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森林是重要的环境资源,是陆地上面积最大、分布最广、组成结构最复杂、物质资源最丰富的生态系统。随着全球变化和碳循环研究的日益深入,也迫切需要大范围更为细致的森林参数。正是由于森林的重要性、森林资源分布的广泛性和森林生态系统的复杂性,森林资源的调查和监测迫切需要遥感技术提供定性和定量的数据。本论文围绕这一目的,开展了星载干涉合成孔径雷达和激光雷达定量提取森林参数的研究,研究了地面参考数据与遥感数据的复合方法、针对森林蓄积量反演的星载干涉合成孔径雷达数据的处理方法、针对树高反演的星载激光雷达数据处理方法,并利用理论模型模拟了这两类主动遥感技术数据的特点和与森林参数、环境参数的关系,提出了校正的方法。
主要研究内容与创新点包括:
(1)森林资源调查数据与遥感数据的复合
通过对遥感数据的地理位置精度和森林资源数据的位置精度的分析,提出了常规森林资源调查数据(面状数据和点状数据)与遥感数据复合的方法。对于点状数据通过计算一定窗口内遥感数据的算术平均值和标准差,然后进行筛选的方法;对于面状数据提出了首先通过计算分维数进行“规则多边形”的选取,然后基于腐蚀运算对多边形进行收缩处理,从而实现对面状数据区划时的边界误差和遥感数据几何位置误差的改正。利用实际森林资源调查数据和遥感数据验证了本方法的有效性。从而保证了更好地利用森林调查数据进行反演模型的训练和反演结果的验证。
(2)近似无偏的自适应窗口干涉相干性估计
分析了干涉相干性的估计方法及影响因素,实现了综合强度图像纹理和相干性初始估计的自适应窗口估计方法,从而可以对整幅图像范围内相干性进行近似无偏的估计。
(3)干涉测量土地利用影像合成及其林业应用
对重轨雷达干涉中多种去相干因素产生的原因和纠正方法进行了分析,改进了干涉测量土地利用影像合成策略,经检验对灌木和草地的分类有了较大改善。
(4)干涉相干性图像反演中纬度地区森林蓄积量/生物量
结合C波段森林后向散射机制分析了重轨干涉森林相干性模型,在此基础上,对东北三大林区的4个典型试验区进行了干涉相干处理,使用干涉水云模型(IWCM)方法和统计方法进行了蓄积量反演试验,反演结果与二类调查的结果较为一致。验证了冬季ERS-1/2tandemSAR干涉相干性图像在中纬度地区(我国东北)反演森林蓄积量/生物量的适用性。
(5)三维激光雷达森林回波模型
基于三维激光雷达森林回波模型模拟了GLAS的森林回波波形,表明GLAS数据可以用于森林高度的反演。利用理论模型分析了树木分布模式、地形、冠形对激光雷达森林回波信号的影响,并利用实际的GLAS波形数据进行了验证,提出了纠正这些影响的方法。
(6)GLAS波形数据处理和森林参数反演
研究了GLAS波形数据处理的方法和波形关键参数的计算方法。在此基础上,利用实测数据建立了基于模型的回归方程,进行了我国东北地区的森林高度反演。在样地、林分和区域三个尺度上对反演的结果进行了验证,证实了GLAS数据反演的树高结果与地面调查数据及基于光学数据得到的土地覆盖类型较为一致。