[发明专利]一种基于雷达干涉测量（InSAR）及坡度矫正模型的森林树高反演算法

权利要求书

1.一种基于雷达干涉测量(InSAR)及坡度校正模型的森林树高反演算法，其特征在于：该方法具体步骤如下：

步骤1：数据准备

本发明所涉及到的数据包括：①两幅具有较好相干性的L波段的ALOS-PALSAR双极化数据，因研究区范围较大，每组图像由两幅图像拼接而成。分别获取于2009年6月25日和2009年8月10日；②Alaska Satellite Facility提供的12.5米分辨率的DEM数据；③实验区域实地采样数据；

步骤2：后向散射系数提取

8月10日获取的ALOS-PALSAR图像数据与实测数据获取的月份相同，则提取出该日期的SAR图像对应的后向散射系数图。首先在ENVI SARScape软件中经过多视处理生成强度图，方位向和距离向的分辨率分别是12.3m和14.9m。然后采用Frost滤波方法，在5×5的窗口下滤波获得去噪后的强度图。

处理好的强度数据经过辐射定标便转换为在同一标准下可进行比较的后向散射系数，辐射定标主要是处理SAR系统性能，并且建立图像每个像素功率与地物后向散射系数的对应关系。SAR系统的传感器获取的是发射脉冲和接收脉冲的功率比，也就是后向散射系数，根据雷达方程，建立辐射定标的公式，对接收的后向散射系数进行定标处理，将其统一在同一规范标准之内便能进行后向散射系数的分析和对比，并且定标后的系数不受传感器类型，观测模式的影响。由辐射定标计算得到的定标结果是无量纲量，通常转化为以dB为单位的结果，整个定标方程可简化为：

σ⁰＝10lg(I²+Q²)+CF-A

式中I和Q分别是原始单视复数(SLC)数据中的实部和虚部，CF是校正因子，A为转换系数。因处理的数据为斜距产品，则利用Alaska Satellite Facility提供的12.5m×12.5m数字高程模型(DEM)进行正射校正，最后得到研究区域空间分辨率为15米的HH和HV后向散射系数栅格图像。

步骤3：SAR图像干涉处理

以8月10日获取的ALOS-PALSAR图像作为主影像，另一幅图像作为辅影像，首先进行基线估算，基线长度分别为319.30m，小于临界基线的1/3，表示选择的这两幅图像可以用来进行下一步的干涉处理。直接利用SARScape软件将两景SLC数据进行图像配准和多视处理来得到去除平地效应后的干涉图，距离向跟方位向的视数设置成1和4，重采样为15m的地面分辨率。

然后，利用自适应滤波方法去掉平地效应造成的相位噪声并进行相干系数计算。由于植被的散射特性造成其去相干性较大，则植被覆盖的区域相干性都偏小。因为复数相位特有的周期性，干涉处理过程中只要相位变化超过2π便会产生模糊，此时获得的干涉相位值则是处于(-π,π]之间的相位缠绕值(即相位主值)，则需要将模糊掉的相位周期解算出来，得到真实相位值，解缠算法有很多，各有优缺点，本次处理采用最小费用流算法(MinimumCost Flow)，保证解缠运算速度和精度，使解缠后的相位趋于稳定和平滑，且避免了结果中不连续区域出现的孤岛问题(设置的相关系数阈值为0.15至0.2之间)。

最后，为校正相位的偏移，选择平地的地面控制点来对轨道参数进行修正，以及对已有的干涉图进行重新去除平地效应处理和地理编码。地理编码过程仍选Alaska SatelliteFacility提供的12.5m分辨率的DEM作为参考地形校正信息，把原本位于雷达坐标系下的图像转到地理坐标系中。

步骤4：坡度、坡向因子提取

在处理好的DEM图像中提取出坡度、坡向因子。坡向是坡面法线在水平面上的投影方向，也就是山体表面所面对着的方向，标准是从正北方向开始以度为单位顺时针测量，最后回到正北方向，环绕360°，无坡度的地平面坡向另定义成-1。

图4为坡度图，图5为坡向图。

步骤5：坡度矫正模型建立

对于侧视雷达来说，距离向上的地形起伏对反演模型的影响较大，所以本实验沿着雷达视线方向的距离向上建立坡度修正模型。如图6所示，为三种不同地形下雷达天线与森林分布的几何关系图，(a)表示平地；(b)表示面向雷达视线方向坡度为α；(c)表示背向雷达视线方向坡度为α。从图中看出，当地面坡度存在时，雷达入射波数与森林表面垂直法线的夹角，即局部入射角随坡度变化而变化，从而影响有效垂直波数k_z和随机散射体高度h_v。森林高度是垂直于大地水准面的高度，而有坡度时，随机散射体高度与森林真实高度相差一个cosα的关系，即真实高度为h_v/cosα，因此，

(1)当森林分布于平地，如图6(a)，其局部入射角θ₀等于雷达视角θ，有效垂直波数

(2)当森林位于图6(b)所示地形时，局部入射角θ₀＝θ-α，有效垂直波数

(3)当森林位于图6(c)所示地形时,局部入射角θ₀＝θ+α，有效垂直波数

步骤6：干涉差分法反演树高

根据InSAR的测量原理，忽略地物目标散射特征变化和电磁波传输过程中受各种因素不同程度的影响，两次测量过程中的干涉相位可以确定对应点的高程。根据极化SAR中各极化的特性，对同一波段的不同极化来说，交叉极化的信号较同极化更弱，穿透性比同极化弱。对同一地物，分别用交叉极化HV和同极化HH做干涉处理，二者的干涉相位会对应不同的地物高度，从极化特性分析，HV极化方式的回波中体散射占优，而HH极化方式的回波中地表散射占优，则可以根据二者的相位差确定冠层与地面的高程差。该方法是近乎理想的状态，将不同极化通道对应的地物目标散射都当作“纯”散射体。ALOS-PALSAR双极化数据便可用于植被高度的估计，代表植被冠层的散射。相位中心φ_s和地表的散射相位中心φ_v分别为：

φ_s＝arg(γ_HH)，φ_v＝arg(γ_HV)

植被的高度则为：

其中k_z'是坡度矫正后的有效的垂直波数。