全 文 ：张王菲 ,徐天蜀 ,姬永杰. 高山松生物物理参数 SAR信号响应研究 [ J ] . 江苏农业科学 , 2011 ,39(5):464 - 466.
高山松生物物理参数 SAR信号响应研究
张王菲 , 徐天蜀 , 姬永杰
(西南林业大学资源学院 ,云南昆明 650224)
摘要:通过分析高山松成熟林的树高 、胸径 、郁闭度 、蓄积量与 HV极化方式后向散射信号之间的相关性 ,探讨该
树种的森林生物物理参数与雷达后向散射信号之间的响应情况。结果表明 , 高山松的树高 、胸径 、郁闭度 、蓄积量都与
HV极化方式后向散射系数呈正相关关系。其中 ,郁闭度与后向散射信号之间的相关性较高 ,其相关性达到0. 613 7 ,
而树高 、胸径 、蓄积量等相关性相比则较低 ,这主要是由于 C 波段后向散射由冠层主导所致。由于研究区域地形起伏
较大且研究对象为天然林 ,因此该研究结果可以为地形起伏较大地区天然林的研究提供一定的参考。
关键词:合成孔径雷达(SAR);高山松;生物量;生物物理参数
中图分类号:S127 文献标志码:A 文章编号:1002 -1302(2011)05 - 0464 -03
自 20 世纪末期以来 ,有大量研究表明 ,人类向大气中排
放的温室气体所产生的温室效应导致了地表温度升高 ,其中
CO2贡献最大 。由于地球生态系统和大气等不断地进行含碳
气体的交换 ,因此地球上各种生态系统在碳循环中的作用受
到了人们的极大关注 。森林生物量约占整个陆地生态系统生
物量的 90%,生产量约占陆地生态系统的70%。森林生态系
统在全球碳循环过程中起重要作用 [1 -2 ] 。目前 ,在世界各国
积极履行《京都议定书》的国际背景下 ,开展森林及碳源汇功
能的研究具有积极的意义 。
合成孔径雷达 (SAR )成像条件不受云雨天气 、白昼 、太阳
天顶角 (特别是高纬度地区 )的影响 ,因此能成为森林研究的
一种有效手段 。森林地上生物量由叶和枝干生物量2部分组
成 ,对于一个成熟的林分 ,叶生物量占地上生物量的比例不到
10%,光学和近红外只和叶生物量反应 ,而微波具有穿透树冠
的能力 ,不仅能和树叶发生作用 ,而且主要是和森林生物量的
主体枝和树干发生作用。因此 , SAR 可为全面且精确估测森
林生物物理参数提供切实可行的工具 [3 - 6 ] 。目前 ,国内外对
森林生物物理参数与 SAR后向散射之间关系的研究多集中
在平坦地区 ,研究对象多为人工林 ,而对地形起伏较大区域 ,
天然林的研究则相对较少 。鉴于上述原因 ,笔者以云南省香
格里拉地区天然林———高山松为例 ,对地形起伏较大地区森
林各参数与 SAR 后向散射关系进行研究 ,以期为研究地形起
伏地区的天然林起到抛砖引玉的作用 。
收稿日期:2010 -12 - 07
基金项目:国家自然科学基金 (编号:30960302 );西南林业大学森林
经理学国家林业局重点学科(编号:XKZ200901 );西南林业大学面
上基金(编号:200925M)。
作者简介:张王菲(1979— ),女 ,山西晋城人 ,博士研究生 ,讲师 ,主要
从事遥感 、地理信息系统应用的研究。 Tel:(0871 )6939469;
E - mail:mewhff@163. com。
通信作者:徐天蜀 , 教授 , 主要从事 “3S ”技术教学与应用研究。
E - mail:cryue@163. com。
1 研究区域概况及其数据的获取与处理
1. 1 研究区域概况
研究区位于香格里拉西北部 ,东西约7 km ,南北约9 km ,
在云南省香格里拉县境内 ,相对高差较大 ,超过 4 km;生物量
样地约在海拔 2 km的山体上部;多年平均气温 5. 5 ℃,最冷
月 1月平均气温 -2 ～ -6 ℃,极端最低气温 -27. 4 ℃,最热
月 7月平均气温12 ～14 ℃,极端最高气温 25. 6 ℃;研究区域
的优势树种为高山松 、云冷杉和云南松 。
1. 2 数据的获取
1. 2. 1 SAR 数据 本试验所用的 SAR 数据的获取时间为
2005年 11月 4日 ,其影像的具体参数信息为:工作模式 ,交
叉极化;产品类别 , 多视地距;极化方式 ,HH /HV;入射角 ,
23. 99°;中 心经度 , 100. 07°;中心纬度 , 28. 45°;波长 ,
0. 056 989 m;像元大小 ,12. 5 m;覆盖范围 ,100 km ×100 km。
1. 2. 2 森林资源二类调查数据 该数据包括小班树种 、造林
年度 、每公顷株数 、郁闭度 、平均高度 、平均胸径 、每公顷蓄积
量 、地形 、坡位 、坡向 、坡度、海拔 、小班蓄积 、散生蓄积 、枯倒蓄
积 、杉蓄积 、小班面积 、龄组等 ,将所有属性数据输入到 GIS中
进行管理;此外还包括小班数据的分布图及其研究区域的数
据库信息 。对于不同树种生物量计算 ,笔者采用林木各个器
官生物量与胸径树高 (D2H )之间的函数关系进行计算 。具体
经验公式参考文献 [7 -8 ] 。
1. 3 数据的处理
SAR 图像处理的某些方面可以沿用光学遥感图像的处
理方法 ,但是 ,由于其成像方式和工作原理与光学遥感存在差
异 ,使得其具有特殊的辐射和几何畸变 ,特别是地形的变化十
分敏感 ,在地形起伏较大的地区采用常规方法校正 ,其误差可
以达到几千米 ,并且其噪声影响严重 ,这些特征决定了其特殊
的处理方法 [9 -11 ] 。
1. 3. 1 辐射定标 不同时期获取的 ASAR 图像辐射特征和
时相特征不完全一致 ,不能直接把它们的信息联系起来 。为
了更加精确地表现原始信号的幅度值 ,使不同时相的 ASAR
图像具有可比性 ,必须对影像进行辐射定标 。辐射定标的目
的是将原始影像的 DN值转换为后向散射系数 。转换为后向
—464— 江苏农业科学 2011 年第 39 卷第 5 期
DOI 牶牨牥牣牨牭牳牳牴牤j 牣i ssn牣牨牥牥牪牠牨牫牥牪牣牪牥牨牨牣牥牭牣牥牬牳
散射系数的影像如图1所示 。APP数据的后向散射的计算公
式为:
σ0ij =DN
0
ij
K
sin (αi j )
式中:σ0ij表示第 i行 、第 j列像元的后向散射系数值;DN0ij表示
第 i行 、第 j列像元的强度值;K表示粗略校正系数;αij表示入
射角度 。
1. 3. 2 正射校正 由于研究区域位于海拔 2 km以上的地
区 ,地形起伏较大 , SAR 系统侧视成像的几何特点会导致复
杂叠掩 、透视收缩 、阴影等现象 ,利用传统几何校正方法效果
很不理想 。因此必须采用 DEM数据进行正射校正 。其基本
步骤如下:(1 )适当旋转 DEM图像 ,使其与真实雷达图像具
有相同的方位角 。根据 DEM 数据及雷达相关元数据计算出
各个分辨单元的成像距离 。(2 )根据雷达视角随距离值变化
情况判断阴影区 ,将阴影区的像元赋值 0 ,非阴影区像元赋值
1 。 (3 )根据生成的模拟图像校正原始影像 ,并确定叠掩区
域 ,再根据阴影叠掩图像选择相应的模板改正阴影和叠掩区
域影像的后向散射系数。图 2为研究区域原始雷达影像和经
过正射校正后的雷达影像 (HV极化方式 )。
1. 3. 3 图像滤波 斑点噪声是 SAR图像固有的特性 ,严重
影响图像的质量 ,必须在图像处理和分析之前进行滤波 ,将其
去除 。通过多次试验 ,选取多通道滤波法去除斑点噪声 。多
通道滤波法充分利用含有丰富信息的且经过配准的不同通道
的 SAR影像 ,进行同时处理 。该方法能够在降低斑点噪声的
同时 ,较好地保持图像的纹理特征和空间分辨率 。为此 ,笔者
将另外二景的相同区域于 9月和 10月用双极化方式获取的
影像来进行多通道滤波 。
1. 3. 4 各小班数据后向散射数据的计算 采用 GIS技术计
算出每个小班内像元的平均后向散射值 ,然后和小班数据进
行叠加分析 ,得到各个小班的平均后向散射系数值 。
2 结果与分析
通过阅读文献 ,得知 HV 极化方式与森林生物物理参数
的相关性较强 ,因此笔者采用 APP 数据中的 HV 极化影像与
森林生物物理参数进行研究 。由于研究区域高山松的调查资
料较为齐全 ,且为优势树种 ,所以 ,笔者选取高山松作为研究
对象 ,对其胸径 、树高 、郁闭度 、蓄积量等 4个森林生物物理参
数 、生物量与 HV 影像后向散射系数之间的关系进行研究
分析 。
2. 1 后向散射与蓄积量相关性分析
从图 3可以看出 ,高山松的蓄积量与后向散射呈正相关
关系 。由于研究所选树种都为成熟林 ,因此其相关性呈增加
趋势 ,但随着蓄积量增加 ,后向散射系数趋于一定数值 ,并达
到饱和点 ,从点的离散程度可以看出高山松的离散程度较大 。
这主要由于松类的分布多位于地形起伏较大的雷达阴影或者
叠掩区域;虽然在地形校正时采用一定方法对其后向散射值
进行了模拟改正 ,但其值还有一定的差异 ,从而使得松类的相
关性系数有所降低 。通过研究发现 ,天然林的雷达后向散射
系数与蓄积量呈正相关关系 [12 ] 。
2. 2 后向散射与平均树高 、胸径相关性分析
高山松的小班平均树高与后向散射系数呈正相关关系 ,
说明随着树木高度增加 ,雷达信号被树干散射回去的机会增
大 。但是其相关性系数较小 ,高山松为 0. 378 3 ,其原因主要
是由于 C波段波长较短 ,其后向散射主要由冠层主导 ,而树
干的散射相对较少 。从图 3中还可以看出 ,高山松的小班平
均胸径与后向散射系数也呈正相关 ,但是其胸径与后向散射
系数的相关性系数都小于其树高与后向散射系数相关性系
数 ,为0. 231 6 ,说明该地区后向散射受树高度程度影响大于
胸径的影响 。
2. 3 后向散射与郁闭度相关性分析
郁闭度指森林中乔木树冠遮蔽地面的程度 ,它是反映林
分密度的指标 。从图3 可以看出 ,高山松的后向散射与郁闭
度的相关性较强 ,相关系数为 0. 613 7 ,并且呈正相关 ,这是由
于 C波段的后向散射由冠层主导的原因造成 。
3 结论与讨论
笔者通过研究香格里拉地区天然林———高山松森林生物
物理参数 、生物量与 HV极化方式 C波段后向散射系数相关
性 ,探讨地形起伏较大地区的雷达影像正射校正方法 ,对正射
校正后雷达阴影 、透视收缩 、叠掩造成的后弦散射系数错误进
行改正 ,在此基础上分析高山松的树高 、胸径 、郁闭度 、小班蓄
积等与C波段后向散射系数的相关程度 。对该结果进行了
分析 ,得出以下结论:(1 )高山松的树高 、胸径 、郁闭度 、蓄积
量和生物量都与 HV极化方式 C波段后向散射呈正相关关
系 。其中 ,郁闭度与后向散射的相关性远远大于树高 、胸径 、
蓄积量和生物量与后向散射的相关性 。造成这种结果的原因
主要是 C波段波长较短 ,其穿透冠层的后向散射较少 ,其后
向散射主要由冠层散射主导 。 (2 )高山松树高与后向散射相
关性大于胸径与后向散射的相关性 。这与前人研究结论稍有
不同 ,王臣立等通过研究加勒比松与后向散射之间关系发现 ,
其胸径与后向散射系数相关程度高于树高与后向散射系数的
相关性 [7 ] 。造成这个不同结果的原因可能包括以下几点:①
地形的起伏造成后向散射改正的误差导致;②天然林与人工
林的差别;③不同树种的差别 。具体原因有待进一步研究 。
—465—张王菲等:高山松生物物理参数 SAR信号响应研究
参考文献:
[1 ]金 心,石广玉. 海洋对人为 CO2 吸收的三维模式研究 [ J ] . 气
象学报, 2000 ,58 (1):40 -48 .
[ 2 ]聂道平 ,徐德应 , 王 兵. 全球碳循环与森林关系的研究———问
题与进展 [ J ] . 世界林业研究 , 1997(5 ):33 -40 .
[ 3 ]徐天蜀 ,张王菲 ,岳彩荣. 基于 PCA的森林生物量遥感信息模型
研究 [J ] . 生态环境 ,2007 , 16 (6):1759 -1762.
[ 4 ]陈尔学. 合成孔径雷达森林生物量估测研究进展 [ J ] . 世界林业
研究 ,1999 , 12 (6):18 -23 .
[ 5 ] Fransson J E S , Smith G , Askne J , et al. Stem volume estimation in
boreal forests using ERS - 1 /2 coherence and SPOT XS optical data
[J ] . International Journal of Remote Sensing , 2001 ,22 (14):2777 -
2791.
[ 6 ]齐家国 ,王翠珍. 微波 /光学植被散射模型及其在热带森林中的
应用 [J ] . 电波科学学报, 2004 ,19 (4):409 -417.
[7 ]王臣立 ,郭治兴 ,牛 铮 ,等. 热带人工林生物物理参数及生物量
对RADARSAT SAR 信号响应研究 [ J ] . 生态环境 , 2006 , 15(1 ):
115 - 119 .
[ 8 ]王海鹏 ,金亚秋 ,大内和夫 ,等. Pi - SAR 极化数据与 K 分布指数
估算森林生物量与实验验证 [ J ] . 遥感学报 , 2008 ,12 (3):477 -
482.
[ 9 ]邢艳秋. 基于 RS和 GIS东北天然林区域森林生物量及碳贮量估
测研究 [ D ] . 吉林:东北林业大学 ,2005.
[ 10 ]杨沈斌 ,赵小艳 , 申双和 ,等. 基于 ASAR 数据的水稻制图最佳
时相参数提取 [ J ] . 江苏农业学报 , 2009 ,25(3):518 - 523.
[ 11 ]王臣立. 雷达与光学遥感结合在森林净初级生产力研究中的应
用[ D ] . 北京:中国科学院研究生院遥感应用研究所 , 2006 .
[ 12 ]朱海珍 ,庞 勇 ,杨 飞 ,等. 基于 ENVISAT ASAR数据的森林
蓄积量估测研究 [ J ] . 地理与地理信息科学 , 2007 , 3 (2 ):51 -
55.
本刊加入有关数据库的特别声明
为适应我国信息化建设的需要和扩大作者学术交流渠道 ,提高作者所发表论文的被引频次 ,本刊已
加入 “万方数据 ———数字化期刊群 ”、《中国学术期刊(光盘版 )》和 “中国期刊网” 、重庆维普中文期刊数
据库 、中国生物学文献数据库 、台湾华艺中文电子期刊数据库。作者著作权使用费采取与本刊稿酬一次
性给付方式。如作者不同意将文章编入上述数据库 ,请在来稿时声明 ,本刊将作适当处理。
《江苏农业科学》编辑部
—466— 江苏农业科学 2011 年第 39 卷第 5 期