS PALSAR data.The results show the inferred stand height feature information by polarization coherence tomography is accurate and the technology has strong robustness.

Key words：polarization coherence tomography；stand height；ALOS PALSAR；full polarization SAR

DOI:10.19349/j.cnki.issn1006-7949.2016.07.004

收稿日期：2015-03-25;修回日期：2015-05-05

基金項(xiàng)目：黑龍江省普通高校重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室空間地理信息綜合實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放課題資助(KJKF-12-06)

作者簡(jiǎn)介：曹先革(1979-)，男，副教授，博士.

中圖分類(lèi)號(hào)：P237

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1006-7949(2016)07-0018-04