宋桂萍 包子宇

摘要：本文將Freeman-Durden分解理論引用到極化干涉SAR植被高度反演方法研究中，利用可以分解為表面散射機(jī)制矩陣、二面角散射機(jī)制矩陣和體散射機(jī)制矩陣的極化干涉SAR互協(xié)方差矩陣建模來(lái)反演植被參數(shù).文中利用相關(guān)軟件模擬的仿真數(shù)據(jù)驗(yàn)證了新方法的有效性.

關(guān)鍵詞：Freeman-Durden分解;極化干涉SAR;植被高度

中圖分類(lèi)號(hào)：P237 ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ?文章編號(hào)：1673-260X（2019）05-0069-02

1 引言

眾所周知，森林體系對(duì)于整個(gè)地球來(lái)說(shuō)是很重要的，也就是說(shuō)植被高度反演對(duì)于森林的管理和保護(hù)具有重要的意義.近幾年基于極化SAR干涉的方法具有比其他SAR更多的優(yōu)勢(shì)，即它具有全天時(shí)、全天候以及高分辨率的優(yōu)勢(shì).

極化干涉SAR植被高度反演算法中最經(jīng)典的算法是由Cloude等人于2003年提出的，利用幾何方法來(lái)反演植被參數(shù)的三階段反演法.該方法將反演步驟簡(jiǎn)化為最小二乘直線(xiàn)擬合、植被偏差去除和高度估計(jì)三個(gè)步驟，同時(shí)也在一定程度上提高了反演精度，但是這種反演方法存在一些缺陷.除了三階段法還有ESPRIT算法，它主要是用于天線(xiàn)陣列中估計(jì)信號(hào)的到達(dá)方向，在估算植被冠層有效散射中心的相位方面精度比較高的，但也存在一些缺陷[1].因此，更多的學(xué)者致力于研究出能夠不需要研究體相關(guān)系數(shù)估計(jì)的極化干涉SAR植被參數(shù)反演的方法.對(duì)于極化SAR圖像進(jìn)行Freeman-Durden分解是基于對(duì)極化干涉互協(xié)方差矩陣的分解，進(jìn)而能夠提供植被區(qū)域里三大散射機(jī)理的散射特征信息，因此該分解方法的一個(gè)主要優(yōu)勢(shì)就是對(duì)于每個(gè)散射機(jī)制的物理解譯.但是，這個(gè)理論也是有它的局限性，存在著兩個(gè)局限，首先是，分解所得到的表面散射分量可能部分有來(lái)自于地面上的植被體，因?yàn)橹脖坏捻敳磕軌虍a(chǎn)生類(lèi)似的極化散射特征.第二個(gè)是，對(duì)于地表面所假設(shè)的Bragg模型不能夠模擬所給的交互極化后向散射體，當(dāng)?shù)孛媸莻€(gè)平滑的表面的時(shí)候.事實(shí)上，這個(gè)Freeman-Durden分解理論總是把交互極化信號(hào)轉(zhuǎn)換成體散射貢獻(xiàn)，因此就會(huì)很容易混淆表面散射和體散射的貢獻(xiàn).為了克服這些局限，通常所采用的解決的方法是增加觀(guān)測(cè)量.從理論上說(shuō)極化干涉SAR不僅能識(shí)別出散射機(jī)制，而且能得到它們的位置或者是它們的垂直結(jié)構(gòu)的分布.而怎樣把這些信息有效的利用到極化干涉SAR植被參數(shù)反演是一個(gè)和值得我們?nèi)パ芯康囊粋€(gè)問(wèn)題.

在本文中，核心的思想就是把用于獲取不同散射機(jī)制的Freeman-Durden分解的潛力和確定不同散射體的垂直位置的干涉估計(jì)的能力相結(jié)合，并且克服上面所提到的目前已有的方法的局限性.因此在文中，就把Freeman-Durden分解算法擴(kuò)張到干涉觀(guān)測(cè)量中，這樣不僅能夠估測(cè)它們各自的能量貢獻(xiàn)，而且能夠計(jì)算出它們各自的垂直空間中的位置，同時(shí)也有可能分離和識(shí)別出植被中的物理分量.基于Freeman-Durden分解理論植被高度反演算法就是基于這種散射機(jī)制的有效相位信息反演植被區(qū)域的植被高度.同時(shí)該算法有利的回避了體散射系數(shù)估計(jì)，不受限于體散射系數(shù)估計(jì)的精度[2].

2 相關(guān)基礎(chǔ)理論介紹

在前面的小節(jié)中提到，本文中所用到的分解理論是基于對(duì)Freeman-Durden分解理論的應(yīng)用，但是所要處理的數(shù)據(jù)是不同于之前的極化數(shù)據(jù)而是極化干涉數(shù)據(jù)，這就要用到兩幅零基線(xiàn)極化數(shù)據(jù).主輔影像干涉生成極化干涉互協(xié)方差矩陣，不是單純的極化協(xié)方差矩陣，然后假設(shè)這個(gè)極化干涉互協(xié)方差矩陣是由表面散射機(jī)制、二面角散射機(jī)制和體散射機(jī)制分別的貢獻(xiàn)之和，并且認(rèn)為極化干涉互協(xié)防差矩陣分解既能得到三種散射機(jī)制分別對(duì)應(yīng)的有效相位中心信息，也能獲得相應(yīng)的能量貢獻(xiàn)信息.

極化干涉SAR由主、從兩部全極化雷達(dá)構(gòu)成，通過(guò)干涉就能得到相應(yīng)的極化干涉SAR互協(xié)方差矩陣Ct，根據(jù)文獻(xiàn)[4]，這個(gè)Ct由三個(gè)分矩陣構(gòu)成，即體散射矩陣Cv，表面散射矩陣Cs，二面角散射矩陣Cd.

接下來(lái)通過(guò)優(yōu)化方法來(lái)處理式（7），從而最終得到相應(yīng)的參數(shù)的估算值，即位于植被根部樹(shù)干和地面交互處的二面角散射機(jī)制相位中心，位于植被冠層的體散射機(jī)制相位中心，以及位于植被冠層頂部的表面散射機(jī)制相位中心.由此植被高度可以由表面散射機(jī)制相位中心與二面角散射機(jī)制相位中心之差得到.

3 實(shí)驗(yàn)及結(jié)果分析

文中采用模擬數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證算法的有效性.模擬數(shù)據(jù)是由歐空局（ESA）的軟件PolSARpro中PolSARpro Simulator模塊進(jìn)行模擬所生成.用戶(hù)可以根據(jù)具體需要設(shè)置傳感器參數(shù)（平臺(tái)高度、基線(xiàn)、入射角、波長(zhǎng)等）及地表參數(shù)（粗糙度、坡度、水分，植被類(lèi)型、密度等），其中模擬的樹(shù)木高度是10米.這組模擬數(shù)據(jù)中假設(shè)地面散射相位為零，地面的中心近似圓形是一片灌木林，其他區(qū)域是非植被區(qū)域.

實(shí)驗(yàn)結(jié)果得到三種不同散射機(jī)制有效相位中心的剖面圖，如圖3-1所示.從圖中可以看出有變化起伏的表面散射它的貢獻(xiàn)主要來(lái)自于植被上層，比較穩(wěn)定的體散射它的貢獻(xiàn)主要來(lái)自于植被冠層，二面角散射機(jī)制相位中心位于地面，在植被區(qū)域與非植被區(qū)域交界處.最終表面散射機(jī)制相位中心和二面角散射機(jī)制相位中心之間的相位差引起的高度變化得到的植被高度為6.345米.

4 結(jié)論

本文運(yùn)用Freeman-Durden分解理論進(jìn)行極化干涉植被高度反演，通過(guò)模擬的極化干涉SAR數(shù)據(jù)實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明本文提出的新算法反演的植被高度有一定的準(zhǔn)確性，精度相對(duì)比較高，從而驗(yàn)證了算法的有效性和可靠性.

參考文獻(xiàn)：

〔1〕談璐璐，楊立波，楊汝良.基于ESPRIT算法的極化干涉SAR植被高度反演研究[J].測(cè)繪學(xué)報(bào)，2011，40（3）：296-300.

〔2〕SIMARD M. 3D Global Vegetation Map[OL]. http：//lidarradar.jpl.nasa.gov/， 2011.