基于虚拟场景的森林散射相位中心高度模拟研究

研究使用计算机分形建模方法(L系统)建立一系列具有不同林分高度和密度的阔叶森林(白桦林)场景。然后使用基于扭曲玻恩近似原理发展起来的雷达相干散射模型模拟上述森林场景的后向散射场信息,并提取相应的森林植被散射相位中心高度。进而分析不同雷达系统参数(极化方式,雷达波长,入射角)及森林结构参数(林分高度,林分密度)对散射相位中心高度的影响,为进一步利用相干散射模型进行森林参数定量反演奠定基础。     

虚拟白桦纯林的雷达后向散射模拟

首先联合利用森林生长模型和分形树模型系统建立白桦纯林的空间虚拟场景并记录场景中每个散射体的方位和坐标信息,然后将此信息输入到森林植被雷达相干散射模型中进行后向散射模拟,最后分析不同的白桦结构分布对雷达后向散射的影响,以便对白桦纯林的雷达图像进行定量分析。     

干涉、极化干涉SAR技术森林高度估测算法研究进展

在干涉、极化干涉SAR森林高度估测中,估测算法对结果精度起着决定性作用。通过对现有森林高度干涉、极化干涉SAR研究的系统性分析,总结了现有研究中森林高度估测算法的基本原理、模型假设及其应用局限性,并对这些算法在区域和全球尺度森林高度反演中的潜力进行了分析。总结发现,基于干涉SAR技术的DSM-DEM差分法在森林高度反演中精度较高,与极化干涉SAR算法相比,受到森林类型、结构的影响较小,在区域和全球尺度森林高度反演中具有很大潜力。但是其局限性在于是否能够获取大范围高精度的DEM;极化干涉SAR技术利用了森林的极化散射特点,不受DEM的限制,可以大范围地进行森林高度反演,但是在森林异质性大的区域,仍然需要进一步分析森林特征对不同波长相位及相干幅度的影响,根据森林的微波散射原理拓展微波散射模型,才能进一步提高估测结果和精度。此外,由于单基线干涉SAR、极化干涉SAR对森林垂直结构可见性差,因此,发展多维度、多基线SAR及其相应算法并朝这个方向拓展是未来采用干涉SAR、极化干涉SAR进行森林高度反演的主要方向。     

面向双站SAR系统的长波PolInSAR目标自适应分解北大核心CSCD

双站SAR系统无时间去相干的特性,结合长波的强穿透能力,在估计植被结构参数上应用前景极大,借助极化干涉SAR分解技术研究双站SAR系统下的植被区散射过程,对揭示信号与地物的交互过程,构建植被结构参数反演模型具有重要意义。考虑模型适用性和双站SAR系统存在的不可忽略的去相干,将极化干涉矩阵表达为极化方位角扩展的广义表面散射矩阵、广义二次散射矩阵和Neumann自适应体散射矩阵与其对应相干成分乘积的和的形式,基于残差最小二乘准则,使用非线性最小二乘优化技术同时求解所有模型参数。使用BioSAR 2008项目的 L波段全极化机载数据对方法进行测试,获取了实验区不同散射机制的相干成分、相位分布和能量信息,结合机载激光雷达数据进行了分析。结果表明:分解方法对植被区不同散射机制区分良好,有效抑制了体散射功率高估;植被区表面散射在垂直向上的分布与植被高度和穿透程度存在联系,体散射相位中心高度与机载激光雷达植被高接近且趋势一致;有效估计了散射机制的相干性。     

多极化层析SAR植被高度反演基线融合方法

植被高度反演属于森林定量遥感,在森林测绘、资源评估和生态监测等领域发挥着重要作用.本文基于多极化层析SAR数据进行基线融合植被高度反演,将森林散射相干模型推广到高维空间,通过复数域到幅度–相位域的转化降低模型非线性度,并提出了基于相干分布方差的广义幅相距离,进而发展了多基线联合参数反演方法.本文通过实测P波段极化层析SAR数据对所提方法进行了验证,同时将其与单基线反演法、基线选择法和欧式距离融合法进行了对比分析.实验结果表明,本文所提方法的反演结果与激光雷达获取的高度图相比,相关性更强,均方根误差更低,显著提高了植被高度反演的精度和稳定性.     

合成孔径雷达森林树高和地上生物量估测研究进展

微波遥感具有一定的穿透性,能够与森林内部的散射体发生相互作用,从而获得指示森林垂直方向的参数,被认为在森林垂直结构参数估测方面具有很大的潜力。PolSAR、InSAR、PolInSAR、多基线InSAR以及多基线PolInSAR技术的发展进一步拓展了微波遥感在林业中的应用,为森林垂直结构参数估测提供了可行的解决方案。首先总结了森林垂直结构剖面的层析提取方法;然后重点阐述了林下地形、森林树高以及森林地上生物量的微波遥感估测方法;最后就森林垂直结构参数估测研究中存在的问题及其发展趋势进行了分析。
     

基于地面激光雷达点云数据的森林树高、胸径自动提取与三维重建

针对亚热带环境条件下森林树高、胸径自动化提取精度较低、单木形态模拟较为困难的问题,提出基于地面激光雷达点云数据提取森林树高、胸径及重建森林场景三维模型的方法。首先采用变尺度地面点识别法获取地面点并构建DEM。然后根据树木主干点云主方向相似度及轴向分布密度分割主干与其他植物器官点云。接着以主干点云为基础,采用迭代最小二乘拟合圆柱的方法自动提取树木位置、胸径;构建点云的八叉树结构,利用体素的空间邻接性实现点云分割,自动提取树高。最后,结合单株植物建模技术,以树根节点为纽带构建样地尺度上的森林场景三维模型。实验结果显示,胸径估测R~2为0.996,平均相对误差为2.09%,RMSE为0.66 cm;树高估测R~2为0.972,平均相对误差为2.16%,RMSE为0.92 m;所重建的森林场景三维模型可表达森林样地的真实形态。     

极化散射与SAR 遥感信息获取

合成孔径雷达(SAR ) 对地观测与成像技术是近20 年来空间微波遥感技术最重要的进展。JPL 的SIR-C SAR 与加拿大Radarsat SAR-2 等星载或机载SAR 的全极化散射测量提出了自然地表全极化散射信息获取与处理的关键性科学问题。充分理解自然地表极化散射特性, 进而发展自然地表特征信息的分类、识别和反演算法是SAR 遥感应用的关键问题。近年来, 对于极化SAR 遥感已有广泛的研究。自然地表全极化散射的数值建模与M ueller 矩阵模拟解、相干矩阵及其特征值分析、信息熵等都有了研究与应用。但是, 如何将SAR 图像相干矩阵特征值和信息熵的全极化散射测量与自然地表特征参数直接关联, 并由此发展地表的分类、识别与参数反演等信息获取与处理还有待于大量的研究。本文将论述我们在SAR 全极化散射理论与应用的若干研究进展。第一个问题是如何将SAR 图像相干矩阵特征值和信息熵与同极化、交叉极化后向散射系数的测量直接关联, 与M ueller 矩阵解一起研究地表的分类与识别。第二个问题是如何有全极化散射测量反演地面数字程(DEM )。第三个问题是如何利用多时相SAR 遥感识别、获取与评估地面特征时间上的变化。     

改进Notch滤波的全极化SAR数据船舶检测方法

全极化SAR数据提供了更多的地物极化散射信息,目前被广泛的应用于海上船舶检测的应用研究。本文提出改进的Notch滤波方法,实现全极化SAR数据的海上船舶检测。该方法结合目标的极化散射特性与能量双重特点,设计针对海面、方位向模糊、相干斑噪的不同滤波,消除虚警,通过SPAN能量因子降低由于散射机制相同而造成的漏检。利用RADATSAT-2全极化精细扫描数据对本文的算法进行验证,并与PWF和SPAN方法进行对比分析,实验结果表明本文提出的方法能从海面上有效检测出各种大小的船舶,同时能抑制方位向模糊、相干斑噪以及船舶的旁瓣造成的虚警。     

基于香农熵的极化SAR相干矩阵信息量评价

极化SAR(Synthetic Aperture Radar)非相干分解是获取地物目标特性的重要手段。针对目前非相干分解所使用的极化相干矩阵包含的信息量尚未定量估计的问题,引入信息论中的香农熵(Shannon Entropy),系统分析了不同地物包括海洋、植被和建筑物在不同时段和波段下极化相干矩阵信息量随窗口大小的变化规律。研究发现,不同地物类型的极化相干矩阵包含的信息量差异较大。其中建筑物平均相干矩阵的信息量较低,且随窗口增加信息量呈现近线性增加,而海洋、植被的极化相干矩阵信息量偏高,且随窗口增加信息量先快速增加后趋于稳定。同种地物在不同波段及时段下,平均相干矩阵的信息量随窗口大小的变化规律相近。研究表明:基于香农熵的相干矩阵信息量评价方法,可以简单有效地定量评估相干矩阵包含的信息量,同时也可为计算极化相干矩阵滑动窗口的选择提供重要理论依据和指标参考,有助于后续进行极化目标分解和对目标散射机制的理解。     

林分平均高度卫星遥感新进展

林分平均高度是生态系统模型重要的输入参数之一,与生物量估算与碳循环研究高度相关。通过系统回顾林分平均高度研究的发展历史和最新进展,总结了不同传感器林分平均高度(SAR树高与LiDAR冠层高度)研究的主要模型和方法,通过单一传感器技术进行林分平均高度研究的内在特征的不同,分析了多传感器的区域林分平均高度联合反演方法的优劣性,并从科学发展趋势和社会需求出发,认识目前存在的主要问题与难点及未来面临的挑战和机遇,为今后更好地进行森林垂直结构和全球碳循环研究提供思路和借鉴。     

Forest canopy recovery from the 1938 hurricane and subsequent salvage damage measured with airborne LiDAR

The structure of a forest canopy often reflects its disturbance history. Such signatures of past disturbances or legacies can influence how the ecosystem functions across broad spatio-temporal scales. The 1938 hurricane and ensuing salvage operations which swept through New England represent the most recent large, infrequent disturbance (LID) in this region. Though devastating (downing ∼ 70% of the timber at Harvard Forest), the disturbance was not indiscriminate; it left behind a heterogeneous landscape comprised of different levels of canopy damage. We analyzed large-footprint LiDAR, from the Prospect Hill tract at Harvard Forest in central Massachusetts, to assess whether damage to the forest structure from the hurricane and subsequent timber extraction could be discerned after ∼ 65 years. Differences in LiDAR-derived measures of canopy height and vertical diversity were a function of the degree of damage from the 1938 hurricane and the predominant tree species which is, in part, a function of land use history. Higher levels of damage corresponded to slightly shorter canopies with a less even vertical distribution of return from the ground to the top. In addition, differences in canopy topography as revealed by spatial autocorrelation of canopy top heights were found among the damage classes. Less disturbed stands were characterized by lower levels of local autocorrelation for canopy height and higher levels of vertical diversity of LiDAR returns. These differences in canopy structure reveal that the forest tract has not completely recovered from the 1938 LID and salvage regime, which may have implications on arboreal and understory habitat and other ecosystem functions.     

不同遥感指数提取林火迹地研究

森林火灾是一种重要的森林扰动,是导致森林碳储量减少的重要途径之一,及时、准确地获取林火迹地对于研究全球碳循环及气候变化具有重要意义。以江西省武宁县为研究区,选用1991年和1992年两期Landsat TM遥感影像,采用区分指数(M),分析了Landsat TM 7个波段、植被指数、火烧迹地指数及其改进指数对林火迹地的提取能力,并评价其分类精度。结果表明:TM4 、TM7和TM6波段区分度较高,能较好地反映林火迹地的特征;18个不同的遥感指数中,NBR、NSTV1、NSTV2和NSEV1区分度大于1.5,林火迹地提取精度达到85%以上,具有较高的林火迹地提取能力,EVI、BAI、MIRBI、SAVIT和NSEV2指数提取能力相对较弱;而以引入TM6波段的改进指数NSTV2提取能力最高,适当的方式引入热红外波段可改进遥感指数对林火迹地的提取能力。     

基于MODIS时间序列森林扰动监测指数比较研究

森林扰动是影响陆地生态系统的重要因素之一,遥感可定期地获得大面积森林覆盖数据,成为定期和连续森林扰动监测的重要手段,基于时间序列数据的森林监测成为主要方式。研究利用2001~2013年MODIS时间序列遥感影像,以福建省为例,利用NDVI、NBRI、NDMI、IFZ和DI 5种森林扰动监测指数,结合植被变化追踪算法提取森林扰动区域,并从光谱响应特征和对不同扰动类型的响应能力等方面,分析了对我国南方森林扰动的监测能力。结果表明:DI对森林砍伐、森林病虫害和植树造林3种扰动类型的响应能力较强,NBR对森林火灾最为敏感,NDVI对4种扰动类型的响应能力相对较弱;5种指数中DI对森林扰动的响应能力较强,森林扰动提取精度最高,IFZ次之,NDMI和NBR监测精度相当,且优于NDVI。     

基于无人机的喀斯特退化天坑地下森林树高特征研究

基于无人机提取喀斯特退化天坑地下森林的树高特征,探索乔木树高的生长策略与天坑局部圈闭化生境的关系,研究退化天坑作为物种避难所的价值。通过无人机遥感技术对退化天坑进行三维重建,提取退化天坑内外的树高信息。结果表明：退化天坑地下森林平均树高较地表高出约5 m。地下森林平均树高为10.47 m,地表平均树高为5.43 m,地表南坡平均树高为5.75 m,坑内树高的分布特征受海拔影响显著。在喀斯特天坑微生境的作用下,与坑外地表相比,坑内地下森林在树高方面具有显著的优势,光照是地下森林乔木类植物种内和种间竞争的主要因子,垂直梯度是退化天坑植被树高分布格局的首要特征。无人机遥感技术能够快速地获取退化天坑地下森林的树高信息,具有推广潜力。     

林产品贸易信息推送梯级过滤技术

目前信息推送服务广泛应用于各类电子商务网站,然而传统信息过滤技术在林产品贸易信息过滤的过程中,存在着不足。在总结林产品贸易信息过滤的特点的基础上,提出梯级过滤技术。该技术根据林产品贸易用户兴趣的不同、用户需求程度的不同、林产品贸易信息特征项权重的不同,在提出林产品贸易信息特征向量空间模型和分析用户兴趣特征向量结构的基础上,采用先进行用户显性需求的严格过滤,再进行用户显性需求的模糊过滤,再进行用户隐性需求的过滤的梯级过滤方法,从而达到准确满足用户需求的目的。实验结果证明该方法能够有效地过滤出用户满意的信息。     

Predicting temperate conifer forest successional stage distributions with multitemporal Landsat Thematic Mapper imagery

Forest succession is a fundamental ecological process which can impact the functioning of many terrestrial processes, such as water and nutrient cycling and carbon sequestration. Therefore, knowing the distribution of forest successional stages over a landscape facilitates a greater understanding of terrestrial ecosystems. One way of characterizing forest succession over the landscape is to use satellite imagery to map forest successional stages continuously over a region. In this study we use a forest succession model (ZELIG) and a canopy reflectance model (GORT) to produce spectral trajectories of forest succession from young to old-growth stages, and compared the simulated trajectories with those constructed from Landsat Thematic Mapper (TM) imagery to understand the potential of mapping forest successional stages with remote sensing. The simulated successional trajectories captured the major characteristics of observed regional mean succession trajectory with Landsat TM imagery for Tasseled Cap indices based on age information from the Pacific Northwest Forest Inventory and Analysis Integrated Database produced by Pacific Northwest Research Station, USDA Forest Service. Though the successional trajectories are highly nonlinear in the early years of succession, a linear model fits well the regional mean successional trajectories for brightness and greenness due to significant cross-site variations that masked the nonlinearity over a regional scale (R² = 0.8951 for regional mean brightness with age; R² = 0.9348 for regional mean greenness with age). Regression analysis found that Tasseled Cap brightness and greenness are much better predictors of forest successional stages than wetness index based on the data analyzed in this study. The spectral history based on multitemporal Landsat imagery can be used to effectively identify mature and old-growth stands whose ages do not match with remote sensing signals due to change occurred during the time between ground data collection and image acquisition. Multitemporal Landsat imagery also improves prediction of forest successional stages. However, a linear model on a stand basis has a limited predictive power of forest stand successional stages (adjusted R² = 0.5435 using the Tasseled Cap indices from all four images used in this study) due to significant variations in remote sensing signals for stands at the same successional stage. Therefore, accurate prediction of forest successional stage using remote sensing imagery at stand scale requires accounting for site-specific factors influence remotely sensed signals in the future.     

Vertical backscatter profile of forests predicted by a macroecological plant model

This study describes a new application of a macroecological model to describe the vertical profile of radar backscatter through forest canopy. Given layers of equally sized cylindrical scatterers, the model predicts that one layer within the forest canopy dominates the backscatter profile. This prediction is based on first-order theoretical approximations, in addition to results from a radiative transfer model parameterized by the macroecological model. This model is used to pre-empt specific backscatter trends with results predicting that Rayleigh and Optical backscatter follow negative and positive exponential trends respectively when plotted with respect to backscattering coefficient and branching level through the canopy. A maximum value is predicted by the model associated with the branching level located at the transitional zone between Rayleigh and Optical scattering. This finding follows directly from the size density distribution within a forest combined with dramatic reductions in cross-sectional trends exhibited through the transition. It is a result unrelated to resonant scattering or the effects of penetration depth. The feasibility of describing radar interactions using geometric optics is explored when limits are imposed on the physical optics scattering solution.

The findings offer a significantly new way of understanding the distribution of scattering from differently sized elements in a canopy, and challenge the widely held assumption that backscatter–biomass relationships saturate due to increased opacity of the canopy.