合成孔径雷达在森林资源监测中的应用:优势、难点和方法

一、引言合成孔径雷达(SAR)是以微波波段的电磁波作为探测手段,利用方位向合成孔径和距离向脉冲压缩技术实现区域范围的高分辨率成像,从而获取观测对象的散射特征和相关信息的主动遥感技术[1]。SAR相比于其他遥感技术,兼具了大区域高分辨率成像的能力和对森林冠层穿透能力强的特点,在森林参数定量估测、森林类型识别和变化监测制图等应用方面具有优势。

高分辨率遥感林业应用技术与服务平台设计与应用

高分辨率遥感林业应用技术与服务平台采用基于云构架的资源协同管理和林业专题产品生产流程定制技术,集成了高分辨率遥感在森林资源调查、湿地资源监测、荒漠化监测、林业生态工程监测和森林灾害监测等林业调查和监测应用中算法模块,开发了高分森林资源调查、湿地资源监测、荒漠化监测、林业生态工程监测和森林灾害监测5大应用系统,研制了21种林业专题产品生产线,实现了高分林业应用专题产品的定制化生产,形成了满足我国林业调查与监测业务需求的高分辨率遥感林业应用技术体系,实现了高分遥感数据并行处理和远程多客户端的同步操作运行,以及专题产品的网络发布与共享。

几种林场总体森林蓄积量密度均值估计方法的比较评价

【目的】以林场或县森林资源总体为调查对象,及时、准确地调查监测总体平均每公顷蓄积量,对上级(如市、省)部门开展森林资源宏观管理、生态保护价值评价、森林碳储量计量、领导干部任期绩效考核等工作都有重要支撑作用。将卫星、无人机等多源遥感数据作为辅助数据,采用较少抽样调查样地数据,实现总体参数有效估测的新方法,已成为国内外重要的研究方向,但目前,国内尚无多种现有估计方法的比较评价研究。为了促进新一代遥感技术在森林资源调查业务中的应用,提高我国森林资源天空地一体化调查监测技术水平,亟需对现有林场或县总体参数估测方法进行比较评价研究。【方法】以内蒙古旺业甸实验林场主要人工林树种为总体,基于2019年在林场获取的无人机激光雷达(LiDAR)抽样数据、Sentinel-2A多光谱数据(全覆盖)和少量样地数据,针对样地(p)、样地-卫星(ps)、样地-抽样无人机LiDAR(pl)以及样地-抽样无人机LiDAR-卫星(pls)4种模式,利用适合这4种模式的概率抽样法(DB)、模型辅助法(MA)、模型法(MD)和混合法(HY)4类共5种估测方法(DBp、MDps、MAps、HYpl以及MDpls)对总体森林蓄积量密度均值(MSVD)进行估计与对比分析。【结果】(1)DBp、MDps、MAps、HYpl、MDpls5种方法估测的MSVD分别为212.54、202.09、202.38、210.07以及208.96 m3/hm2,精度分别为90.44%、91.54%、91.69%、96.35%和96.45%,方差依次减小。(2)其他4种方法相对于MDpls方法的估计效率(RE)均大于1(REDBp,MDpls=5.39,REMDps,MDpls=3.82,REMAps,MDpls=3.69,REHYpl,MDpls=1.07);HYpl相对于MDpls的RE略大于1,但几倍于其他3种方法(REDBp,HYpl=5.02,REMAps,HYpl=3.43,REMDps,HYpl=3.56)。(3)包含LiDAR数据的HYpl与MDpls方法相对于包含Sentinel-2A数据的MDps与MAps方法均为正效率(REMAps,HYpl=3.43,REMDps,HYpl=3.56,REMDps,MDpls=3.82,REMAps,MDpls=3.69);MDps与MAps方法之间的RE接近1,但MAps的效率微高于MDps(REMDps,MAps=1.04)。【结论】和只利用样地数据的估计方法相比,将遥感数据作为辅助变量建立估测模型,无论是采用对蓄积量不够敏感的林场全覆盖Sentinel-2A多光谱遥感数据,还是采用对蓄积量很敏感的抽样式获取的LiDAR数据,都可有效提高林场总体MSVD的估测精度。涉及遥感数据应用的4种方法,估计精度最高的为MDpls,其次为HYpl,这2种方法都包含了LiDAR遥感抽样观测数据的应用,都是适应于林场总体MSVD估计的年度监测方法。可实现天空地3种观测数据协同应用的MDpls估测精度和相对效率最高,可作为林场森林蓄积量年度监测的首选方法。

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/XSAR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。

基于k-NN和Landsat数据的小面积统计单元森林蓄积估测方法

基于吉林省一个试验区的森林资源一类清查固定样地数据、Landsat TM数据和土地利用数据,采用精度交叉评价方法研究了k-最近邻(k-NN)法用于小面积统计单元森林蓄积估计的有效性。结果表明:k-NN方法对样地覆盖区影像像元单位面积蓄积量的估测平均误差在1.5 m3.hm2之内,相对均方根误差(RMSE′)低于传统的基于绿度指数的线性方程估测方法;采用k-NN方法可以实现县市级统计单元的参数估计,估测效果优于只利用固定样地数据的传统成数估计方法。

尺度不变特征变换法在SAR影像匹配中的应用

通过几组可代表合成孔径雷达(Synthetic aperture radar,SAR)影像配准主要实际应用情景的实验,对尺度不变特征变换法(Scale invariant feature transformation,SIFT)在SAR图像配准中的应用能力进行了系统的评价.发现SIFT方法可以实现同轨获取的多时相斜距影像之间、斜距与地距影像之间、地距影像与经过地理编码的斜距影像之间的精确配准.为了利用SIFT实现整景遥感影像间的配准,提出了分块处理的方法.实验发现分块寻找特征点虽然可引起特征点总数的降低,但特征点的重复出现率仍大于76%,可满足大影像间配准的需要.同时也发现SIFT匹配过程过于耗时是阻碍其在遥感领域实际和用的技术瓶颈.本文指出了解决该瓶颈的技术方向,并对不变特征匹配法在遥感领域的应用进行了展望.

高光谱数据森林类型统计模式识别方法比较评价

在我国东北地区获取EO-1Hyperion高光谱数据,以高空间分辨率的全色SPOT-5数据及其影像分割结果为辅助,通过外业测量获取真实可靠的森林类型空间分布数据。以这些数据为地面实状数据,对现代先进的统计模式识别方法用于森林类型识别的效果进行比较评价,总结可以有效解决有限样本条件下高光谱分类问题的基于统计模式识别的森林类型分类技术方案。评价结果表明:对高光谱数据进行降维处理,并采用更加有效的二阶统计量估计方法,进而应用将空间上下文信息和光谱信息相结合的分类算法,如ECHO,可以有效提高高光谱数据森林类型的识别精度。

星载SAR影像辐射误差校正算法研究

从SAR影像辐射误差校正原理出发 ,发展了一种利用DEM和SAR地理编码模型计算地面散射面积和当地入射角 ,进而校正地形引起的辐射误差的算法 ,并对计算公式的推导过程进行了论述。通过研究实例对该校正算法的处理效果进行了分析 ,结果表明该算法可以在一定程度上去除地形引起的辐射误差 ,而且该算法仅要求用户具备产生地理编码影像的能力 ,而不需要自己建立地理编码模型 。

DGPS在资源环境遥感中的应用方法研究

为了能够利用较低配置的GPS设备 ,方便有效地完成与资源环境遥感有关的地物定位测量任务 ,利用伪距DGPS设备进行了如下试验研究 :基站参考坐标对定位精度的影响、基于大地测量三角控制点和WGS84到北京 5 4坐标系转换模型进行基站参考坐标差分测量导算的方法和精度、在导算出的控制点处建立基站进行试验区样地定位测量的方法及所能达到的精度。试验结果表明 ,在具备测区至少一个三角控制点和坐标转换参数条件下 ,可以采用首先从已知三角点导算出一个位于方便位置处的点的大地坐标 ,然后在该点建立基站用于完成实际测量任务的方法。以遥感影像作为参照对其绝对定位精度进行了评价 ,发现这种方法所能达到的在当地坐标系中的相对定位精度远远小于一个像元大小 ,可以推广应用到资源环境遥感的各个应用领域。在不具备基站参考坐标和坐标系转换参数的条件下 ,可以基于差分测量结果之图形要素绝对位置精度高且不随基站地心参考坐标小量变化而改变的特点 ,采用图形到遥感影像配准的方法直接将测量结果图形转换到已经和当地坐标系配准的遥感影像上去。采用这种办法 ,在差分处理时不用考虑基站的精确WGS84地心参考坐标 ,也不用考虑坐标系的转换参数 ,利用基站单点绝对定位结果作为参考坐标进行差分就可 。

三颗高分辨率星载SAR的定位模型构建及其定位精度评价

随着TerraSAR-X,Cosmo-SkyMed和Radarsat-2这三颗高分辨率SAR卫星的成功发射,国内越来越多的用户开始通过商业渠道或通过参与SAR数据的应用示范项目免费获取到这三颗卫星的SAR数据。要很好地应用SAR数据必须首先解决其地理编码或几何校正问题,而该问题的核心是解决SAR定位模型的建立和解算方法,在此基础上就可以实现SAR影像的地球椭球校正地理编码(Geocoding of Ellipsoid Correction,GEC)处理,增强地球椭球地理编码(Enhanced Elliposid Correction,EEC)和地形校正地理编码(Geocoding of Terrain Correc-tion,GTC)或正射校正。本文研究并实现了这三颗高分辨率SAR数据的定位模型构建方法,并对GEC效果进行了评价。结果表明本文发展的定位模型构建方法是正确的,为实现这三颗高分辨率卫星SAR数据的EEC和GTC处理奠定了基础。

SAR干涉测量数字高程模型提取与高程误差校正

介绍了基线几何参数的估计、干涉相位图生成、干涉相位去平、基线几何参数优化算法、高程解算等原理。利用在中国内蒙古自治区获取的一对SIR C/XSARL波段干涉测量数据研究了干涉测量数据处理方法 ,对整景SAR数据进行了处理 ,生成了相应地面范围的数字高程模型。在试验区地形图的辅助下 ,分析了利用粗略基线几何参数求算高程产生误差的原因 ,实现了基于GCP的基线几何参数优化算法。利用控制点进行校正后 ,数字高程模型的均方根误差达到 16

ENVISAT ASAR影像地理定位方法

随着 ENVISAT ASAR传感器成功通过调试阶段 ,国内将有越来越多的用户能够获取到 ASAR数据。如何进行 ASAR数据的地理定位是实际应用中需要解决的第一个关键问题。基于距离 -多普勒 (RD)模型发展了对ASAR主要影像产品进行地理定位的方法 ,重点解决了不同影像产品类型距离向方程的构建方法 :对于斜距产品 ,距离向方程由第一斜距和影像距离向像元大小所确定的直线方程描述 ;精确地距模式影像元数据中仅提供一套SRGR参数 ,可直接用于建立距离向方程 ;而中分辨率地距模式影像在元数据中提供了若干套 SRGR参数 ,需根据方位向成像时间与 SRGR参数的方位向更新时间的关系 ,通过插值方法建立距离向方程。利用该方法对 APP- 1P、APM- 1P、APS- 1P、IMP- 1P和 IMM- 1P共 5景 ASAR数据进行了地理定位试验。 SAR处理器在生成 ASAR数据产品时 ,已经对影像 4个角点的地理位置进行了定位 ,并将定位结果记录在 ASAR数据的元数据中。本文以这些定位结果为基准对所发展的定位方法的相对精度进行了评价 ,实验结果表明 :对于 APP- 1P、APS- 1P和 IMP- 1P数据产品 ,经度和纬度相对误差都小于 1m ;对于中分辨率 APM- 1P和 IMM- 1P数据产品 ,最大经度误差为5 9.73m,最大纬度误差为 83.38m,分别是影像像元大小的 0 .8倍和 1.1倍 ;

星载SAR影像地理编码算法研究

对SAR成像机理进行了研究,据此对SAR的成像几何进行了精确构建。所建距离向和方位向成像方程的参数可以由卫星轨道参数和其它成像参数直接获得。若轨道参数精度较高,这些参数就可以直接用于SAR影像的地理编码,生成SAR正射影像。为提高校正精度,研究了以这些参数为初值利用少量控制点对成像方程参数进行非线性求解的算法,并利用该算法完成了ERS2SAR影像的地理编码过程。利用该算法产生的正射影像和地形图的配准精度在东西和南北向都小于50m,可与其它基于地形图坐标系统的图像匹配使用。

基于斜角坐标系变换的星载SAR直接定位算法

在研究现有距离-多普勒（RD）定位模型解法方法的基础上,发展了一种基于斜角坐标系变换的RD模型直接定位分析算法,并在定位过程中引进了数值解算方法,使该定位算法兼有了纯分析法和纯数值计算法的特点.利用一景ERS-2 SAR SLC数据比较评价了所发展算法与现有算法的定位效果,结果表明,该算法不仅定位精度较高,而且执行效率比纯粹的基于很多迭代过程的数值分析算法有了很大的提高.

分析法和数值解算法相结合的星载SAR直接定位算法

星载合成孔径雷达(SAR)直接定位算法是发展SAR影像椭球表面校正地理编码(GEC)和地形校正地理编码(GTC)算法的基础。发展高精度的直接定位算法对促进SAR影像的应用具有重要意义。本文在距离-多普勒(RD)定位模型定位算法的基础上,发展了一种将纯分析法(AGM)和纯数值计算法相结合的算法(AIRGM)。新的定位算法兼有纯分析法和纯数值计算法的优点。利用一景ERS-2 SAR SLC数据,采用两种精度评价方法,将所发展的算法与现有的两种算法的定位精度进行了对比。第1种精度评价方法以影像产品中提供的四角点大地坐标为参考,第2种方法以从1∶5万地形图上获取的14个控制点为参考。评价结果表明AIRGM算法不仅定位精度较高,而且执行效率比纯粹的数值解算法(ASF)有了很大的提高。

合成孔径雷达森林生物量估测研究进展

随着合成孔径雷达(SAR)遥感技术的发展,微波遥感独特的成像机理及其全天候全天时成像能力,使其在区域和全球森林生物量估测方面具有其它光学遥感数据不可替代的作用,这愈来愈受到科学家们的重视。首先就SAR对森林生物量的敏感性进行了论述,分别P、L和C 3 个波段及其不同极化方式总结了SAR 对森林生物量的敏感性和饱和点等反应特性;然后就SAR 对森林生物量的后向散射机理和影响森林后散射的其它因素进行了分析;最后总结了利用SAR 进行森林生物量估测的技术路线。

ALOS PALSAR影像地球椭球地理编码方法

ALOS PALSAR已经在轨运行1年多,由于其L-波段多极化观测能力,特别适合森林资源调查及生态环境相关遥感应用。然而,如何进行PALSAR数据的地理编码处理是实际应用中需要解决的一个关键问题。本文基于距离-多普勒(RD)模型发展了PALSAR Level-1.1影像产品的地球椭球地理编码校正(GEC)方法,重点论述了从PALSAR CEOS格式元数据记录中提取距离向方程、RD方程参数的具体方法。以一景已经经过几何精校正的Landsat ETM+影像为参考,获取了10个控制点,定量评价了本文所发展的GEC方法的有效性。评价结果表明:东西向均方根误差为32.529m,南北向均方根误差为32.527m,误差约是ETM+影像像元大小(28.5m)的1.14倍。本文针对PALSAR Level-1.1提出的GEC方法是进一步发展PALSAR其他数据产品的GEC和地形校正地理编码(GTC)方法的基础,对于PALSAR数据的定量化应用及其地理编码处理软件的开发具有重要的参考价值。

鲁中南山地刺槐萌生更新林经济效果评价

采用企业动态经济评价方法对刺槐萌生林不同轮伐期的经济效果进行了评价;按NPV最大、IRR最大确定了林分经济成熟龄;通过敏感性分析确定了经济成熟龄区间。研究结果表明;以20a以上的轮伐期经营刺槐萌生林在经济上是不合算的;贴现率不低于12％时,在(?)立地级经营刺槐萌生林是不合理投资;以培育干材和小径级矿柱材等工业用材为目的,对刺槐萌生林实施8～13a短轮伐期作业法,从经济效果最佳角度考虑是比较合理的。

刺槐萌生更新苗发生特性及年生长规律探讨

利用刺槐萌生更新定点观测材料，对比分析了不同伐桩处理措施对萌生苗发生特性的影响。利用ｌｏｇｉｓｔｉｃ方程拟合了两种处理的苗高年生长过程，划分出苗高年生长期。

高分辨率SAR遥感综合实验与应用示范年度报告

该报告介绍了2013年度该课题在机载极化干涉SAR系统构建、高分辨率SAR遥感综合实验、高分辨率SAR遥感应用示范软件开发等方面的研发进展。在机载极化干涉SAR系统构建方面,完成了X-波段干涉SAR传感器的研制,进行了SAR系统的实验室联调测试和机载校飞试验。先后在四川若尔盖实验区和大兴安岭根河实验区开展了高分辨率SAR遥感综合实验,共获取8 619.8km2,约28.5TB的机载X-波段双天线In SAR和P-波段极化SAR数据,完成了所获取SAR数据的预处理;获取了覆盖大兴安岭根河实验区的多时相Radarsat-2极化SAR和Landsat-8多光谱卫星遥感数据;组织来自项目8家课题承担/协作单位的50多人次,参加了遥感同步、准同步调查工作,获取了森林叶面积指数(LAI)、农田植被参数、土壤参数、气象参数以及土地覆盖类别等的地面实况数据。在高分辨率SAR软件开发方面,已初步完成地形测绘、土地利用分类、植被覆盖类型分类和森林植被垂直结构参数估测等软件模块原型的开发,正在按统一的语言和标准进行完善和集成,以尽快形成界面友好的高分辨率SAR应用示范软件,为2014年的应用示范工作开展提供软件支撑。