本發(fā)明涉及植被雷達(dá)遙感觀測研究領(lǐng)域，特別是涉及一種高軌SAR垂直向非均勻植被冠層后向散射系數(shù)的模擬方法。

背景技術(shù)：

植被冠層后向散射系數(shù)模擬技術(shù)被用于解釋雷達(dá)電磁波與植被冠層的相互作用，可輔助于開發(fā)植被冠層參數(shù)反演技術(shù)，開展基于雷達(dá)遙感的植被空間觀測技術(shù)研究。目前的植被冠層后向散射系數(shù)數(shù)值計算模型多假設(shè)植被冠層為垂直向均勻，缺少對于植被冠層垂直向非均勻性的刻畫。但是，自然界中的植被冠層存在著廣泛的垂直向非均勻性，均勻性假設(shè)限制了植被后向散射系數(shù)模型用于理論分析的能力，無法對微波電磁波與植被的相互作用機理做出準(zhǔn)確的解釋。

由此可見，上述現(xiàn)有的植被冠層后向散射系數(shù)模擬方法在方法與使用上，顯然仍存在有不便與缺陷，而亟待加以進(jìn)一步改進(jìn)，尤其是利用高軌合成孔徑雷達(dá)(Synthetic Aperture Radar,SAR)進(jìn)行觀測時，由于其位于高度360000km的地球同步軌道，對植被垂直向不均勻性的觀測提出了更高的要求。因此，如何能創(chuàng)設(shè)一種新的可以刻畫植被冠層垂直向非均勻性的后向散射系數(shù)數(shù)值模擬方法是當(dāng)前本領(lǐng)域的重要研發(fā)課題之一。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是提供一種高軌SAR垂直向非均勻植被冠層后向散射系數(shù)模擬方法，使其為使用高軌SAR進(jìn)行植被觀測時校正、去除或分析植被的垂直向不均勻性提供了途徑，從而克服現(xiàn)有的植被冠層后向散射系數(shù)模擬方法的不足。

為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明一種高軌SAR垂直向非均勻植被冠層后向散射系數(shù)模擬方法，包括以下步驟：確定植被冠層組件的種類；確定各種類植被組件體密度的垂直向分布函數(shù)N_j(h)；計算雙矩陣算法中的薄層后向散射矩陣；基于雙矩陣算法計算植被冠層的后向散射系數(shù)。其中，雙矩陣算法中的薄層后向散射矩陣S與前向散射矩陣T的計算公式為：

式中：θ_i為入射角，θ_s為散射角，為入射方位角，為散射方位角，U^-1為對角矩陣，矩陣元素為散射方向的余弦，P為雙站散射相矩陣，由入射電磁場與植被組件的形態(tài)結(jié)構(gòu)、介電特性等決定，h為植被組件在冠層中的位置，Δz為每一薄層厚度，N為單位薄層體積內(nèi)的植被冠層組件密度，n為植被冠層組件的種類個數(shù)，j表示第j類植被冠層組件。

所述的植被冠層組件的種類范圍包括葉片、莖桿、枝條、果實或花朵等。

所述的計算植被冠層的后向散射系數(shù)包括以下步驟：計算上下兩個微小薄層構(gòu)成的厚度為2Δz的薄層的后向散射矩陣S′與前向散射矩陣T′；重復(fù)上述計算得到需要厚度的介質(zhì)層的后向散射矩陣S⁰；計算后向散射系數(shù)σ⁰；其中，后向散射矩陣S′與前向散射矩陣T′的計算公式為：

后向散射系數(shù)的計算公式為：σ⁰＝4πS⁰

式中，S₁為第一層的后向散射矩陣，T₁為第一層的前向散射矩陣，S₂為第二層的后向散射矩陣，T₂為第二層的前向散射矩陣，*表示入射方向反向入射時的后向及前向散射矩陣。

采用這樣的設(shè)計后，本發(fā)明將植被冠層中各種類植被組件的體密度垂直向分布函數(shù)引入雙矩陣算法進(jìn)行后向散射系數(shù)模擬，為模擬植被冠層垂直向非均勻性對后向散射系數(shù)造成的影響研究提供了途徑，尤其適用于高軌模式下SAR衛(wèi)星對植被目標(biāo)的觀測。

附圖說明

上述僅是本發(fā)明技術(shù)方案的概述，為了能夠更清楚了解本發(fā)明的技術(shù)手段，以下結(jié)合附圖與具體實施方式對本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)說明。

圖1是本發(fā)明高軌SAR垂直向非均勻植被冠層后向散射系數(shù)模擬方法的步驟流程示意圖。

圖2是在高軌SAR觀測模式下建模空間內(nèi)定義的體密度N_j與植被冠層內(nèi)部空間定義的體密度μ_j示意圖。

圖3是本發(fā)明利用雙矩陣算法計算相鄰兩個薄層對于單位入射能量的多次散射過程。

圖4是本發(fā)明進(jìn)行模擬實驗的錐體冠層示意圖。

圖5是本發(fā)明進(jìn)行模擬實驗時，同一理想冠層分別在垂直向均勻和垂直向非均勻假設(shè)下的VV極化后向散射系數(shù)模擬結(jié)果。

具體實施方式

請參閱圖1所示，本發(fā)明一種高軌SAR垂直向非均勻植被冠層后向散射系數(shù)模擬方法的主要步驟包括確定植被冠層組件的種類，確定植被組件體密度垂直向分布函數(shù)，根據(jù)確定的垂直向分布函數(shù)計算雙矩陣算法中的薄層散射矩陣，以及計算植被冠層的后向散射系數(shù)。

具體來說，首先，確定植被冠層中植被組件的種類。

植被組件指離散型微波散射模型中計算散射矩陣的最小單元，種類包括葉片、莖桿、枝條、果實、花朵等。

其次，確定各種類植被組件第一類體密度的垂直向分布函數(shù)。

植被組件各種類體密度指單位體積內(nèi)該種類植被組件的數(shù)量，單位為“個每立方米”或“個每立方分米”等。由于體密度會因為測量空間的不同發(fā)生變化，對本專利中涉及兩種體密度N_j與μ_j需要加以區(qū)分。請參閱圖2所示，其中前者N_j表示在SAR衛(wèi)星觀測模式下，散射模型建?？臻g內(nèi)的第j類冠層組件的體密度，后者μ_j表示冠層空間內(nèi)部第j類植被組件的體密度。為簡便記，本專利中N_j稱為第一類體密度，μ_j稱為第二類體密度。本步實施方式中“確定各種類植被組件體密度的垂直向分布函數(shù)”中的“體密度”指第一類體密度N_j。

記冠層內(nèi)第j類植被組件的第一類體密度垂直向分布函數(shù)為N_j(h),其中h表示冠層內(nèi)植被組件在高度向上的位置變量，冠層底部h＝0，記冠層厚度為H，則冠層最高處有h＝H。

N_j(h)可采用四種確定方法：

(1)實地測量。通過實地測量冠層內(nèi)各種類植被組件在各高度上的數(shù)量，除以建?？臻g體積，得到冠層內(nèi)各種類植被組件第一類體密度的垂直向分布函數(shù)；

(2)生長模型?？梢酝ㄟ^三維植物生長模型，得到同種植物的虛擬冠層，根據(jù)虛擬冠層中各種類植被組件的位置得到冠層內(nèi)各種類植被組件第一類體密度的垂直向分布函數(shù)；

(3)等效代替。通過其他變量的垂直向分布函數(shù)代替冠層內(nèi)各種類植被組件體密度的垂直向分布函數(shù)，例如NDVI(Normalized Differential Vegetation Index，歸一化植被指數(shù))等；

(4)理論假設(shè)。有時為了簡易地獲得冠層內(nèi)各種類植被組件第一類體密度的垂直向分布函數(shù)，也可以根據(jù)經(jīng)驗直接給出N_j(h)的具體函數(shù)形式，例如N_j(h)＝1000*(10-h)h∈[0,10]。

再次，根據(jù)確定的垂直向分布函數(shù)計算雙矩陣算法中的薄層散射矩陣。

即將確定的冠層內(nèi)各種類植被組件體密度的垂直向分布函數(shù)N_j(h)納入雙矩陣算法框架中。

雙矩陣算法中，首先將冠層等分為一系列薄層，每一薄層厚度為Δz，記P為該薄層單次散射相位矩陣，則對于垂直向均勻的冠層，其后向與前向散射矩陣S與T可表達(dá)為：

S(θ_s,θ_i,φ_s-φ_i)＝U^-1P(θ_s,θ_i,φ_s-φ_i)Δz

T(θ_t,θ_i,φ_t-φ_i)＝U^-1P(θ_t,θ_i,φ_t-φ_i)Δz

其中，θ_i為入射角；θ_s為散射角；為入射方位角；為散射方位角；U^-1為對角陣，元素為散射方向的余弦；n是植物組件的種類個數(shù)；是植被冠層中第j種植被組件在h處的薄層中的第一類平均體密度，單位為個，在垂直向均勻的冠層中為常數(shù)。的測量較為簡單，可以測量冠層內(nèi)單位體積內(nèi)第j類植物組件的數(shù)量M，從而有其中V是冠層的總體積。也可由N_j(h)計算得到，兩者的關(guān)系為：

改寫后的垂直向非均勻冠層的后向與前向散射矩陣計算公式為：

通過改寫后的方程將各種類植被冠層組件體數(shù)量的垂直向分布函數(shù)N_j(h)納入了雙矩陣算法框架中，與植被冠層散射矩陣建立了關(guān)系。

最后，基于雙矩陣算法計算植被冠層的后向散射系數(shù)。

此計算過程可通過現(xiàn)有的植被后向散射系數(shù)模型實現(xiàn)。

請參閱圖3所示，在兩個等厚度薄層之間的多次散射過程中，第一層的后向及前向散射矩陣為S₁和T₁，第二層的后向及前向散射矩陣為S₂和T₂。上標(biāo)“*”表示入射角反向入射時(即入射角在入射平面內(nèi)旋轉(zhuǎn)180度角)的后向及前向散射矩陣。使用雙矩陣算法，可以得到由上下兩個微小薄層構(gòu)成的厚度為2Δz的薄層的后向與前向散射矩陣S′、T′。

重復(fù)這一過程即得到任意厚度介質(zhì)層的散射矩陣。后向散射矩陣S⁰與后向散射系數(shù)σ⁰之間的關(guān)系為：

σ⁰＝4πS⁰。

以下對圖2所示的理想錐體樹冠層分別依據(jù)垂直向均勻與垂直向非均勻進(jìn)行散射特性建模的對比模擬實驗。

請配合參閱圖4所示，本示例中構(gòu)建的理想錐體冠層特點如下：

(1)冠層依照松樹冠層構(gòu)建，包括兩類植被組件：針葉與枝；

(2)錐體冠層的錐角α設(shè)為30°，冠層厚度為H，底層半徑為R＝H·tanα，易得Ω(h)＝π·(H-h)²·tan²α；

(3)不失植被組件朝向的一般性，葉片假設(shè)為水平放置，方位向?qū)ΨQ；樹枝假設(shè)為垂直放置；

(4)植被組件在冠層包絡(luò)空間內(nèi)均勻分布，即第二類體密度μ_j為常數(shù)，本示例中設(shè)為8×10^-5cm^-3；

(5)其它冠層參數(shù)及入射電磁場參數(shù)如下表所示：

依據(jù)具體實施方式中所確立的步驟：

首先，確定植被冠層中植被組件的種類。本示例中冠層為人為構(gòu)建的理想冠層，植被組件種類為針葉與枝兩類。

其次，確定各種類植被組件體密度的垂直向分布函數(shù)。本示例中冠層為人為構(gòu)建，相當(dāng)于給出了確定的生長模型，從而可以獲得各組件的精確位置，進(jìn)一步確定各種類植被組件第一類體密度的垂直向分布函數(shù)N_j(h)。

由冠層形狀錐體及第二類體密度μ_j計算可知第一類體密度N_j(h)的垂直向分布函數(shù)：

再次，根據(jù)確定的垂直向分布函數(shù)計算雙矩陣算法中的薄層散射矩陣。

最后，基于雙矩陣算法計算植被冠層的后向散射系數(shù)。

該理想冠層在VV極化模式下的后向散射系數(shù)模擬結(jié)果圖5所示，模擬結(jié)果顯示垂直向均勻與垂直向非均勻冠層模擬結(jié)果的差異約為-3.4dB，說明垂直向非均勻性對于植被冠層的后向散射系數(shù)擁有明顯的影響，對于SAR植被觀測，尤其是在高軌SAR觀測模式下，是植被微波散射模型必須要考慮的因素，本發(fā)明所提出的技術(shù)方案對于后續(xù)的相關(guān)精確研究至關(guān)重要。

以上所述，僅是本發(fā)明的較佳實施例而已，并非對本發(fā)明作任何形式上的限制，本領(lǐng)域技術(shù)人員利用上述揭示的技術(shù)內(nèi)容做出些許簡單修改、等同變化或修飾，均落在本發(fā)明的保護(hù)范圍內(nèi)。