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A Multi-Baseline polinsar Forest Height Inversion Method Taking into Account the Model Ill-posed Problem

Journal of Geodesy and Geoinformation Science 2024年第3期7卷 42-56页

作者： LIN Dongfang ZHU Jianjun LI Zhiwei FU Haiqiang LIANG Ji ZHOU Fangbin ZHANG Bing Hunan Provincial Key Laboratory of Geo-Information Engineering in Surveying Mapping and Remote SensingHunan University of Science and TechnologyXiangtan 411201China School of Geosciences and Info-Physics Central South UniversityChangsha 410083China Hunan International Scientific and Technological Innovation Cooperation Base of Advanced Construction and Maintenance Technology of Highway Changsha University of Science&TechnologyChangsha 410114China School of Geomatics Liaoning Technical UniversityFuxin 123000China

Affected by the insufficient information of single baseline observation data,the three-stage method assumes the Ground-to-Volume Ratio(GVR)to be zero so as to invert the vegetation ***,this assumption introduces much biases into the parameter estimates which greatly limits the accuracy of the vegetation height ***-baseline observation can provide redundant information and is helpful for the inversion of ***,the similar model parameter values in a multi-baseline model often lead to ill-posed problems and reduce the inversion accuracy of conventional *** this end,we propose a new step-by-step inversion method applied to the multi-baseline ***,an adjustment inversion model is constructed by using multi-baseline volume scattering dominant polarization data,and the regularized estimates of model parameters are obtained by regularization ***,the reliable estimates of GVR are determined by the MSE(mean square error)analysis of each regularized parameter ***,the estimated GVR is used to extracts the pure volume coherence,and then the vegetation height parameter is inverted from the pure volume coherence by least squares *** experimental results show that the new method can improve the vegetation height inversion result *** inversion accuracy is improved by 26%with respect to the three-stage method and the conventional solution of *** of these have demonstrated the feasibility and effectiveness of the new method.

关键词： multi-baseline vegetation height GVR polinsar ill-posed problem

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polinsar森林高度反演中方法及波段选择引起的不确定性分析

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遥感学报 2022年第10期26卷 1963-1975页

作者：张庭苇姬永杰张王菲西南林业大学林学院昆明650224 长沙市规划信息服务中心长沙410004 西南林业大学地理与生态旅游学院昆明650224

森林高度是反映森林资源数量和质量的重要参数,极化干涉合成孔径雷达polinsar(Polarimetric Synthetic Aperture Radar Interferometry)技术在森林高度反演中极具潜力。由于森林散射特征受波长影响明显,由此引起的散射机理差异使得基于P... 详细信息

森林高度是反映森林资源数量和质量的重要参数,极化干涉合成孔径雷达polinsar(Polarimetric Synthetic Aperture Radar Interferometry)技术在森林高度反演中极具潜力。由于森林散射特征受波长影响明显,由此引起的散射机理差异使得基于polinsar技术反演的森林高度结果具有很大的不确定性。为了定量化该不确定性的影响,本文以模拟森林场景为例,对polinsar技术森林高度反演中常用的4种方法——极化相位中心高度估测法、复相干相位中心差分法、复相干幅度反演法以及相干幅度、相位联合反演法,以及它们在常用的4个微波波段P、L、C和X中的森林高度估测结果进行了分析;明确了匀质森林场景中,算法、波段选择引起的森林高度估测结果的不确定性。研究结果表明:在森林场景基本一致的情况下,估测算法的选择直接影响森林高度估测结果,其中复相干幅度反演法在4个波段的估测结果中精度均最高,但各估测点的估测结果离散度及不确定度较大。波长对4类估测方法估测结果的影响差异明显:复相干幅度反演法的反演结果几乎不受波长的影响,而相干幅度、相位联合反演法受波长影响明显,在P和L波段反演结果中精度较高,在C和X波段反演结果中精度降低明显。此外,以传统的交叉极化(HV)相位代表冠层散射相位中心,水平同极化与垂直同极化的相位差(HH-VV)代表地表散射相位中心,采用复相干相位中心差分法进行森林高度估测会出现严重低估现象。估测结果不确定度具有波长和算法选择依赖性,在C和X波段采用复相干相位中心差分法估测结果不确定度最低,在P和L波段采用极化相位中心高度估测法估测结果不确定度最低,而复相干幅度反演法估测结果则在多个波段中的不确定度均最高。

关键词： polinsar 森林高度不确定性反演模拟森林场景

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顾及地表散射贡献与多基线参数线性相关性的polinsar植被高反演方法

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测绘学报 2023年第1期52卷 51-60页

作者：林东方朱建军李志伟付海强梁继周访滨张兵湖南科技大学测绘遥感信息工程湖南省重点实验室湖南湘潭411201 武汉大学测绘学院湖北武汉430079 中南大学地球科学与信息物理学院湖南长沙410083 长沙理工大学湖南省公路先进建养技术国际科技创新合作基地湖南长沙410114 辽宁工程技术大学测绘与地理科学学院辽宁阜新123000

单基线polinsar受观测信息不足影响常假设体散射占优极化方式地体幅度比为零,以实现植被高参数的反演,该假设导致植被高参数反演存在较大偏差。利用多基线观测数据,可补充观测信息实现地体幅度比参数的反演。然而,多基线反演模型引入过... 详细信息

单基线polinsar受观测信息不足影响常假设体散射占优极化方式地体幅度比为零,以实现植被高参数的反演,该假设导致植被高参数反演存在较大偏差。利用多基线观测数据,可补充观测信息实现地体幅度比参数的反演。然而,多基线反演模型引入过多模型参数,造成部分参数存在近似线性相关性,引起反演模型病态,常规算法难以得到准确的模型参数估值。鉴于此,本文提出了植被高反演多基线分步解算方法。首先,基于多基线体散射占优极化数据构建多基线反演函数模型,利用正则化方法处理模型病态问题,获得模型参数正则化估值,并通过均方误差分析方法筛选模型参数估值,确定出可靠的地体幅度比参数估值;然后,利用地体幅度比参数估值重估多基线纯体相干性,并基于最小二范估计准则融合多基线纯体相干性反演植被高参数。试验结果表明,本文方法可有效提高植被高反演精度,相较于三阶段算法与多基线常规解法,反演精度提高了26%,具备较好的可行性和有效性。

关键词：多基线植被高地体幅度比 polinsar 病态问题

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基于GVB模型改进算法的polinsar林分高度反演

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中南林业科技大学学报 2018年第1期38卷 49-54页

作者：杜凯林辉龙江平严恩萍李佳林业遥感大数据与生态安全湖南省重点实验室湖南长沙410004 中南林业科技大学林学院湖南长沙410004

P波段极化数据提高了雷达数据对林分冠层的穿透能力,基于RVoG模型的传统三阶段算法对林分均匀同质的假设前提不再满足实际情况。在符合林分异质性的GVB模型的基础上,利用林分高度、散射中心高度及其标准差进行三维搜索,改进传统三阶段... 详细信息

P波段极化数据提高了雷达数据对林分冠层的穿透能力,基于RVoG模型的传统三阶段算法对林分均匀同质的假设前提不再满足实际情况。在符合林分异质性的GVB模型的基础上,利用林分高度、散射中心高度及其标准差进行三维搜索,改进传统三阶段算法中林分高度的反演过程,并分别采用仿真数据和机载E-SAR全极化数据进行算法验证。结果表明:与传统三阶段算法相比,改进算法的成功估计像元数提高了19.7%,林分高度估计精度提高了22.5%,说明改进算法能有效提高纯体相干估计的准确性,提高林分高度反演精度。

关键词：遥感散射模型 polinsar 改进三阶段算法林分高度

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基于三层S-RVoG模型的polinsar图像森林高度反演研究

基于三层S-RVoG模型的PolInSAR图像森林高度反演研究

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作者：段宝龙哈尔滨工业大学

学位级别：硕士

森林冠层的垂直结构一直被视为衡量森林变化的重要参数,对它的测量有助于进行生态系统监测和管理。如今,遥感领域的手段让我们可以获取近乎每一片森林的信息,其中SAR系统在森林生态监测方面得到了广泛的关注。Pol In SAR森林区域参数反... 详细信息

森林冠层的垂直结构一直被视为衡量森林变化的重要参数,对它的测量有助于进行生态系统监测和管理。如今,遥感领域的手段让我们可以获取近乎每一片森林的信息,其中SAR系统在森林生态监测方面得到了广泛的关注。Pol In SAR森林区域参数反演研究是SAR领域的一个重要分支,借助于后向散射模型可以获取其他遥感手段难以获得的森林参数,特别是森林植被高度。目前后向散射模型以RVoG模型为主,然而,由于森林区域散射过程过于复杂,对于地形不平坦的山地区域,按照RVoG模型进行反演会出现偏差,对散射模型进行完善以提高反演精度是当前研究的一个主要方向。本文以三层S-RVoG散射模型下的Pol In SAR图像森林高度反演为主要研究内容,首先对Pol In SAR技术进行阐述,包括干涉相干性和相干最优理论。随后通过深入讨论RVoG散射模型,探讨模型的各参数及研究它们对相干系数的作用,结合S-RVoG模型和一般三层散射模型,建立了包含树冠-树干-倾斜地表的三层S-RVoG模型,并分别给出简单形式和完备形式的模型描述。三层S-RVoG模型考虑了地形坡度的影响,同时根据树干层散射特性将两层模型扩展到三层,更加贴合真实散射过程,对于山地区域的森林高度反演具有很大的帮助。针对现有的森林参数反演方法不够精确的问题,在分析了三阶段算法和相干幅度法的优劣后进行改进,提出了适用于RVoG模型的联合了相位分离优化的三阶段算法和目标分解法的高精度混合反演方法。并针对简单形式的三层S-RVoG模型,修改了三阶段反演算法的查表过程,使之能够适应新模型;针对完备形式的三层S-RVoG模型,引入散射机制消除法,实现森林参数的反演。最后分别选择真实数据和不同坡度下的仿真数据进行森林参数反演实验,并从参数反演精度、均方根误差等方面对结果进行评价。实验结果表明,对于带有不同坡度的数据,相比于传统基于RVoG模型,基于三层S-RVoG模型的参数反演均能很好的拟合结果,具有更高的反演精度,同时均方根误差也有一定的下降,本文建立的三层S-RVoG模型有助于提高Pol In SAR图像森林参数反演在山地区域的应用。由于模型包含了更多的参数,其参数反演过程较为复杂,通常需要更多地处理时间才能得到结果。

关键词： polinsar 散射模型三层S-RVoG模型森林高度反演

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多基线polinsar植被高度与植被下地形估计

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测绘学报 2014年第3期43卷 330-330页

作者：史磊武汉大学测绘遥感信息工程国家重点实验室湖北武汉430079 武汉大学资源与环境科学学院湖北武汉430079

作为地球生态系统的重要组成部分,植被对全球物产估计、碳循环评估等方面具有极其重要的意义。然而常规的植物学研究方法很难在全球尺度下获取植被结构信息。作为主动传感器的代表,合成孔径雷达(SAR)能够提供全球实时观测的能力。

关键词：植被层 polinsar 植被结构植被高度主动传感器合成孔径雷达实时观测全球尺度碳循环植物学研究

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多尺度相关性分析的机载双极化InSAR轨道误差校正方法

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地球信息科学学报 2021年第4期23卷 670-679页

作者：何永红靳鹏伟蒋陈纯湖南科技学院土木与环境工程学院永州425199

在高分辨率机载干涉SAR成像处理过程中,由于载机飞行过程中偏离理想轨迹,需要高精度的惯导系统和GPS系统记录载机的运动轨迹并进行运动补偿。然而,由于目前传感器导航精度的限制,在完成运动补偿处理后仍然存在轨道误差,从而影响干涉相... 详细信息

在高分辨率机载干涉SAR成像处理过程中,由于载机飞行过程中偏离理想轨迹,需要高精度的惯导系统和GPS系统记录载机的运动轨迹并进行运动补偿。然而,由于目前传感器导航精度的限制,在完成运动补偿处理后仍然存在轨道误差,从而影响干涉相位的精度,本文提出了一种机载双极化InSAR轨道误差去除方法。该方法利用小波多尺度分析对不同极化方式差分干涉相位进行多尺度分解,减弱地形误差相位、噪声相位对轨道误差的干扰,然后根据不同极化方式轨道误差的高度相关性,对相位进行降权改正,得到轨道误差改正后的差分干涉相位。为验证该方法的可靠性,分别采用模拟数据和E-SAR P波段双极化数据进行实验分析,结果表明原始差分干涉图中的轨道误差剔除明显,利用P波段获得的校正干涉图生成数字高程模型(DEM),轨道误差改正前后获取的DEM与LiDAR值的均方根误差(RMSE)分别为6.02 m和1.68 m,提高了InSAR测高精度。本研究为机载InSAR轨道误差补偿提供了一种新的思路。

关键词： polinsar 运动补偿重复轨道轨道误差机载InSAR 多尺度分析数字高程模型残余运动误差

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Analysis of forest backscattering characteristics based on polarization coherence tomography

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Science China(Technological Sciences) 2010年第S1期53卷 166-175页

作者： LUO HuanMin 1,LI XiaoWen 1,2,CHEN ErXue 3,CHENG Jian 4 & CAO ChunXiang 21 Institute of Geo-Spatial Information Science and Technology,University of Electronic Science and Technology of China,Chengdu 610054,China 2 State Key Laboratory of Remote Sensing Science,Jointly Sponsored by the Institute of Remote Sensing Applications of Chinese Academy of Sciences and Beijing Normal University,Beijing 100101,China 3Institute of Forest Resources Information Technique of Chinese Academy of Forestry,Beijing 100091,China 4 School of Electronic Engineering,University of Electronic Science and Technology of China,Chengdu 610054,China Institute of Geo-Spatial Information Science and Technology University of Electronic Science and Technology of China Chengdu China State Key Laboratory of Remote Sensing Science Jointly Sponsored by the Institute of Remote Sensing Applications of Chinese Academy of Sciences and Beijing Normal University Beijing China Institute of Forest Resources Information Technique of Chinese Academy of Forestry Beijing China School of Electronic Engineering University of Electronic Science and Technology of China Chengdu China

It is difficult to make an inventory of vertical profiles of forest structure parameters in field ***,analysis and understanding of forest backscattering characteristics contribute to estimation and detection of forest vertical structure because of the close relationships between backscattering characteristics and structure *** vertical structure function in the complex interferometric coherence definition,which represents the vertical variation of microwave scattering with the penetration depth at a point in the 2-D radar image and can be used to analyze the forest backscattering characteristics,can be reconstructed from polarization coherence tomography(PCT).Based on PCT,the paper analyzes the forest backscattering characteristics and explores the inherent relationship between the result of PCT and the forest structure parameters from numerical simulation of Random Volume over Ground model(RVoG),Polarimetric SAR interferometry(polinsar)simulation of forest scene and polinsar data at L-band of the test site ***,the effects of the extinction coefficient and surface-to-volume scattering ratio in RVoG model on vertical backscattering characteristics are analyzed by means of numerical ***,by applying PCT to L-band polinsar simulations of forest scene,different variations of vertical backscattering due to different extinction coefficients and the ratios of surface-to-volume scattering resulting from different polarizations,forest types and densities are displayed and *** a concept of relative average backscattering intensity is presented,and the factors which affect its vertical distribution are also *** results show that there is high sensitivity of the vertical distribution of forest relative average backscattering intensity to the polarization,forest type and ***,based on repeat pass DLR E-SAR L-band airborne polinsar data,the capability of PCT technology for detection

关键词： backscattering characteristic polinsar PCT vertical structure function

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基于地相位优化估计的RVoG三阶段森林冠层高度反演

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农业机械学报 2022年第7期53卷 301-307页

作者：罗洪斌朱泊东岳彩荣杨文俊龙飞徐婉婷西南林业大学林学院昆明650224

极化干涉合成孔径雷达(polinsar)估测森林结构参数中,数据受基线长度、信噪比、环境地形以及雷达波长的影响,尤其在复杂森林环境条件下,会导致观测到的复相干存在误差,从而影响最终的反演结果。为解决此问题,首先探讨了体相干选择对RVo... 详细信息

极化干涉合成孔径雷达(polinsar)估测森林结构参数中,数据受基线长度、信噪比、环境地形以及雷达波长的影响,尤其在复杂森林环境条件下,会导致观测到的复相干存在误差,从而影响最终的反演结果。为解决此问题,首先探讨了体相干选择对RVoG三阶段森林冠层高度反演的影响,以地相位为参考逐像素选择距离地相位最远的相干性作为体相干。其次改进了地相位估计方法,采用戴明回归(DMR)和正交回归(OGR)2种相干直线拟合方法来改进地相位的估计,并在DMR拟合方法中设置了不同的误差比(0.3和0.6)来比较地相位估计方法对RVoG三阶段森林冠层高度反演的影响。研究结果表明:以地相位为参考逐像素选择体相干的反演结果相较于直接使用HV极化通道的复相干γ_(HV)为体相干的反演精度有明显提升,决定系数(R^(2))由0.349增加到0.383,均方误差由7.097 m^(2)降低到5.755 m^(2)。在体相干优化选择的基础上,采用了戴明回归和正交回归对地相位估计方法进行了改进。表明基于最小二乘回归(LSR)地相位估计的RVoG三阶段反演精度最低,采用DMR和OGR进行相干线拟合的反演精度相较于LSR均有一定提升,所有反演结果的决定系数(R^(2))均在0.440左右,均方误差(MSE)均降低了2 m^(2)左右。研究结果说明采用RVoG三阶段方法反演森林冠层高度时,在复相干存在误差的情况下,用传统最小二乘回归(LSR)估计地相位进行高度反演会对结果带来一定误差,通过其他相干直线拟合方法来克服复相干误差的影响能改善最终的森林冠层高度反演结果,以地相位为参考选择体相干的反演方法也更为合理。

关键词：森林冠层高度地相位估计体相干选择 RVoG三阶段反演 polinsar

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联合干涉相位和相干性幅度的极化干涉SAR最优相干性估计

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测绘学报 2017年第1期46卷 73-82页

作者：龙江平刘峰段祝庚中南林业科技大学理学院湖南长沙410083

极化干涉SAR(polinsar)估计的复相干性包含相干性幅度和干涉相位,相干性幅度高低可以衡量干涉相位的质量,干涉相位是散射目标相位中心位置的重要体现,相干性幅度和干涉相位估计精度决定植被参数反演精度。由不同极化状态构成的相干区域... 详细信息

极化干涉SAR(polinsar)估计的复相干性包含相干性幅度和干涉相位,相干性幅度高低可以衡量干涉相位的质量,干涉相位是散射目标相位中心位置的重要体现,相干性幅度和干涉相位估计精度决定植被参数反演精度。由不同极化状态构成的相干区域中,相干性幅度差最大和干涉相位差最大的估计准则都从复相干性的某一方面建立最优估计函数,不能有效利用相干性幅度和相位信息。本文以相干区域边界为基础,结合相干性幅度和干涉相位信息,利用关联度建立联合干涉相位和相干性幅度的最优相干性估计准则,并在相干区域范围内获取最优散射机制及其相干性。试验结果表明,联合干涉相位和相干性幅度的最优估计准则可以有效区分地表散射和森林冠层散射的相干性和散射中心,提高植被高反演的可靠性。

关键词： polinsar 极化状态最优相干性相干区域关联度

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