适用于PolInSAR反演的森林三层散射模型的确定及分析方法技术

适用于PolInSAR反演的森林三层散射模型的确定及分析方法，属于遥感图像处理技术领域。本发明专利技术的目的是为解决现有的植被相干散射模型的散射过程相较于真实散射过程依旧存在误差，影响反演精度的问题。本发明专利技术包括如下步骤：步骤一：分析地表层的散射特性并确定其垂直结构函数形式；步骤二：分析树干层的散射特性并确定其垂直结构函数形式；步骤三：分析植被冠层的散射特性并确定其垂直结构函数形式；步骤四：结合植被垂直结构上地表层、树干层和植被冠层的垂直结构函数，推导植被一般三层散射模型，确定干涉相干系数的表达式，并分析高度参数对相干性的影响。本发明专利技术可应用于遥感图像处理领域，实现高精度的极化干涉SAR图像植被参数反演。

Determination and analysis method of forest three-layer scattering model for polinsar inversion

【技术实现步骤摘要】
适用于PolInSAR反演的森林三层散射模型的确定及分析方法
本专利技术属于遥感图像处理
，特别是涉及一种适用于PolInSAR反演的森林三层散射模型的确定及分析方法。
技术介绍
近年来，随着全球气候问题加重，人们对生态环境和自然资源越来越重视，而森林地区是生态资源的重要部分，传统森林资源调查的特点是调查范围广、人力需求大，从调查到结果发布周期大概几年时间，无法满足数据快速获取的需求。遥感技术不受时间、气候的影响，并且能在大范围内进行监测，已成为森林资源监测的一个重要数据来源。极化干涉合成孔径雷达(PolInSAR)是目前获取森林垂直结构信息的一种主要的技术，它是在传统的干涉合成孔径雷达(InSAR)的基础上，结合极化信息并通过特定的手段获取森林地区垂直结构信息。相干散射模型研究是极化干涉的一个重要分支，相干散射模型通过分析森林地区的散射特性，将雷达观测值与植被垂直结构参数之间的关系进行建模，结合相干最优技术，能够获得准确的植被垂直结构信息。相干散射模型的建立要求完整性，相干散射模型由Treuhaft等首先推导，随后由Papathanassiou等完善并提出了经典地表上随机体散射(RVoG)模型。RVoG模型的出现为参数反演提供了可能，自提出以来就得到了广泛的研究及应用。但是受时间去相干以及森林区域散射过程的复杂性等因素影响，相干散射模型描述的散射过程相较于真实散射过程依旧存在误差，影响反演精度。所以对相干散射模型的完善一直是迫切需要解决的一个难题。
技术实现思路
本专利技术的目的是为解决现有的植被相干散射模型的散射过程相较于真实散射过程依旧存在误差，影响反演精度的问题，本专利技术综合分析了森林地区的实际物理散射过程，提出了一种适用于PolInSAR反演的森林三层散射模型的确定及分析方法。实现上述目的，本专利技术采取下述技术方案：适用于PolInSAR反演的森林三层散射模型的确定及分析方法，包括以下步骤：步骤一：分析地表层的散射特性并确定其垂直结构函数形式；步骤二：分析树干层的散射特性并确定其垂直结构函数形式；步骤三：分析植被冠层的散射特性并确定其垂直结构函数形式；步骤四：结合植被垂直结构上地表层、树干层和植被冠层的垂直结构函数，推导植被一般三层散射模型，确定干涉相干系数的表达式，并分析高度参数对相干性的影响。与现有技术相比，本专利技术的有益效果是：1、本专利技术综合分析了植被垂直结构上的三层散射模型，建立了更加适用于自然山地区域的一般三层散射模型，对于自然散射过程的描述更加完备，基于该模型进行植被参数反演得到的结果精度更高。2、本专利技术可应用于遥感图像处理领域，实现高精度的极化干涉SAR图像植被参数反演。附图说明图1是地表层的垂直结构函数模型示意图；图中z0表示地形高度，表示地表层电磁散射幅度；图2是树干层的垂直结构函数模型示意图；图中h′d表示树干层的等效散射中心高度，表示树干层电磁散射幅度；图3是树干层的垂直结构函数模型示意图；图中f表示冠层的垂直结构函数；图4是一般三层散射模型示意图；图中G表示地表层的表面散射，z0表示地形高度，D表示树干层的偶次散射，hd表示树干层的高度，zc表示冠层底部高度，V表示冠层的体散射，hv表示植被高度，B表示基线长度，θ表示雷达入射角；图5是一般三层模型垂直结构函数示意图；图中和分别表示地表层、树干层和冠层的电磁散射幅度；图6是体相干幅度随高度的变化图；图7是一般三层模型的相干性分布图；图8是相干性幅度图；图9是仿真数据第56行像素应用一般三层散射模型的反演结果图；图10是一般三层模型高度反演结果图；图11是RVoG模型高度反演结果图。具体实施方式下面将结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是专利技术的一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本专利技术保护的范围。具体实施方式一：本实施方式披露了一种适用于PolInSAR反演的森林三层散射模型的确定及分析方法，包括以下步骤：步骤一：分析地表层的散射特性并确定其垂直结构函数形式；步骤二：分析树干层的散射特性并确定其垂直结构函数形式；步骤三：分析植被冠层的散射特性并确定其垂直结构函数形式；步骤四：结合植被垂直结构上地表层、树干层和植被冠层的垂直结构函数，推导植被一般三层散射模型，确定干涉相干系数的表达式，并分析高度参数对相干性的影响。具体实施方式二：本实施方式是对具体实施方式一作出的进一步说明，所述步骤一具体为(参见图1)：表面散射通常发生在不连续的介质中，在L波段下，电磁波往往能够穿透植被冠层到达地表，所以表面散射发生在地表，对于表面散射，其散射中心在一恒定高度上，且垂直结构函数反映在水平方向，因此其垂直结构函数建模成一冲激响应，表达式如下：其中，z0表示地形高度，fg(z)表示表面散射的电磁散射幅度在垂直方向上的分布函数，表示地表层电磁散射幅度，δ表示冲激响应函数，z表示垂直方向坐标。具体实施方式三：本实施方式是对具体实施方式一作出的进一步说明，所述步骤二具体为(参见图2)：设树干层的高度为hd(注意，这里的树干层的高度并不等同于冠层底部的高度)，偶次散射是由于电磁波在树干、树枝与地表之间的相互作用产生的，在L波段下，由于电磁波能够穿透所述冠层，所以偶次散射是存在的，将发生在树干树枝与地表之间的偶次散射等效为地表到冠层底部某一高度的表面散射，其等效散射中心hd′定义为其中，h′d表示树干层的等效散射中心高度，θ表示雷达入射角；相应的垂直结构函数建模成冲激响应，表达式如下：其中，表示树干层电磁散射幅度，fd(z)表示树干层散射的电磁散射幅度在垂直方向上的分布函数。具体实施方式四：本实施方式是对具体实施方式一作出的进一步说明，所述步骤三具体为(参见图3)：体散射主要发生在冠层，假设冠层是由朝向随机的散射粒子组成，rhhv表示冠层的厚度，其中rh表示冠层因子，根据经验，冠层因子通常表示其中表示平均树高，hv表示植被高度，rh表示冠层因子；在L波段下，冠层体积能被电磁波穿透，在穿透的过程中存在衰减，其衰减程度用平均波消光σ来表示，其垂直结构函数不同于表面散射，主要反应在体积层，在垂直方向上连续分布，建模成指数函数，表达式如下：其中，fv(z)表示体散射的电磁散射幅度在垂直方向上的分布函数，表示冠层的电磁散射幅度，σ表示电磁波的衰减，称之为平均消光系数。具体实施方式五：本实施方式是对具体实施方式一作出的进一步说明，所述步骤四具体为：综合考虑地表层、树干层和冠层的散射，建立一般三层散射模型(参见图4)，冠层假设是由朝本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种适用于PolInSAR反演的森林三层散射模型的确定及分析方法，包括以下步骤：/n步骤一：分析地表层的散射特性并确定其垂直结构函数形式；/n步骤二：分析树干层的散射特性并确定其垂直结构函数形式；/n步骤三：分析植被冠层的散射特性并确定其垂直结构函数形式；/n步骤四：结合植被垂直结构上地表层、树干层和植被冠层的垂直结构函数，推导植被一般三层散射模型，确定干涉相干系数的表达式，并分析高度参数对相干性的影响。/n

【技术特征摘要】
1.一种适用于PolInSAR反演的森林三层散射模型的确定及分析方法，包括以下步骤：
步骤一：分析地表层的散射特性并确定其垂直结构函数形式；
步骤二：分析树干层的散射特性并确定其垂直结构函数形式；
步骤三：分析植被冠层的散射特性并确定其垂直结构函数形式；
步骤四：结合植被垂直结构上地表层、树干层和植被冠层的垂直结构函数，推导植被一般三层散射模型，确定干涉相干系数的表达式，并分析高度参数对相干性的影响。


2.根据权利要求1所述的适用于PolInSAR反演的森林三层散射模型的确定及分析方法，其特征在于：所述步骤一具体为：
表面散射通常发生在不连续的介质中，在L波段下，电磁波往往能够穿透植被冠层到达地表，所以表面散射发生在地表，对于表面散射，其散射中心在一恒定高度上，且垂直结构函数反映在水平方向，因此其垂直结构函数建模成一冲激响应，表达式如下：



其中，z0表示地形高度，fg(z)表示表面散射的电磁散射幅度在垂直方向上的分布函数，表示地表层电磁散射幅度，δ表示冲激响应函数，z表示垂直方向坐标。


3.根据权利要求1所述的适用于PolInSAR反演的森林三层散射模型的确定及分析方法，其特征在于：所述步骤二具体为：
设树干层的高度为hd，偶次散射是由于电磁波在树干、树枝与地表之间的相互作用产生的，在L波段下，由于电磁波能够穿透所述冠层，所以偶次散射是存在的，将发生在树干树枝与地表之间的偶次散射等效为地表到冠层底部某一高度的表面散射，其等效散射中心h′d定义为



其中，h′d表示树干层的等效散射中心高度，θ表示雷达入射角；
相应的垂直结构函数建模成冲激响应，表达式如下：



其中，表示树干层电磁散射幅度，fd(z)表示树干层散射的电磁散射幅度在垂直方向上的分布函数。


4.根据权利要求1所述的适用于PolInSAR反演的森林三层散射模型的确定及分析方法，其特征在于：所述步骤三具体为：
体散射主要发生在冠层，假设冠层是由朝向随机的散射粒子组成，rhhv表示冠层的厚度，其中rh表示冠层因子，根据经验，冠层因子通常表示其中表示平均树高，hv表示植被高度，rh表示冠层因子；
在L波段下，冠层体积能被电磁波穿透，在穿透的过程中存在衰减，其衰减程度用平均波消光σ来表示，其垂直结构函数不同于表面散射，主要反应在体积层，在垂直方向上连续分布，建模成指数函数，表达式如下：



其中，fv(z)表示体散射的电磁散射幅度在垂直方向上的分布函数，表示冠层的电磁散射幅度，σ表示电磁波的衰减，称之为平均消光系数。


5.根据权利要求1所述的适用于PolInSAR反演的森林三层散射模型的确定及分析方法，其特征在于：所述步骤四具体为：
综合考虑地表层、树干层和冠层的散射，建立一般三层散射模型，冠层假设是由朝向随机的散射粒子组成的；
综合考虑地表层、树干层和冠层的三层散射模型的垂直结构函数：
所述垂直结构函数的表达式如公式(5)所示，



其中，f(z)表示一般散射模型中的所有电磁散射强度在垂直方向上的分布函数，即垂直结构函数；
极化干涉相干系数的表达式如下：



其中，表示极化干涉相干系数，j表示虚数单位，kz表示有效垂直波数，有kz＝4πB/λR，其中...

【专利技术属性】
技术研发人员：张腊梅，庄迪，邹斌，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学，
类型：发明
国别省市：黑龙;23