專利名稱：一種合成孔徑雷達(dá)森林遙感數(shù)據(jù)的定量化模擬方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種合成孔徑雷達(dá)(SAR)森林遙感數(shù)據(jù)的模擬方法，特別涉及一種定量化模擬方法，屬于合成孔徑雷達(dá)森林遙感技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
森林是地球生態(tài)物質(zhì)的主體，區(qū)域和全球森林生物量的估測對于檢測生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)和氣候變化具有重要意義，是生態(tài)學(xué)和全球變化研究的重要內(nèi)容之一。近年來，合成孔徑雷達(dá)遙感技術(shù)在森林生物學(xué)結(jié)構(gòu)探測方面的作用得到了廣泛的關(guān)注，成為地上大面積范圍內(nèi)森林重要參數(shù)估測的有力工具。遙感數(shù)據(jù)的定量化模擬技術(shù)在SAR森林遙感應(yīng)用過程中發(fā)揮了重要的作用，一方面揭示遙感正演機(jī)理，另一方面為森林參數(shù)提取算法的研究提供豐富的遙感數(shù)據(jù)。因此，森林冠層后向散射模型和遙感數(shù)據(jù)模擬方法是SAR森林遙感應(yīng)用的研究熱點(diǎn)。真實(shí)的SAR遙感系統(tǒng)數(shù)據(jù)獲取全過程包括發(fā)射電磁波信號、電磁波信號與森林植被相互作用、接收回波信號以及地面成像處理得到雷達(dá)影像。雷達(dá)系統(tǒng)的穩(wěn)定性(運(yùn)動穩(wěn)定性、姿態(tài)穩(wěn)定性、信號穩(wěn)定性等)和自然環(huán)境的復(fù)雜性(地形復(fù)雜性、風(fēng)雨作用導(dǎo)致時(shí)間去相干等)都會對最終獲取的雷達(dá)影像產(chǎn)生影響，而這些影響首先直接作用于回波信號。 目前已有的SAR森林遙感數(shù)據(jù)定量化模擬方法大都采用圖像直接模擬的方式，避開了復(fù)雜的回波模擬和成像處理過程，在系統(tǒng)和環(huán)境較為理想時(shí)能夠反映雷達(dá)影像的特點(diǎn)。但是該模擬方法與真實(shí)遙感系統(tǒng)數(shù)據(jù)獲取的全過程不一致，當(dāng)遙感系統(tǒng)存在非理想因素時(shí)，無法精確模擬雷達(dá)系統(tǒng)的特性和復(fù)雜自然環(huán)境的特點(diǎn)，使森林遙感模擬數(shù)據(jù)過于理想，與真實(shí)遙感系統(tǒng)的響應(yīng)結(jié)果不符，影響對森林參數(shù)反演算法的分析和評估。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是為了實(shí)現(xiàn)合成孔徑雷達(dá)(SAR)森林遙感數(shù)據(jù)定量化逼真模擬，提出了基于真實(shí)遙感系統(tǒng)數(shù)據(jù)獲取全過程的森林植被SAR遙感數(shù)據(jù)定量化模擬方法。本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的。本發(fā)明的一種SAR森林遙感數(shù)據(jù)的定量化模擬方法，用于模擬針葉林和闊葉林的 SAR遙感數(shù)據(jù)，其步驟如下1)建立三維森林場景的幾何模型，具體為采用分形地形模型構(gòu)造三維起伏地表；采用整體幾何結(jié)構(gòu)模型構(gòu)造單木三維結(jié)構(gòu)，通過樹木分叉的數(shù)目、樹木分叉的角度、樹枝的長度和樹枝的半徑四個(gè)參數(shù)各自的變化，并在其基礎(chǔ)上添加隨機(jī)擾動來構(gòu)造模型；先構(gòu)造樹木個(gè)體的整體外形，然后在其內(nèi)部用一系列參數(shù)對樹木具體結(jié)構(gòu)進(jìn)行控制，其關(guān)鍵參數(shù)包括胸徑、冠層厚度和枝葉大小的計(jì)算均通過生物學(xué)公式或經(jīng)驗(yàn)值獲取，在一定程度上保持了所構(gòu)造樹木的生物特性，同時(shí)采用遞歸迭代的計(jì)算方法保證了計(jì)算機(jī)處理的高效性；上述一系列參數(shù)包括樹高、胸徑、冠幅、第一級樹枝個(gè)數(shù)、第一級樹枝起始半徑、第一級樹枝終止半徑、第一級樹枝長度、第二級樹枝個(gè)數(shù)、第二級樹枝起始半徑、第二級樹枝終止半徑、第二級樹枝長度、第三級樹枝個(gè)數(shù)、第三級樹枝半徑、第三級樹枝長度、葉片個(gè)數(shù)以及葉片的長、寬、高；2)建立雷達(dá)后向散射模型，將整個(gè)森林場景的雷達(dá)后向散射模擬為由大量的散射介電粒子組成，這些散射粒子包括圓柱體(樹干和樹枝)和圓盤體(葉片)兩種形式， 森林的雷達(dá)后向散射模型同時(shí)考慮地表的表面散射和樹木冠層的體散射，包括地表直接散射、樹冠直接散射、樹干直接散射、樹冠與地表二次散射、樹干與地表二次散射，采用有限長介電圓柱體散射模型近似計(jì)算樹干和樹枝的雷達(dá)后向散射，采用GRG近似(Generalized Rayleigh-Gans Approximation)的圓盤體散射模型計(jì)算葉片的雷達(dá)后向散射；3)進(jìn)行SAR回波信號模擬，將三維森林冠層模擬為由K個(gè)散射介電粒子組成的復(fù)雜介質(zhì)，介電粒子從樹木的枝干和葉片中提取，樹干、樹枝根據(jù)雷達(dá)分辨率劃分多個(gè)介電粒子，每個(gè)葉片獨(dú)立為一個(gè)介電粒子，每個(gè)介電粒子的位置由步驟1)中計(jì)算的樹木枝干、葉片的生長位置獲取，每個(gè)介電粒子的后向散射系數(shù)由步驟幻中計(jì)算的有限長介電圓柱體和圓盤體的后向散射獲?。粚⒄麄€(gè)森林場景的SAR回波信號表示為場景內(nèi)所有散射介電粒子的SAR回波信號相干疊加，為了提高模擬效率，采用一維頻域算法作為SAR回波信號模擬的核心算法得出 SAR回波信號，在回波模擬過程中引入雷達(dá)系統(tǒng)非理想因素，包括天線指向誤差、雷達(dá)運(yùn)動誤差、接收通道噪聲、極化通道耦合、接收通道不一致性，使回波模擬結(jié)果逼近真實(shí)SAR森林遙感系統(tǒng)；4)對步驟幻的回波數(shù)據(jù)進(jìn)行SAR成像處理，采用成像處理算法對模擬回波數(shù)據(jù)進(jìn)行聚焦處理，得到SAR森林遙感影像，成像處理算法可以為后向投影算法或者距離多普勒算法。有益效果本發(fā)明相對于現(xiàn)有技術(shù)相比，其優(yōu)勢在于在SAR森林遙感數(shù)據(jù)定量化模擬過程中引入回波模擬和成像處理過程，反映了真實(shí)遙感系統(tǒng)與自然環(huán)境作用的全過程，完成了從觀測對象描述和微波散射作用機(jī)理描述到遙感系統(tǒng)原始信號獲取與地面成像處理的全鏈路逼真模擬。


圖1為SAR森林遙感數(shù)據(jù)的定量化模擬技術(shù)方案實(shí)施流程圖；圖2為本發(fā)明實(shí)施例中三維森林場景幾何建模效果圖；圖3為本發(fā)明實(shí)施例中計(jì)算森林雷達(dá)后向散射所考慮的散射機(jī)理圖；圖4為本發(fā)明實(shí)施例中表示SAR回波信號模擬結(jié)果的回波菲涅爾圖，其中(a)為 HH極化通道模擬結(jié)果，(b)為HV極化通道模擬結(jié)果，(c)為VV極化通道模擬結(jié)果；圖5為SAR森林遙感影像模擬結(jié)果，其中(a)為HH極化通道模擬結(jié)果，(b)為HV 極化通道模擬結(jié)果，(c)為W極化通道模擬結(jié)果；圖6為利用模擬影像進(jìn)行森林高度反演結(jié)果圖；圖7為利用森林影響進(jìn)行森林高度反演結(jié)果統(tǒng)計(jì)圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步說明。實(shí)施例采用SAR系統(tǒng)進(jìn)行森林場景遙感數(shù)據(jù)的定量化模擬實(shí)驗(yàn)，并通過反向投影(BP)成像算法進(jìn)行成像處理得到仿真結(jié)果，為了驗(yàn)證模擬結(jié)果的正確性，采用典型的森林高度反演算法對模擬影像進(jìn)行處理，得到森林高度反演結(jié)果。其中森林樣地面積為50hm2，林木數(shù)量為7000株，樹種為闊葉樹和針葉松的混交林；SAR飛行高度為3000m，中心視角為45度， SAR系統(tǒng)分辨率為lm，雷達(dá)天線波束寬度為0. Irad,雷達(dá)工作在波長0. 24m的L波段，天線采用全極化方式。一種SAR森林遙感數(shù)據(jù)的定量化模擬方法，技術(shù)方案實(shí)施流程如附圖1所示，其步驟如下1)建立三維森林場景幾何模型，采用分形地形模型構(gòu)造三維起伏地表，采用整體幾何結(jié)構(gòu)模型構(gòu)造單木三維結(jié)構(gòu)，通過樹木分叉的數(shù)目、分叉的角度、樹枝長度、半徑變化和各種擾動來構(gòu)造模型，從整體結(jié)構(gòu)出發(fā)用若干參數(shù)對樹木造型進(jìn)行控制，采用三維幾何模型構(gòu)造樹木的生長過程，其關(guān)鍵參數(shù)(胸徑、冠層厚度、枝葉大小等)的計(jì)算均通過生物學(xué)公式或經(jīng)驗(yàn)值獲取，在一定程度上保持了所構(gòu)造樹木的生物特性，同時(shí)采用遞歸迭代的計(jì)算方法保證了計(jì)算機(jī)處理的高效性，該模型描述樹枝中心點(diǎn)坐標(biāo)的生物學(xué)公式如下所示= + +式中，為直角坐標(biāo)系的坐標(biāo)基，&為起始生長點(diǎn)坐標(biāo)，1為生長長度，
g e
表示樹枝中心點(diǎn)歸一化位置，Cx(g)分別為i和j>方向的彎曲函數(shù)，由多
個(gè)生物學(xué)經(jīng)驗(yàn)值和隨機(jī)值表示，三維森林場景幾何建模效果如圖2所示；2)建立雷達(dá)后向散射模型，將整個(gè)森林場景的雷達(dá)后向散射可以看成由大量的散射介電粒子組成，這些散射粒子包括圓柱體(樹干和樹枝)、圓盤體(葉片)等，森林的雷達(dá)后向散射模型同時(shí)考慮地表的表面散射和樹木冠層的體散射，包括地表直接散射、 樹冠直接散射、樹干直接散射、樹冠與地表二次散射、樹干與地表二次散射，采用有限長介電圓柱體散射模型近似計(jì)算樹干和樹枝的雷達(dá)后向散射，采用GRG近似(Generalized Rayleigh-Gans Approximation)的圓盤體散射模型計(jì)算葉片的雷達(dá)后向散射，雷達(dá)后向散射所考慮的散射機(jī)理如圖3所示，其中方向1表示地表直接散射，方向2表示樹冠直接散射，方向3表示樹干直接散射，方向4表示樹干與地表二次散射，方向5表示樹冠與地表二次散射；3) SAR回波信號模擬，將三維森林冠層看成由K個(gè)散射介電粒子組成的復(fù)雜介質(zhì)，
其中第k個(gè)粒子的回波信號模型如下式所示
S^ (Uj) = σΓrecti^21lkiuvc
5
exp-2Rk(u)lc}
式中，ρ和q分別表示入射極化方式和接收極化方式，U和t分別代表雷達(dá)方位時(shí)間和電磁波傳播時(shí)間，Tp為脈沖寬度，λ為電磁波波長，c為光速，&為信號線性調(diào)頻率， Cf為后向散射系數(shù)，I(U)為u時(shí)刻的雷達(dá)與散射介電粒子的瞬時(shí)斜距。整個(gè)森林場景的 SAR回波信號可以表示為場景內(nèi)所有散射介電粒子的SAR回波信號相干疊加，如下式所示
權(quán)利要求
1. 一種SAR森林遙感數(shù)據(jù)的定量化模擬方法，用于模擬針葉林和闊葉林的SAR遙感數(shù)據(jù)，其特征在于步驟如下1)建立三維森林場景的幾何模型，具體為采用分形地形模型構(gòu)造三維起伏地表；采用整體幾何結(jié)構(gòu)模型構(gòu)造單木三維結(jié)構(gòu)，通過樹木分叉的數(shù)目、樹木分叉的角度、樹枝的長度和樹枝的半徑四個(gè)參數(shù)各自的變化，并在其基礎(chǔ)上添加隨機(jī)擾動來構(gòu)造模型；先構(gòu)造樹木個(gè)體的整體外形，然后在其內(nèi)部用一系列參數(shù)對樹木具體結(jié)構(gòu)進(jìn)行控制，其關(guān)鍵參數(shù)包括胸徑、冠層厚度和枝葉大小的計(jì)算均通過生物學(xué)公式或經(jīng)驗(yàn)值獲取，在一定程度上保持了所構(gòu)造樹木的生物特性，同時(shí)采用遞歸迭代的計(jì)算方法保證了計(jì)算機(jī)處理的高效性；上述一系列參數(shù)包括樹高、胸徑、冠幅、第一級樹枝個(gè)數(shù)、第一級樹枝起始半徑、第一級樹枝終止半徑、第一級樹枝長度、第二級樹枝個(gè)數(shù)、第二級樹枝起始半徑、第二級樹枝終止半徑、第二級樹枝長度、第三級樹枝個(gè)數(shù)、第三級樹枝半徑、第三級樹枝長度、葉片個(gè)數(shù)以及葉片的長、寬、高；2)建立雷達(dá)后向散射模型，將整個(gè)森林場景的雷達(dá)后向散射模擬為由大量的散射介電粒子組成，這些散射粒子包括圓柱體和圓盤體兩種形式，森林的雷達(dá)后向散射模型同時(shí)考慮地表的表面散射和樹木冠層的體散射，包括地表直接散射、樹冠直接散射、樹干直接散射、樹冠與地表二次散射、樹干與地表二次散射，采用有限長介電圓柱體散射模型近似計(jì)算樹干和樹枝的雷達(dá)后向散射，采用GRG近似的圓盤體散射模型計(jì)算葉片的雷達(dá)后向散射；3)進(jìn)行SAR回波信號模擬，將三維森林冠層模擬為由K個(gè)散射介電粒子組成的復(fù)雜介質(zhì)，介電粒子從樹木的枝干和葉片中提取，樹干、樹枝根據(jù)雷達(dá)分辨率劃分多個(gè)介電粒子， 每個(gè)葉片獨(dú)立為一個(gè)介電粒子，每個(gè)介電粒子的位置有步驟1)中計(jì)算的樹木枝干、葉片的生長位置獲取，每個(gè)介電粒子的后向散射系數(shù)由步驟幻中計(jì)算的有限長介電圓柱體和圓盤體的后向散射獲??；將整個(gè)森林場景的SAR回波信號表示為場景內(nèi)所有散射介電粒子的SAR回波信號相干疊加，采用一維頻域算法作為SAR回波信號模擬的核心算法得出SAR回波信號，在回波模擬過程中引入雷達(dá)系統(tǒng)非理想因素，包括天線指向誤差、雷達(dá)運(yùn)動誤差、接收通道噪聲、極化通道耦合、接收通道不一致性；4)對步驟幻的回波數(shù)據(jù)進(jìn)行SAR成像處理，采用成像處理算法對模擬回波數(shù)據(jù)進(jìn)行聚焦處理，得到SAR森林遙感影像。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種合成孔徑雷達(dá)(SAR)森林遙感數(shù)據(jù)的模擬方法，特別涉及一種定量化模擬方法，屬于合成孔徑雷達(dá)森林遙感技術(shù)領(lǐng)域。模擬方法包括以下幾個(gè)步驟建立三維森林場景的幾何模型、建立雷達(dá)后向散射模型、進(jìn)行SAR回波信號模擬和進(jìn)行SAR成像處理。本發(fā)明在SAR森林遙感數(shù)據(jù)定量化模擬過程中引入回波模擬和成像處理過程，反映了真實(shí)遙感系統(tǒng)與自然環(huán)境作用的全過程，完成了從觀測對象描述和微波散射作用機(jī)理描述到遙感系統(tǒng)原始信號獲取與地面成像處理的全鏈路逼真模擬。
文檔編號G01S13/90GK102401898SQ201110247258
公開日2012年4月4日 申請日期2011年8月25日 優(yōu)先權(quán)日2011年8月25日
發(fā)明者孫晗偉, 曾濤, 胡程 申請人:北京理工大學(xué)