基于全極化SAR數(shù)據(jù)的云南松后向散射特征分析

肖虹雁，田傳召，岳彩榮

(西南林業(yè)大學林學院，云南 昆明 650224)

基于全極化SAR數(shù)據(jù)的云南松后向散射特征分析

肖虹雁，田傳召，岳彩榮

(西南林業(yè)大學林學院，云南 昆明 650224)

以昆明市宜良縣花園林場為研究區(qū)，選擇2009年4月23日ALOS PALSAR 1.1等級的數(shù)據(jù)產(chǎn)品L波段全極化單視復型數(shù)據(jù)，結(jié)合2007年完成的宜良縣森林資源二類調(diào)查數(shù)據(jù)，分析HH、HV、VH和VV 4種極化方式下云南松后向散射特征，采用SPSS進行單因素方差分析法統(tǒng)計試驗結(jié)果。結(jié)果表明，在云南松幼齡林、中齡林和近熟林中，HH極化方式下反射強度值都是最高的，其次是VV極化方式，而HV和VH極化方式下反射值都比較低；云南松幼齡林、中齡林和近熟林與后向散射系數(shù)之間具有極顯著影響，根據(jù)此特性，區(qū)分不同齡組的云南松。

全極化SAR；云南松；后向散射系數(shù)；單因素方差分析

云南松(Pinusyunnanensis)多分布于海拔1000～3000 m的廣大地區(qū)，常形成大面積的純林，也是云南省最重要和面積最大的森林植被類型[1]。大面積分布于滇中高原、金沙江流域及南盤江流域。云南松樹干通直，木質(zhì)輕軟細密，是良好的建筑用材；而云南松樹脂、松花粉、松尖、球果等體現(xiàn)了云南松的非木材資源價值。

合成孔徑雷達(SAR)以其自身優(yōu)勢以及極化組合多樣的特點，成為森林研究的一種有效手段。全極化SAR的極化方式是指發(fā)射和接收電磁波所采用的極化方式，可以有4種組合HH、HV、VH和VV，對于互易介質(zhì)，HV=VH，通過它們可以保持圖像空間分辨率同時可以減小信號干擾[2]。極化不同，目標對電磁波的響應就不同。全極化SAR具有對地表植被散射體的空間分布和高度很敏感的特性，又具有對植被散射體的形狀和方向很敏感的特性[3]，在對植被探測上具有獨特的優(yōu)勢。因此，本文利用ALOS PALSAR全極化SAR數(shù)據(jù)，結(jié)合2007年完成的宜良縣森林資源二類調(diào)查數(shù)據(jù)，分析HH、HV、VH和VV等4種極化方式下云南松后向散射特征。

1 研究區(qū)與數(shù)據(jù)

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于云南省昆明市宜良縣花園林場，地勢北高南低。海拔1300～2800 m，地貌特點是山地、谷地與壩子相間分布。該地氣候溫和，年平均氣溫16.3 ℃，屬于北亞熱帶季風氣候。森林起源以天然林為主，主要優(yōu)勢樹種為云南松。調(diào)查林分為云南松純林，群落結(jié)構(gòu)簡單，各林班平均樹高為1.2～16 m，平均胸徑為2～31.2 cm，郁閉度為0.2～0.85，其中云南松幼齡林占22%，云南松中齡林占30.3%，云南松近熟林占47.7%。

1.2 數(shù)據(jù)的獲取

1.2.1 SAR數(shù)據(jù) 本試驗采用2009年4月23日獲取的一景覆蓋試驗區(qū)的ALOS PALSAR 1.1等級的數(shù)據(jù)產(chǎn)品L波段全極化(HH、HV、VH和VV)單視復型(SLC)數(shù)據(jù)。圖像中心點坐標：北緯24°53′31″、東經(jīng)103°12′43″，其中方位向分辨率為9.37 m，距離向分辨率為3.56 m，像幅為18432×1248。

1.2.2 2007年宜良縣森林資源二類調(diào)查數(shù)據(jù) 2007年宜良縣森林資源二類調(diào)查數(shù)據(jù)[4]中小班因子調(diào)查數(shù)據(jù)，內(nèi)容包括編號、圖色名稱、鄉(xiāng)鎮(zhèn)、林班號、小班號、小班面積、地類、立地類型、優(yōu)勢樹種、起源、樹種組成、齡組、林木蓄積、經(jīng)營措施、土壤類型、土壤質(zhì)地、土壤厚度、坡度、坡向、權(quán)屬、海拔等屬性數(shù)據(jù)項。根據(jù)2007年宜良縣森林資源二類調(diào)查數(shù)據(jù)中的齡組可知云南松生長時期，而立地類型可以看出云南松生長環(huán)境。

1.3 數(shù)據(jù)處理

對ALOS PALSAR數(shù)據(jù)預處理過程包括輻射定標、多視化處理和地理編碼。在GAMMA軟件中，首先讀取Level 1.1數(shù)據(jù)，生成的單視復數(shù)圖像(SLC)再進行輻射定標，JAXA提供的定標常量為-115 dB[5]，將強度圖數(shù)字量化輸出的DN值轉(zhuǎn)換為后向散射系數(shù)圖，便于對圖像進行點目標定量度量和分析。其次對數(shù)據(jù)進行多視處理，距離向和方位向視數(shù)分別為1和7，生成強度圖。最后采用數(shù)字高程模型(DEM)數(shù)據(jù)進行地理編碼，是將SAR圖像的斜距距離/方位坐標變換成地圖幾何坐標，處理后得到PALSAR影像。

在ArcGIS中利用2007年宜良縣森林資源二類調(diào)查數(shù)據(jù)，選出宜良縣花園林場中不同齡組的云南松，本文主要提取云南松幼齡林、中齡林以及近熟林的小班數(shù)據(jù)，其中相同齡組的云南松郁閉度和坡度基本一致。

2 結(jié)果與分析

2.1 云南松全極化后向散射特征分析

根據(jù)2007年宜良縣森林資源二類調(diào)查數(shù)據(jù)采集研究區(qū)云南松幼齡林平均樹高為4 m，平均胸徑為8 cm的255個樣本數(shù)據(jù)；云南松中齡林平均樹高為6 m，平均胸徑為12 cm的255個樣本數(shù)據(jù)以及云南松近熟林平均樹高為11 m，平均胸徑為18 cm的255個樣本數(shù)據(jù)。然后分別提取影像中云南松不同齡組的云南松后向散射系數(shù)，并統(tǒng)計云南松不同極化方式下不同齡組的云南松平均后向散射系數(shù)，見表1。

從表1可以看出，無論云南松屬于哪種齡組，在HH極化方式下反射強度值最高，其次是VV極化方式，而HV和VH極化方式下反射值都比較低。云南松在幼齡林到中齡林時期，處于生長期，冠層增大，對各極化波的作用表現(xiàn)明顯。因此，在這期間，各齡組云南松平均后向散射系數(shù)都是增強趨勢。HH極化方式下反射強度值最強，因為HH極化方式反應的大多是植被冠層葉片的信息，而此時期云南松冠層增大，含水量較高；同時云南松形態(tài)變大又削弱了對VV極化方式下的穿透深度。而從中齡林到近熟林時期，云南松冠層針葉掉落，形態(tài)變小，因而云南松平均后向散射系數(shù)減小。

表1 云南松各齡組平均后向散射系數(shù)

2.2 云南松全極化后向散射特征方差分析

利用SPSS軟件實現(xiàn)對不同極化方式下各齡組云南松255個樣本進行單因素方差分析(One way ANOVA)，并采用Least-signifcant difference(LSD)方法對各組均值間的變量進行多重比較，確定云南松各齡組與后向散射系數(shù)是否顯著。由表2可知，顯著水平小于0.0003，表明云南松各齡組與后向散射系數(shù)之間具有極顯著影響，意味著根據(jù)后向散射系數(shù)可以區(qū)分不同齡組的云南松。通過LSD方法對云南松后向散射系數(shù)各組均值間的變量進行多重比較，其中因變量后向散射系數(shù)會隨云南松齡組不同而變化，因此進一步確定經(jīng)過單因素方差分析可以區(qū)分不同齡組的云南松，見表3。

表2 云南松各齡組后向散射系數(shù)的單因素方差分析結(jié)果

表3 云南松各齡組后向散射系數(shù)LSD多重比較

*：(I)齡組中1為云南松幼齡林；2為云南松中齡林；3為云南松近熟林；*為均值差的顯著性水平為0.05。

LSD法多重比較法中，(I)齡組為比較基準齡組，(J)齡組為比較齡組。通過LSD法多重比較表明：齡組1與齡組2之間存在顯著性差異；齡組2與齡組1和齡組3之間存在顯著性差異；齡組3與齡組2之間存在顯著性差異；齡組1即是云南松幼齡林，齡組2即是云南松中齡林，齡組3即是云南松近熟林。因此，根據(jù)云南松的后向散射系數(shù)可以把不同齡組的云南松區(qū)分開來。

3 結(jié)論與討論

本文通過研究宜良縣花園林場地區(qū)天然林——云南松不同齡組在不同極化方式下L波段后向散射系數(shù)相關分析，同時進行單因素方差分析。結(jié)果表明，在云南松幼齡林、中齡林和近熟林中，HH極化方式下反射強度值都是最高的，其次是VV極化方式，而HV和VH極化方式下反射值都比較低；通過對云南松全極化后向散射特征進行方差分析，可知云南松各齡組與后向散射系數(shù)之間具有極顯著影響，根據(jù)其顯著性，可以把云南松幼齡林、中齡林和近熟林區(qū)分開來。

由于電磁波在經(jīng)過植被層后，其回波的能量會有所改變，而且同一地物對于不同的極化方式結(jié)果也不同，反映在雷達圖像上就是后向散射系數(shù)的差異。一般認為HV極化方式下為植被冠層信息，HH極化方式下為近地表信息[6]。粗壯樹木的樹干與地面都可能發(fā)生偶次散射，特別是對HH、VV分量回波很強，所以HH、VV的后向散射系數(shù)相對較大。而HV和VH相比HH和VV的滲透能力弱，回波信號強度低，所以HV、VH的后向散射系數(shù)相對較小。但HV圖像能給出地物目標較細微的結(jié)構(gòu)，地物界限更分明。對樹木的種類、HV圖像有較好的識別[7]。

[1]吳興華.云南松次生林生長研究[J].林業(yè)建設，2010(3)：47-50.

[2]王曉蘭，戴博偉，楊汝良.全極化合成孔徑雷達多視圖像的極化特征分析[J].電子與信息學報，2002(4)：507-513.

[3]Sagues L，Lopez-Sanchez J M，et al.Polarimetric radar interferometry for improved mine detection and surface clutter rejection[J].IEEE Transactions on Geosciences and Remote Sensing，2001，39(6)：1271-1278.

[4]云南省林業(yè)調(diào)查規(guī)劃院.2007年宜良縣森林資源二類調(diào)查報告[Z].昆明，2007.

[5]SHIMADA M，ISOGUCHI O，TADONO T.PLASAR radiometric calibration and geometric calibration[J].IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing，2009，47(12)：3915-3932.

[6]張慶云，劉國林，陶秋香，等.基于極化干涉SAR的植被高度反演算法對比分析[J].山東科技大學學報，2014(6)：77-83.

[7]郭華東.機載雷達遙感應用實驗研究[M].北京：科學出版社，1992：81-85.

Analysis on Backscattering Characteristics of thePinusyunnanensisBased on Full-polarization SAR Data

XIAO Hong-yan，TIAN Chuan-zhao，YUE Cai-rong

(ForestryCollege，SouthwestForestryUniversity，Kunming650224，Yunnan，China)

Using the garden forest farm in the Yiliang County of Kunming as study area，the full-polarization single complex type of L-band data is ALOS PALSAR Level 1.1 on April 23，2009.The backscattering characteristics of thePinusyunnanensis analyzed. Using SPSS software conducts experimental results by one-way ANOVA statistical analysis.The results indicates that the backscattering characteristics of thePinusyunnanensisand different ages(young，middle-aged and over mature forests) have a significant effect.According to these characteristics，thePinusyunnanensiscan be distinguished from different ages ground.

full-polarization SAR；Pinusyunnanensis；backscattering coefficient；one-way analysis of variance

2014-09-24；

2014-10-23

國家自然基金(31260156)

肖虹雁(1989—)，女，福建三明人，西南林業(yè)大學林學院碩士研究生，從事資源與環(huán)境遙感研究。E-mail：742929194@qq.com。

岳彩榮(1964—)，男，云南建水人，西南林業(yè)大學林學院教授、博士、博士生導師，從事遙感與GIS的教學與研究。E-mail：cryue@163.com。

10.13428/j.cnki.fjlk.2015.03.018

S791.257

A

1002-7351(2015)03-0085-03