基于极化相干层析算法反演森林垂直结构剖面研究

森林的高度和垂直结构剖面都是重要的森林空间结构信息,极化干涉SAR的出现使定量获取森林结构参数成为可能。在分析比较三阶段法、DEM差分法和相干幅度法估计森林高度的基础上,采用相干幅度算法提取的树高,通过勒让德多项式展开以及单基线极化干涉数据提取森林的垂直结构剖面。利用仿真SAR数据进行实验分析,研究表明,通过极化相干层析技术,能够获取准确的森林垂直结构函数。

机载激光雷达森林垂直结构剖面参数的沿海平原人工林林分特征反演

中国是世界上人工林面积最大的国家,实时、定量、精确地获取人工林林分特征对于人工林资源监测、管理以及全球碳循环具有重要意义。以北亚热带沿海平原人工林为研究对象,借助机载激光雷达LiDAR(Light Detection And Ranging)点云数据并结合地面实测的55个样地来反演人工林林分特征。首先,构建冠层高度分布剖面CHD(Canopy Height Distribution)和枝叶剖面FP(Foliage Profile);然后,通过Weibull函数分别对CHD和FP进行拟合并提取Weibull参数作为特征变量(第1组);同时,还直接基于点云提取了LiDAR高度变量HRM(HeightRelated Metrics)和冠层密度变量DRM(Density-Related Metrics)(第2组);最后,结合地面实测数据和两组特征变量构建了多元回归模型用于预测各林分特征(即林分密度、平均胸径、胸高断面积、Lorey’s树高、蓄积量和地上生物量)。结果表明:(1)与只使用基于点云的特征变量(即第2组)相比,结合点云特征变量(第2组)和冠层垂直结构剖面特征变量(第1组)的各林分特征预测精度均有所提升(ΔAdjusted R2=0—0.13,ΔrRMSE=0.08—3.65%);(2)对各林分特征预测的结果中,Lorey’s树高(Adjusted R2=0.85, rRMSE=7.66%)和蓄积量(Adjusted R2=0.84,rRMSE=14.27%)的预测精度最高,地上生物量(Adjusted R2=0.78, rRMSE=14.15%)、胸高断面积(Adjusted R2=0.73, rRMSE=14.70%)和平均胸径(Adjusted R2=0.64, rRMSE=15.05%)次之,林分密度(Adjusted R2=0.58,rRMSE=26.16%)的预测精度最低;(3)Weibull函数较准确地反映了亚热带人工林垂直冠层结构,可以有效提高林分特征反演精度。

垂直微结构湍流剖面仪振动源及减振方法分析

垂直微结构湍流剖面仪(简称垂直剖面仪)是获取海水剪切流数据最有效的测量平台,对于海洋科学研究具有重要意义。简要介绍了垂直剖面仪的国内外发展现状,根据垂直剖面仪测量原理及海试结果,分析、总结了影响剖面仪测量精度的因素,重点讨论了剖面仪振动噪声的来源及降低其对剖面仪测量精度影响的方法。在综合分析剖面仪振动源的基础上,为减小剖面仪振动对测量精度的影响,提出了一种全新的传感器搭载方案,理论分析及计算流体力学仿真结果表明,提出的传感器搭载方案可有效降低剖面仪振动对测量精度的影响。

垂直微结构剖面仪速度控制方法研究

依据垂直微结构剖面仪工作原理,探讨了垂直微结构剖面仪测量过程中对于下降速度的要求,确定了其下降速度范围。分析了影响垂直微结构剖面仪下降速度的因素,提出了垂直剖面仪下降速度控制的方法:可通过调节垂直剖面仪下降过程中的水阻力来实现对下降速度的控制。对于下降过程中剖面仪所受的水阻力,采用基于动网格技术的流固耦合数值仿真方法,计算了带有弹性阻尼刷的垂直微结构剖面仪的阻力系数,并通过海试试验验证了计算结果的准确性。

海洋微结构湍流垂直剖面仪模态分析方法

给出了一种用于分析海洋微结构湍流垂直剖面仪流固耦合1阶湿模态的、简便的等效数值计算方法,提高了剖面仪的设计效率。在中国南海海域进行的海试实验表明,剖面仪样机能够实现海洋微结构湍流测量,获得正确的海域微结构湍流动能耗散率资料,证明了该等效数值计算方法用于指导剖面仪设计是可行的。

垂直微结构剖面仪主体结构优化

垂直微结构剖面仪是获取海洋微结构湍流数据最有效的测量平台,其下降过程中产生的流致振动是影响剖面仪测量精度的主要因素。分析了影响剖面仪流致振动的因素,基于ANSYS-Workbench数值仿真平台,采用双向流固耦合算法,得到了剖面仪流致振动与其结构外形及参数之间的关系。在此基础上,以减小流致振动为目标,采用单目标优化方法分别对剖面仪主体结构外形及结构参数进行了优化,优化后的剖面仪测量精度提高了57%。研究成果为垂直微结构剖面仪及类似结构的合理设计提供了理论指导。

极化相干层析反演森林垂直结构原理与方法研究

层析技术对于垂直结构信息提取具有独特的优势,已被广泛应用于森林垂直结构参数提取、混合环境分离等。极化相干层析(Polarization Coherence Tomography,PCT)是一种依靠先验知识基于干涉复相干通过傅立叶—勒让德展开式重建目标垂直结构的层析技术。单基线或双基线PCT技术依然可以获取森林垂直结构剖面,由于基线数量过少,很多学者对这一方法存在质疑。研究目的是分析单基线PCT技术提取森林垂直结构剖面的原理、方法与目前存在的问题。具体方法如下:①应用森林模拟数据提取不同森林场景平均后向散射能量垂直分布;②采用PCT技术获取模拟场景尺度森林垂直结构剖面(相对反射率垂直分布);③分析平均后向散射能量垂直分布与森林垂直结构剖面的异同;④总结森林垂直结构剖面含义及物理意义。结果表明:PCT技术重建的森林垂直结构剖面能够近似表征平均后向散射能量垂直分布轮廓;不同极化方式其森林垂直结构剖面与平均后向散射能量垂直分布也不同;平均后向散射能量垂直分布包含更多的细节信息。