[發明專利]一種合成孔徑雷達森林遙感數據的定量化模擬方法

無效

• 申請號: 201110247258.8
• 申請日: 2011-08-25
• 公開（公告）號: CN102401898A
• 公開（公告）日: 2012-04-04
• 發明（設計）人: 曾濤;孫晗偉;胡程
• 申請（專利權）人: 北京理工大學
• 主分類號: G01S13/90
• 分類號: G01S13/90
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

技術領域

本發明涉及一種合成孔徑雷達(SAR)森林遙感數據的模擬方法，特別涉及一種定量化模擬方法，屬于合成孔徑雷達森林遙感技術領域。

背景技術

森林是地球生態物質的主體，區域和全球森林生物量的估測對于檢測生態系統碳循環和氣候變化具有重要意義，是生態學和全球變化研究的重要內容之一。近年來，合成孔徑雷達遙感技術在森林生物學結構探測方面的作用得到了廣泛的關注，成為地上大面積范圍內森林重要參數估測的有力工具。遙感數據的定量化模擬技術在SAR森林遙感應用過程中發揮了重要的作用，一方面揭示遙感正演機理，另一方面為森林參數提取算法的研究提供豐富的遙感數據。因此，森林冠層后向散射模型和遙感數據模擬方法是SAR森林遙感應用的研究熱點。

真實的SAR遙感系統數據獲取全過程包括發射電磁波信號、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影像。雷達系統的穩定性(運動穩定性、姿態穩定性、信號穩定性等)和自然環境的復雜性(地形復雜性、風雨作用導致時間去相干等)都會對最終獲取的雷達影像產生影響，而這些影響首先直接作用于回波信號。目前已有的SAR森林遙感數據定量化模擬方法大都采用圖像直接模擬的方式，避開了復雜的回波模擬和成像處理過程，在系統和環境較為理想時能夠反映雷達影像的特點。但是該模擬方法與真實遙感系統數據獲取的全過程不一致，當遙感系統存在非理想因素時，無法精確模擬雷達系統的特性和復雜自然環境的特點，使森林遙感模擬數據過于理想，與真實遙感系統的響應結果不符，影響對森林參數反演算法的分析和評估。

發明內容

本發明的目的是為了實現合成孔徑雷達(SAR)森林遙感數據定量化逼真模擬，提出了基于真實遙感系統數據獲取全過程的森林植被SAR遙感數據定量化模擬方法。

本發明的目的是通過以下技術方案實現的。

本發明的一種SAR森林遙感數據的定量化模擬方法，用于模擬針葉林和闊葉林的SAR遙感數據，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造三維起伏地表；采用整體幾何結構模型構造單木三維結構，通過樹木分叉的數目、樹木分叉的角度、樹枝的長度和樹枝的半徑四個參數各自的變化，并在其基礎上添加隨機擾動來構造模型；先構造樹木個體的整體外形，然后在其內部用一系列參數對樹木具體結構進行控制，其關鍵參數包括胸徑、冠層厚度和枝葉大小的計算均通過生物學公式或經驗值獲取，在一定程度上保持了所構造樹木的生物特性，同時采用遞歸迭代的計算方法保證了計算機處理的高效性；

上述一系列參數包括：樹高、胸徑、冠幅、第一級樹枝個數、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、第二級樹枝個數、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、第三級樹枝個數、第三級樹枝半徑、第三級樹枝長度、葉片個數以及葉片的長、寬、高；

2)建立雷達后向散射模型，將整個森林場景的雷達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，森林的雷達后向散射模型同時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算樹干和樹枝的雷達后向散射，采用GRG近似(Generalized?Rayleigh-Gans?Approximation)的圓盤體散射模型計算葉片的雷達后向散射；

3)進行SAR回波信號模擬，將三維森林冠層模擬為由K個散射介電粒子組成的復雜介質，介電粒子從樹木的枝干和葉片中提取，樹干、樹枝根據雷達分辨率劃分多個介電粒子，每個葉片獨立為一個介電粒子，每個介電粒子的位置由步驟1)中計算的樹木枝干、葉片的生長位置獲取，每個介電粒子的后向散射系數由步驟2)中計算的有限長介電圓柱體和圓盤體的后向散射獲取；

將整個森林場景的SAR回波信號表示為場景內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系統非理想因素，包括天線指向誤差、雷達運動誤差、接收通道噪聲、極化通道耦合、接收通道不一致性，使回波模擬結果逼近真實SAR森林遙感系統；

4)對步驟3)的回波數據進行SAR成像處理，采用成像處理算法對模擬回波數據進行聚焦處理，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