基于TerraSAR-X/TanDEM-X干涉DEM的森林冠層高度估測(cè)

章皖秋 岳彩榮 劉曉英

(西南林業(yè)大學(xué)西南地區(qū)生物多樣性保育國(guó)家林業(yè)局重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，云南 昆明 650224)

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基于TerraSAR-X/TanDEM-X干涉DEM的森林冠層高度估測(cè)

章皖秋 岳彩榮 劉曉英

(西南林業(yè)大學(xué)西南地區(qū)生物多樣性保育國(guó)家林業(yè)局重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，云南 昆明 650224)

森林樹(shù)高的大面積估測(cè)一直是森林資源調(diào)查和林業(yè)遙感所面臨的技術(shù)難題。以云南省勐臘縣森林資源為研究對(duì)象，將DEM差分法與TerraSAR-X/TanDEM-X全極化干涉數(shù)據(jù)、地形圖相結(jié)合，用TerraSAR-X/TanDEM-X數(shù)據(jù)干涉生成各極化通道帶有森林冠層高度的DSM，從地形圖上提取地表高度DTM；對(duì)2個(gè)高度模型進(jìn)行水平位置匹配，并提出用參考面將DSM與DTM轉(zhuǎn)換為相對(duì)高度模型RDSM和RDTM，以消除高程基準(zhǔn)差異；最后對(duì)RDSM和RDTM進(jìn)行差分運(yùn)算，估測(cè)出研究區(qū)各極化通道下的森林冠層高度分布。采用森林資源二類(lèi)調(diào)查數(shù)據(jù)，對(duì)各極化通道的冠層估測(cè)高進(jìn)行了合理性驗(yàn)證。研究表明：DTM的高程基準(zhǔn)面低于DSM，平坦農(nóng)地適合作為參考面提取相對(duì)高度模型。在小班尺度上與森林資源二類(lèi)調(diào)查數(shù)據(jù)的對(duì)比顯示：各極化通道的冠層估測(cè)高與小班林分高均呈顯著的中等正相關(guān)，冠層高度估測(cè)值大小合理，人工林的估測(cè)結(jié)果略?xún)?yōu)于天然林；人工林與天然林的冠層估測(cè)結(jié)果均在主要坡度分布區(qū)間內(nèi)與小班林分高的相關(guān)性高；各極化通道的估測(cè)結(jié)果整體上沒(méi)有明顯差異。從總體上來(lái)看，基于地形圖和TerraSAR-X/TanDEM-X數(shù)據(jù)，利用DEM差分法來(lái)大面積估測(cè)森林冠層高度是一種有效可行的途徑，為輔助森林資源調(diào)查工作提供了新思路。

TerraSAR-X/TanDEM-X；干涉；DEM差分；冠層高度；森林

森林樹(shù)高是森林經(jīng)營(yíng)管理中的一個(gè)重要參數(shù)，是反映森林材積、生物量、碳儲(chǔ)量和立地質(zhì)量等的關(guān)鍵指標(biāo)。傳統(tǒng)地面測(cè)量樹(shù)高的方法雖然精度高，但費(fèi)時(shí)費(fèi)力、難以獲取大面積森林樹(shù)高信息。利用遙感技術(shù)快速獲取大面積的樹(shù)高空間分布，一直是森林調(diào)查和林業(yè)遙感面臨的技術(shù)難題，目前總體上有光學(xué)遙感立體像對(duì)法[1-3]、激光雷達(dá)測(cè)高法[4-6]、極化干涉PolInSAR技術(shù)[7-10]、DEM差分法4類(lèi)遙感技術(shù)可以反演森林樹(shù)高。其中，PolInSAR技術(shù)和DEM差分法的區(qū)別在于：PolInSAR只采用同一數(shù)據(jù)源，用主圖像的各極化通道與輔圖像的各極化通道進(jìn)行兩兩干涉，構(gòu)成極化干涉相干矩陣，解析該矩陣來(lái)實(shí)現(xiàn)森林冠層和林下地表的相位中心分離，不需要相位解纏；而DEM差分從不同數(shù)據(jù)源分別獲取DSM和DTM，干涉提取數(shù)字高度模型也只是對(duì)主、輔圖像的同類(lèi)極化通道進(jìn)行干涉，數(shù)據(jù)處理需要去除地平和解纏相位。

DEM差分法對(duì)林分級(jí)別的樹(shù)高估測(cè)精度高，應(yīng)用潛力大[11]。目前，較常見(jiàn)的方法是利用短波段的干涉影像提取的數(shù)字高程模型DEM作為DSM，長(zhǎng)波段的干涉影像提取的DEM作為DTM，用DSM與DTM的差異反演森林高度。Neeff等和Balzter等指出微波遙感估測(cè)的樹(shù)高一般與構(gòu)成林分郁閉度的那部分樹(shù)木冠層相對(duì)應(yīng)[11-12]，因此當(dāng)DEM差分法采用干涉影像運(yùn)算時(shí)，其估測(cè)樹(shù)高為林分冠層高。但是，采用星載干涉影像提取DSM或DTM時(shí)，時(shí)間去相干通常會(huì)嚴(yán)重影響干涉精度；同時(shí)，帶有冠層高度的DSM和林下地表高度的DTM的高度確定也是研究難點(diǎn)。由于DSM和DTM來(lái)源不同，二者間的水平不匹配，高程基準(zhǔn)不一致，也會(huì)影響這2種高度模型的差分精度。為解決這一問(wèn)題，有研究在單個(gè)DSM中選取林緣附近平坦區(qū)域的平均高度作為地表高度，僅從DSM中減去這個(gè)地表高度來(lái)提取林分冠層高[13-14]。Sarabandi、龐勇、Simard等[13-15]用單個(gè)DSM中的林區(qū)與無(wú)林區(qū)的高度差異來(lái)估測(cè)冠層高的方法，僅限于地形平坦區(qū)，難以應(yīng)用于地形復(fù)雜區(qū)。

德國(guó)宇航局DLR提供的雙站模式TerraSAR-X/TanDEM-X CoSSC全極化干涉數(shù)據(jù)，無(wú)時(shí)間去相干影響，衛(wèi)星軌道定位精度高，空間分辨率3 m，采用穿透率較低的X波段，利用干涉測(cè)量或立體像對(duì)等技術(shù)可從中提取精確DSM[16-17]。如Sadeghi采用TerraSAR-X/TanDEM-X數(shù)據(jù)生成森林區(qū)域的DSM，結(jié)合激光雷達(dá)獲取的DTM，成功提取了冠層高度[18]。同時(shí)費(fèi)立凡指出我國(guó)中小尺度比例尺的數(shù)字地面模型DTM可通過(guò)地形圖獲取[19]。因此，本研究嘗試用TerraSAR-X/TanDEM-X數(shù)據(jù)干涉生成帶有森林冠層高度的DSM，從基礎(chǔ)地形圖上提取地表高度DTM；對(duì)2個(gè)高度模型進(jìn)行水平幾何匹配，并用參考面將DSM與DTM轉(zhuǎn)換為相對(duì)高度模型，然后用差分運(yùn)算從兩個(gè)相對(duì)高程模型中估測(cè)出林分冠層高度；用森林資源二類(lèi)調(diào)查的小班林分高，對(duì)估測(cè)結(jié)果的合理性進(jìn)行分析。由于TerraSAR-X/TanDEM-X全極化數(shù)據(jù)具有HH、HV、VH、VV 4個(gè)極化通道，因此本研究將分別對(duì)這4個(gè)極化通道數(shù)據(jù)進(jìn)行森林冠層高度的提取和分析。

1 研究區(qū)自然概況

研究區(qū)位于云南省南端的勐臘縣境內(nèi)，中心位置為東經(jīng)101.34°，北緯21.5°，研究區(qū)面積約50 km2。勐臘縣屬北亞熱帶濕潤(rùn)季風(fēng)氣候，年平均溫度在21 ℃，年降雨量1 700 mm以上，年積溫在7 500 ℃以上。研究區(qū)內(nèi)森林覆蓋率達(dá)86.24%，郁閉度較高，主要包括天然闊葉林與人工橡膠 (Heveabrasiliensis) 林。其中，天然林以季風(fēng)常綠闊葉林、熱帶季節(jié)性雨林、熱性竹林為主，林種豐富、空間結(jié)構(gòu)復(fù)雜；天然林主要位于山地部分，通達(dá)性較差，地面調(diào)查難度較大。研究區(qū)內(nèi)海拔為480～2 023 m，坡度0°～60°。

2 研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來(lái)源

采用研究區(qū)1∶5萬(wàn)地形圖提取代表地表高度的DTM，坐標(biāo)系為西安80，20 m等高距。我國(guó)基礎(chǔ)地形圖是通過(guò)航片立體像對(duì)與地面控制點(diǎn)相結(jié)合獲取的[20]；地面控制點(diǎn)測(cè)量的是林下地面高度，經(jīng)過(guò)地面控制點(diǎn)的高程傳遞，森林冠層高度最終被壓制去除，因此地形圖體現(xiàn)的是林下地面高程。我國(guó)1∶5萬(wàn)地形圖精度令人滿(mǎn)意[21]；而中小比例尺的地形圖也可以提取數(shù)字地面模型DTM[19]。

雙站模式的TerraSAR-X/TanDEM-X CoSSC全極化干涉數(shù)據(jù)，由TSX和TDX 2顆衛(wèi)星同步獲取，因此不存在時(shí)間去相干影響。其中，全極化是指雷達(dá)同時(shí)發(fā)射和接收水平 (H) 和垂直 (V) 2種極化信號(hào)，發(fā)射與回波的極化就構(gòu)成4種回波信號(hào)：HH、HV、VH、VV[22]；全極化信號(hào)描述了地物的散射特性，各類(lèi)地物對(duì)各種極化波表現(xiàn)各異，因此不同類(lèi)型地物的全極化信號(hào)特征不一樣。在CoSSC (co-registered single look slant range complex) 格式下，主、輔圖像經(jīng)過(guò)了聚焦、帶通濾波以及亞像元級(jí)配準(zhǔn)，數(shù)據(jù)精度較高。由TerraSAR-X/TanDEM-X數(shù)據(jù)提取的DSM，空間分辨率可達(dá)12 m[16,23]，能滿(mǎn)足1∶5萬(wàn)地形圖測(cè)圖需要[20]。研究區(qū)數(shù)據(jù)獲取時(shí)間為2015年12月，Stripmap掃描，空間有效基線(xiàn)134 m，平均入射角由近距31.86°至遠(yuǎn)距33.34°，高度模糊數(shù)43.85，最佳標(biāo)稱(chēng)空間分辨率2.13 m。研究區(qū)內(nèi)山體主要呈東西走向，與微波斜距向基本一致，因此影像的疊掩、陰影現(xiàn)象并不嚴(yán)重。

研究采用2006年勐納縣森林資源二類(lèi)調(diào)查數(shù)據(jù)對(duì)冠層高估測(cè)結(jié)果進(jìn)行合理性驗(yàn)證。由于微波數(shù)據(jù)與森林資源二類(lèi)調(diào)查數(shù)據(jù)的時(shí)間跨度較大，無(wú)法用二類(lèi)調(diào)查數(shù)據(jù)來(lái)檢驗(yàn)估測(cè)結(jié)果的數(shù)值精確性。但研究區(qū)森林類(lèi)型主要為成熟的天然林與橡膠林，樹(shù)高生長(zhǎng)緩慢，人為干擾較小，因此可在小班尺度上，分析冠層估測(cè)高與二類(lèi)調(diào)查數(shù)據(jù)的小班林分高的相關(guān)度，來(lái)檢驗(yàn)估測(cè)結(jié)果的合理性。在剔除非林地和信息不全的小班后，研究區(qū)主要包括122個(gè)人工林小班 (以橡膠林為主)，165個(gè)天然林小班，見(jiàn)圖1。

圖1 人工林與天然林小班

Fig.1 The selected plots of natural and planted forest

根據(jù)干涉SAR的DEM差分法，選擇合適的入射波長(zhǎng)和極化特征，干涉相干提取散射相位中心，就能得到森林特定位置的高度；如果能提取出帶有冠層高度的DSM和代表林下地表高度的DTM，二者之差就代表了森林冠層高度CHM (canopy height model)，見(jiàn)圖2。

圖2 干涉SAR的DEM差分法

Fig.2 DEM difference of interferometric SAR

2.2 DTM與DSM獲取

數(shù)字化1∶5萬(wàn)地形圖，提取出地面高度的DTM[24]，空間分辨率設(shè)置為25 m[25]。用干涉InSAR (interferometric SAR) 技術(shù)從TerraSAR-X/TanDEM-X CoSSC數(shù)據(jù)中提取4個(gè)極化通道下的DSM：HH_DSM，HV_DSM，VH_DSM，VV_DSM；空間分辨率25 m。InSAR技術(shù)采用空間分離的兩個(gè)位置對(duì)同一地區(qū)進(jìn)行SAR成像，估計(jì)2幅復(fù)數(shù)圖像對(duì)應(yīng)像素之間的干涉相位差來(lái)提取散射體的高度[26]。由于TerraSAR-X/TanDEM-X CoSSC數(shù)據(jù)的主、輔圖像間已精確配準(zhǔn)；根據(jù)常規(guī)InSAR流程，數(shù)據(jù)處理直接從干涉相位提取開(kāi)始，然后采用自適應(yīng)濾波消除干涉相位中的加性噪聲，計(jì)算相干性，根據(jù)成像幾何計(jì)算并去除平地相位，研究采用了最小費(fèi)用流法進(jìn)行相位解纏，利用地面控制點(diǎn)校正絕對(duì)相位，然后地理編碼輸出數(shù)字高程模型。最終，從TerraSAR-X/TanDEM-X數(shù)據(jù)中提取出4個(gè)極化通道下的DSM。因?yàn)門(mén)erraSAR-X/TanDEM-X數(shù)據(jù)的空間分辨率一般為3 m，其DEM商業(yè)產(chǎn)品空間分辨率為12 m[28]，因此該數(shù)據(jù)具備提取25 m空間分辨率DSM的條件，與DTM一致。

相位中心是干涉技術(shù)的核心，因此HH、HV、VH、VV 4種極化通道干涉結(jié)果的主要區(qū)別在于提取的相位中心位置不同。在森林等可穿透區(qū)，4種極化通道的干涉相位中心對(duì)應(yīng)于森林垂直結(jié)構(gòu)的不同部位[28]，具體位置與森林結(jié)構(gòu)和散射機(jī)制相關(guān)；在城市建筑等無(wú)法穿透區(qū)，4種極化的相位中心則與地面結(jié)構(gòu)相關(guān)。由于X波段較短，回波信號(hào)主要來(lái)自于與其波長(zhǎng)大致相同的葉片、枝條等目標(biāo)，即森林冠層體散射[12]，因此TerraSAR-X/TanDEM-X的4個(gè)極化通道的DSM分別對(duì)應(yīng)于森林冠層的某特定位置。

2.3 DSM與DTM的水平幾何匹配

水平幾何精確匹配是數(shù)字高程模型之間代數(shù)運(yùn)算的前提。本研究采用Ni的DEM匹配方案[29]：分別模擬出DSM與DTM在相同照射條件下的局部入射角余弦圖，在2個(gè)模擬圖之間自動(dòng)匹配地面控制點(diǎn)，然后利用局域仿射變換對(duì)DSM與DTM進(jìn)行幾何匹配。

2.4 相對(duì)數(shù)字高程模型提取及差分

統(tǒng)一高程基準(zhǔn)面是2種DEM對(duì)比分析的前提[30]。我國(guó)西安80坐標(biāo)系的地形圖采用平面投影坐標(biāo)系，IAG 75橢球體，黃海平均海面為高程起算點(diǎn)；而TerraSAR-X/TanDEM-X數(shù)據(jù)干涉測(cè)量的DSM采用地心坐標(biāo)系WGS84，以WGS84橢球面為高程基準(zhǔn)。由于缺乏兩種坐標(biāo)系間的轉(zhuǎn)換參數(shù)，無(wú)法將DSM和DTM的高度值嚴(yán)格統(tǒng)一到黃海海平面或者WGS84橢球上。DTM與DSM的高度起算基準(zhǔn)不一樣，將無(wú)法直接差分運(yùn)算。采用公式 (1) 的Δdh可以檢查2種數(shù)字高度模型的高度基準(zhǔn)是否存在差異。對(duì)于同一區(qū)域而言，若2種數(shù)字高度模型的高度起算點(diǎn)一致，則區(qū)域的整體平均DSM減去整體平均DTM的差值Δdh應(yīng)該為正，且不大于正常樹(shù)高的范圍。若Δdh為正、且遠(yuǎn)大于正常樹(shù)高范圍，說(shuō)明DSM的高度值起算面低于DTM，使得同一坐標(biāo)位置上的DSM高度值過(guò)大。若Δdh為負(fù)，說(shuō)明DSM的高度值的起算面高于DTM，使得同一坐標(biāo)位置上的DSM高度值過(guò)小，DTM的數(shù)值就會(huì)大于DSM的值。因此，若Δdh為正且過(guò)大，或者為負(fù)，均說(shuō)明DSM與DTM的高度基準(zhǔn)面不一樣，二者不能直接差分運(yùn)算。

(1)

本研究采用提取相對(duì)高程的方法，在不考慮局部區(qū)域地面曲率的前提下，間接統(tǒng)一DSM和DTM的高度起算點(diǎn)。在DSM與DTM上選擇一塊平坦、空曠的非林地，以該點(diǎn)在DSM和DTM的高度為參考 (即零基準(zhǔn))，分別提取DSM和DTM的針對(duì)該點(diǎn)的相對(duì)高程模型：RDSM和RDTM。RDSM和RDTM從相同位置開(kāi)始起算地物高度，高度基準(zhǔn)一致，因此可進(jìn)行高度對(duì)比分析。統(tǒng)一高程起算面并不會(huì)改變各數(shù)字地面模型內(nèi)地物的高度含義，因此在森林區(qū)域的RDSM與RDTM之差即為冠層高度。

(4)

3 結(jié)果與分析

3.1 DSM與DTM

對(duì)DTM與4個(gè)極化的DSM進(jìn)行水平幾何匹配，統(tǒng)計(jì)DTM、各極化DSM的高度分布，結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 DSM與DTM的高程值分布

由表1可知，各極化DSM的高度范圍與均值都略有不同，這是由于各極化波在不同地面區(qū)域的穿透率不同，4種極化信號(hào)的相位中心在不同地表區(qū)的高度就會(huì)產(chǎn)生差異[13]。根據(jù)云南省測(cè)繪局，西雙版納地區(qū)的西安80與WGS84 2種坐標(biāo)系的高程異常值在30 m左右；由于DSM帶有森林高度，會(huì)抵消一部分高度差值，因此2種高度模型的Δdh絕對(duì)值在25.0～26.5 m均屬于正常范圍。表1中的Δdh均為負(fù)值，說(shuō)明研究區(qū)的平均地面高度大于平面表面高度，即DTM的高度起算點(diǎn)低于DSM的高度起算點(diǎn)，DTM與DSM不能直接差分運(yùn)算，需要尋找參考面統(tǒng)一計(jì)量高程。

3.2 林分冠層高估測(cè)結(jié)果

選取農(nóng)地參考面在DTM、DSM上的高度統(tǒng)計(jì)結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 參考面內(nèi)DSM與DTM高程值差異

由表2可知，參考面的DTM均值高于各極化DSM均值，即同一區(qū)域在DTM上的高度大于該區(qū)域DSM上的高度，說(shuō)明DTM的高程基準(zhǔn)低于DSM。農(nóng)地上植被層低矮，各極化波對(duì)植被與土壤的地表結(jié)構(gòu)的穿透率差異小，各極化的散射相位中心位置接近；表2也顯示出農(nóng)地參考面在4個(gè)極化DSM上的均值都差不多，在598 m左右。

根據(jù)表2中的Δh，按照公式 (3) 估測(cè)出的各極化下研究區(qū)森林冠層高度CHM，見(jiàn)圖3。

圖3 4個(gè)極化通道下的林分估測(cè)冠層高度

Fig.3 The estimated forest canopy height model under 4 polarization channel

在圖3中，各極化的冠層高度估測(cè)結(jié)果CHM的空間分布格局相似。圖3中各圖右下側(cè)的冠層高估測(cè)結(jié)果基本為0，與勐臘縣城相對(duì)應(yīng)；有樹(shù)冠高度分布的區(qū)域主要為縣城西側(cè)的山體部分，這與天然林主要分布在山地部分的實(shí)際情況相符。少量城市區(qū)域估測(cè)為負(fù)值，這是因?yàn)槌菂^(qū)建筑在側(cè)視微波影像上容易構(gòu)成疊掩與陰影，在常規(guī)InSAR提取DSM中容易造成相位解纏誤差或無(wú)法解纏[31]，使部分建筑區(qū)在DSM上的高度有誤，從而估測(cè)出冠層高度負(fù)值[32]。對(duì)比圖3中各圖的左半部分發(fā)現(xiàn)，HH、HV與VV極化估測(cè)的森林冠層高分布呈現(xiàn)一定的地形特征，而VH極化的CHM沒(méi)有這一現(xiàn)象。

3.3 估測(cè)合理性分析

研究區(qū)內(nèi)天然林與橡膠林為成熟林，樹(shù)高生長(zhǎng)緩慢，因此可采用森林資源二類(lèi)調(diào)查數(shù)據(jù)，在小班尺度上分析估測(cè)高度的數(shù)據(jù)分布趨勢(shì)是否合理。通常，二類(lèi)調(diào)查數(shù)據(jù)中的小班林分樹(shù)高對(duì)應(yīng)的是小班內(nèi)出現(xiàn)頻率最大的樹(shù)高；因此，對(duì)估測(cè)結(jié)果按照小班邊界取眾數(shù)平均，獲得小班尺度上的冠層估測(cè)高。

在小班尺度上，對(duì)比了122個(gè)人工林小班、165個(gè)天然林小班的小班林分高與冠層估測(cè)高之間的均方根誤差RMSE與0.01顯著水平上的相關(guān)系數(shù) (R)，結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 二調(diào)小班林分高與冠層估測(cè)高的均方根誤差與相關(guān)系數(shù)

由表3可以看出：在RMSE方面，小班林分樹(shù)高與冠層估測(cè)高的平均差異為3～5 m；人工林中HH極化估測(cè)結(jié)果的RMSE最小，天然林中HH與VH估測(cè)結(jié)果的RMSE較小。在相關(guān)系數(shù)方面，小班林分樹(shù)高與各極化冠層估測(cè)高呈0.45～0.58的中等顯著正相關(guān)，即冠層估測(cè)高的數(shù)據(jù)分布與二調(diào)小班林分樹(shù)高有一定相似性；天然林區(qū)各極化估測(cè)結(jié)果與小班林分樹(shù)高的相似性在0.47左右，人工林區(qū)各極化估測(cè)結(jié)果與小班林分樹(shù)高的相似性在0.56左右；人工林的估測(cè)效果略?xún)?yōu)于天然林。各極化通道對(duì)比顯示，無(wú)論是RMSE還是相關(guān)系數(shù) (R)，各極化估測(cè)的冠層高度與二調(diào)小班林分樹(shù)高的差異性都在一個(gè)數(shù)量水平；僅HH極化估測(cè)的效果整體略?xún)?yōu)。

122個(gè)人工林、165個(gè)天然林小班的二調(diào)林分高與各極化的冠層估測(cè)高的散點(diǎn)圖見(jiàn)圖4～5。

圖4 122個(gè)人工林小班林分高與4個(gè)極化的冠層估測(cè)高散點(diǎn)圖

Fig.4 The scatter plots of the 4 polarization estimated canopy height and the height of inventory on 122 planted forest plots

圖5 165個(gè)天然林小班林分高與4個(gè)極化的冠層估測(cè)高散點(diǎn)圖

Fig.5 The scatter plots of the 4 polarization estimated canopy height and the height of inventory on 165 natural forest plots

由于二類(lèi)調(diào)查數(shù)據(jù)僅能對(duì)估測(cè)高度進(jìn)行數(shù)據(jù)分布趨勢(shì)驗(yàn)證，因此不進(jìn)行回歸方程擬合，僅顯示二者間的線(xiàn)性趨勢(shì)。從圖4～5散點(diǎn)分布可看出，二調(diào)小班林分樹(shù)高與各極化冠層估測(cè)值均呈現(xiàn)一定的線(xiàn)性趨勢(shì)。其中122個(gè)人工林小班的林分樹(shù)高為5.1～17.3 m，而對(duì)應(yīng)的冠層估測(cè)高主要分布在8～23 m；165個(gè)天然林小班的林分樹(shù)高為11.1～31.9 m，而冠層估測(cè)高主要分布在10～27 m；可見(jiàn)，冠層估測(cè)高與二調(diào)樹(shù)高大致在一個(gè)區(qū)間，考慮到樹(shù)高的緩慢生長(zhǎng)，可認(rèn)為估測(cè)結(jié)果具有一定合理性。

按照地表坡度，統(tǒng)計(jì)了人工林、天然林小班在各坡度區(qū)間內(nèi)的分布面積比例 (Ps)，以及各坡度區(qū)間內(nèi)的冠層估測(cè)高與小班林分樹(shù)高的相關(guān)系數(shù) (R)，結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 各級(jí)坡度上冠層估測(cè)高與二調(diào)小班林分高的相關(guān)性

表4統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明，63.87%的人工林出現(xiàn)在0°～20°區(qū)域，55.54%的天然林出現(xiàn)在20°～60°區(qū)域，即這2個(gè)坡度區(qū)間分別是人工林、天然林的主要分布區(qū)。人工林4個(gè)極化通道的冠層高估測(cè)與小班林分高的最高相關(guān)出現(xiàn)在0°～20°區(qū)間，而天然林4個(gè)極化通道的冠層高估測(cè)與小班林分高的最高相關(guān)出現(xiàn)在20°～60°區(qū)間；恰好與它們各自的主要分布區(qū)相對(duì)應(yīng)。這一現(xiàn)象說(shuō)明，小班尺度上的冠層高估測(cè)值在天然林與人工林的主要坡度分布區(qū)上更合理一些。在同一坡度區(qū)間內(nèi)，相關(guān)系數(shù)在各極化間的差異并不大。

4 結(jié)論與討論

本研究顯示：1) DTM的高程基準(zhǔn)面低于DSM，而平坦農(nóng)地在各極化通道上的干涉高程值差異不大，適合作為參考面提取相對(duì)高度模型RDSM和RDTM，從而統(tǒng)一高度基準(zhǔn)。2) 由于沒(méi)有同步外業(yè)調(diào)查的真實(shí)樹(shù)高，采用森林資源二類(lèi)調(diào)查數(shù)據(jù)的小班林分高，對(duì)冠層估測(cè)高進(jìn)行了合理性驗(yàn)證，結(jié)果顯示，各極化通道的冠層估測(cè)高與小班林分樹(shù)高均呈中等程度的顯著正相關(guān)，冠層估測(cè)高度大小合理，人工林的估測(cè)結(jié)果優(yōu)于天然林。3) 由于X波段穿透率低，各極化通道在森林區(qū)域的穿透率雖然不一樣，但相位中心位置差異不會(huì)太大，因此各極化通道的估測(cè)結(jié)果整體上沒(méi)有明顯差異。4) 按照坡度分級(jí)分析，人工林主要分布在0°～20°的平坦區(qū)，天然林主要分布在20°～40°的山體上，人工林與天然林冠層估測(cè)結(jié)果均在各自主要坡度區(qū)間內(nèi)與小班林分高的相關(guān)性最高。

驗(yàn)證數(shù)據(jù)顯示，估測(cè)的總體精度不高的原因可歸結(jié)于：1) TerraSAR-X/TanDEM-X數(shù)據(jù)與二類(lèi)調(diào)查數(shù)據(jù)時(shí)間間隔較長(zhǎng)，樹(shù)木生長(zhǎng)變化后的估測(cè)結(jié)果不可能與10年前的調(diào)查高度相似，且二類(lèi)調(diào)查數(shù)據(jù)本身也可能存在誤差。2) 干涉計(jì)算中相位解纏與相位轉(zhuǎn)高程的處理，會(huì)一定程度影響DSM的精度，進(jìn)而影響冠層估測(cè)結(jié)果；若能采用更加精確InSAR算法，將會(huì)提高冠層高估測(cè)的準(zhǔn)確性。3)DSM與DTM的配準(zhǔn)也會(huì)影響估測(cè)的準(zhǔn)確性；本研究采用了局域仿射變換來(lái)校準(zhǔn)DSM與DTM的水平位置，依然不能確保完全匹配；HH、HV、VV極化的冠層估測(cè)CHM出現(xiàn)地形特征，需要進(jìn)一步分析其原因[23]。

致謝：感謝德國(guó)宇航中心DLR 的Science Phase Announcement of Opportunity對(duì)研究計(jì)劃XTI_VEGE6852的支持，提供了實(shí)驗(yàn)區(qū)的雙站模式TanDEM-X全極化干涉數(shù)據(jù)。

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(責(zé)任編輯 曹 龍)

Forest Canopy Height Estimation from TerraSAR-X/ TanDEM-X InSAR DEM

Zhang Wanqiu, Yue Cairong, Liu Xiaoying

(Key Laboratory of Biodiversity Conservation in Southwest China, State Forestry Administration,Southwest Forestry University, Kunming Yunnan 650224, China)

Estimating forest height in large region are challenging forest investigation and forest remote sensing. This paper investigated the possibility of estimating forest canopy height from TerraSAR-X/TanDEM-X polarimetric and interferometric data and topographic map in the forest of Mengla in Yunnan, China. The TerraSAR-X/TanDEM-X data was interfered to produce four polarimetric digital surface model (DSM), which contained forest canopy height. Meanwhile, the digital terrain model (DTM) was extracted from the topographic map. After horizontally co-registering DTM with each polarimetric DSM, the relative height models were separately computed from DTM and each polarimetric DSM as RDSM and RDTM by referring to the same flat non-forest plot. Then forest canopy height was estimated from the difference between RDTM and each polarimetric RDSM, and it finally produced four forest canopy height estimations. Forest inventory height was used to validate the reasonability of these estimated canopy heights. The result showed that the elevation datum of DTM was lower than that of DSM, and a flat agriculture plot could be used as the reference surface to extract RDSM and RDTM. Comparison to the forest inventory record showed that, on the plot scale, there were some significant positive correlation between the estimated canopy heights and the inventory height, and the estimated height value was reasonable. It was also found that the estimation on planted forest was a bit better than on natural forest. The correlation between the estimated canopy height and the inventory record was higher on the certain slope surface where natural forest and planted forest were mainly distributed. And there was no significant difference among the estimated heights from the four polarization channels. The result suggests that DEM difference between RDSM from TerraSAR-X/TanDEM-X data and RDTM from topographic map could provide an effective tool to measure forest canopy height in large areas.

TerraSAR-X/TanDEM-X, interferometry, DEM difference, canopy height, forest

10. 11929/j. issn. 2095-1914. 2016. 06. 011

2016-06-29

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目 (31260156) 資助；德國(guó)DLR TanDEM-X Science Phase計(jì)劃資助 (XTI_VEGE6852)；西南林業(yè)大學(xué)云南省省級(jí)重點(diǎn)學(xué)科 (林學(xué)) 資助；云南省林學(xué)一流學(xué)科建設(shè)經(jīng)費(fèi)資助。

岳彩榮 (1964—)，男，博士，教授，博士生導(dǎo)師。研究方向：林業(yè)遙感與GIS。Email: cryue@163.com。

S771.5

A

2095-1914(2016)06-0064-09

第1作者：章皖秋 (1979—)，女，博士生，講師。研究方向：森林經(jīng)理學(xué)、林業(yè)遙感。Email: wanqiu_mou@hotmail.com。