高轨SAR垂直向非均匀植被冠层后向散射系数模拟方法技术

本发明专利技术是有关于一种高轨SAR垂直向非均匀植被冠层后向散射系数模拟方法，包括以下步骤：确定植被冠层组件的种类；确定各种类植被组件体密度的垂直向分布函数；计算双矩阵算法中的薄层后向散射矩阵；计算植被冠层的后向散射系数。本发明专利技术将植被冠层组件体密度垂直向分布函数引入双矩阵算法进行后向散射系数模拟，为模拟植被冠层垂直向非均匀性对后向散射系数造成的影响研究提供了途径，尤其适用于高轨SAR观测。

Simulation method of vertical backscattering coefficient of heterogeneous vegetation canopy for high rail SAR

The invention relates to a high orbit SAR vertical inhomogeneous canopy backscattering coefficient simulation method comprises the following steps: determining the types of vegetation canopy components; determine the various types of vegetation component density vertical distribution function; calculation of thin double matrix algorithm in the backward scattering matrix; calculate the vegetation canopy after scattering coefficient. The vegetation canopy component density vertical distribution function of double matrix algorithm for backscattering coefficient simulation, simulation of vegetation canopy vertical effects of backscattering coefficient caused by non-uniform provides a way, especially suitable for high orbit observation SAR.

【技术实现步骤摘要】
高轨SAR垂直向非均匀植被冠层后向散射系数模拟方法
本专利技术涉及植被雷达遥感观测研究领域，特别是涉及一种高轨SAR垂直向非均匀植被冠层后向散射系数的模拟方法。
技术介绍
植被冠层后向散射系数模拟技术被用于解释雷达电磁波与植被冠层的相互作用，可辅助于开发植被冠层参数反演技术，开展基于雷达遥感的植被空间观测技术研究。目前的植被冠层后向散射系数数值计算模型多假设植被冠层为垂直向均匀，缺少对于植被冠层垂直向非均匀性的刻画。但是，自然界中的植被冠层存在着广泛的垂直向非均匀性，均匀性假设限制了植被后向散射系数模型用于理论分析的能力，无法对微波电磁波与植被的相互作用机理做出准确的解释。由此可见，上述现有的植被冠层后向散射系数模拟方法在方法与使用上，显然仍存在有不便与缺陷，而亟待加以进一步改进，尤其是利用高轨合成孔径雷达(SyntheticApertureRadar,SAR)进行观测时，由于其位于高度360000km的地球同步轨道，对植被垂直向不均匀性的观测提出了更高的要求。因此，如何能创设一种新的可以刻画植被冠层垂直向非均匀性的后向散射系数数值模拟方法是当前本领域的重要研发课题之一。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题是提供一种高轨SAR垂直向非均匀植被冠层后向散射系数模拟方法，使其为使用高轨SAR进行植被观测时校正、去除或分析植被的垂直向不均匀性提供了途径，从而克服现有的植被冠层后向散射系数模拟方法的不足。为解决上述技术问题，本专利技术一种高轨SAR垂直向非均匀植被冠层后向散射系数模拟方法，包括以下步骤：确定植被冠层组件的种类；确定各种类植被组件体密度的垂直向分布函数Nj(h)；计算双矩阵算法中的薄层后向散射矩阵；基于双矩阵算法计算植被冠层的后向散射系数。其中，双矩阵算法中的薄层后向散射矩阵S与前向散射矩阵T的计算公式为：式中：θi为入射角，θs为散射角，为入射方位角，为散射方位角，U-1为对角矩阵，矩阵元素为散射方向的余弦，P为双站散射相矩阵，由入射电磁场与植被组件的形态结构、介电特性等决定，h为植被组件在冠层中的位置，Δz为每一薄层厚度，N为单位薄层体积内的植被冠层组件密度，n为植被冠层组件的种类个数，j表示第j类植被冠层组件。所述的植被冠层组件的种类范围包括叶片、茎杆、枝条、果实或花朵等。所述的计算植被冠层的后向散射系数包括以下步骤：计算上下两个微小薄层构成的厚度为2Δz的薄层的后向散射矩阵S′与前向散射矩阵T′；重复上述计算得到需要厚度的介质层的后向散射矩阵S0；计算后向散射系数σ0；其中，后向散射矩阵S′与前向散射矩阵T′的计算公式为：后向散射系数的计算公式为：σ0＝4πS0式中，S1为第一层的后向散射矩阵，T1为第一层的前向散射矩阵，S2为第二层的后向散射矩阵，T2为第二层的前向散射矩阵，*表示入射方向反向入射时的后向及前向散射矩阵。采用这样的设计后，本专利技术将植被冠层中各种类植被组件的体密度垂直向分布函数引入双矩阵算法进行后向散射系数模拟，为模拟植被冠层垂直向非均匀性对后向散射系数造成的影响研究提供了途径，尤其适用于高轨模式下SAR卫星对植被目标的观测。附图说明上述仅是本专利技术技术方案的概述，为了能够更清楚了解本专利技术的技术手段，以下结合附图与具体实施方式对本专利技术作进一步的详细说明。图1是本专利技术高轨SAR垂直向非均匀植被冠层后向散射系数模拟方法的步骤流程示意图。图2是在高轨SAR观测模式下建模空间内定义的体密度Nj与植被冠层内部空间定义的体密度μj示意图。图3是本专利技术利用双矩阵算法计算相邻两个薄层对于单位入射能量的多次散射过程。图4是本专利技术进行模拟实验的锥体冠层示意图。图5是本专利技术进行模拟实验时，同一理想冠层分别在垂直向均匀和垂直向非均匀假设下的VV极化后向散射系数模拟结果。具体实施方式请参阅图1所示，本专利技术一种高轨SAR垂直向非均匀植被冠层后向散射系数模拟方法的主要步骤包括确定植被冠层组件的种类，确定植被组件体密度垂直向分布函数，根据确定的垂直向分布函数计算双矩阵算法中的薄层散射矩阵，以及计算植被冠层的后向散射系数。具体来说，首先，确定植被冠层中植被组件的种类。植被组件指离散型微波散射模型中计算散射矩阵的最小单元，种类包括叶片、茎杆、枝条、果实、花朵等。其次，确定各种类植被组件第一类体密度的垂直向分布函数。植被组件各种类体密度指单位体积内该种类植被组件的数量，单位为“个每立方米”或“个每立方分米”等。由于体密度会因为测量空间的不同发生变化，对本专利中涉及两种体密度Nj与μj需要加以区分。请参阅图2所示，其中前者Nj表示在SAR卫星观测模式下，散射模型建模空间内的第j类冠层组件的体密度，后者μj表示冠层空间内部第j类植被组件的体密度。为简便记，本专利中Nj称为第一类体密度，μj称为第二类体密度。本步实施方式中“确定各种类植被组件体密度的垂直向分布函数”中的“体密度”指第一类体密度Nj。记冠层内第j类植被组件的第一类体密度垂直向分布函数为Nj(h),其中h表示冠层内植被组件在高度向上的位置变量，冠层底部h＝0，记冠层厚度为H，则冠层最高处有h＝H。Nj(h)可采用四种确定方法：(1)实地测量。通过实地测量冠层内各种类植被组件在各高度上的数量，除以建模空间体积，得到冠层内各种类植被组件第一类体密度的垂直向分布函数；(2)生长模型。可以通过三维植物生长模型，得到同种植物的虚拟冠层，根据虚拟冠层中各种类植被组件的位置得到冠层内各种类植被组件第一类体密度的垂直向分布函数；(3)等效代替。通过其他变量的垂直向分布函数代替冠层内各种类植被组件体密度的垂直向分布函数，例如NDVI(NormalizedDifferentialVegetationIndex，归一化植被指数)等；(4)理论假设。有时为了简易地获得冠层内各种类植被组件第一类体密度的垂直向分布函数，也可以根据经验直接给出Nj(h)的具体函数形式，例如Nj(h)＝1000*(10-h)h∈[0,10]。再次，根据确定的垂直向分布函数计算双矩阵算法中的薄层散射矩阵。即将确定的冠层内各种类植被组件体密度的垂直向分布函数Nj(h)纳入双矩阵算法框架中。双矩阵算法中，首先将冠层等分为一系列薄层，每一薄层厚度为Δz，记P为该薄层单次散射相位矩阵，则对于垂直向均匀的冠层，其后向与前向散射矩阵S与T可表达为：S(θs,θi,φs-φi)＝U-1P(θs,θi,φs-φi)ΔzT(θt,θi,φt-φi)＝U-1P(θt,θi,φt-φi)Δz其中，θi为入射角；θs为散射角；为入射方位角；为散射方位角；U-1为对角阵，元素为散射方向的余弦；n是植物组件的种类个数；是植被冠层中第j种植被组件在h处的薄层中的第一类平均体密度，单位为个，在垂直向均匀的冠层中为常数。的测量较为简单，可以测量冠层内单位体积内第j类植物组件的数量M，从而有其中V是冠层的总体积。也可由Nj(h)计算得到，两者的关系为：改写后的垂直向非均匀冠层的后向与前向散射矩阵计算公式为：通过改写后的方程将各种类植被冠层组件体数量的垂直向分布函数Nj(h)纳入了双矩阵算法框架中，与植被冠层散射矩阵建立了关系。最后，基于双矩阵算法计算植被冠层的后向散射系数。此计算过程可通过现有的植被后向散射系数模型实现。请参阅图3所示本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种高轨SAR垂直向非均匀植被冠层后向散射系数模拟方法，其特征在于包括以下步骤：确定植被冠层组件的种类；确定各种类植被组件体密度的垂直向分布函数N

【技术特征摘要】
1.一种高轨SAR垂直向非均匀植被冠层后向散射系数模拟方法，其特征在于包括以下步骤：确定植被冠层组件的种类；确定各种类植被组件体密度的垂直向分布函数Nj(h)；计算双矩阵算法中的薄层后向散射矩阵S与前向散射矩阵T；计算植被冠层的后向散射系数；其中，双矩阵算法中的薄层后向散射矩阵S与前向散射矩阵T的计算公式为：T(θt,θi,φt-φi)＝U-1P(θt,θi,φt-φi)Δz式中：θi为入射角；θs为散射角；为入射方位角；为散射方位角；U-1为对角阵，元素为散射方向的余弦；P为双站散射相矩阵；h为植被组件在冠层中的位置；Δz为每一薄层厚度；N为单位薄层体积内的植被冠层组件密度；n为植被冠层组件的种类个数，j表示第j类植被冠层组件。2.根据权利要求1所述的高轨SAR垂直向非均匀植被冠层后向散射系数模拟方法，其特征在于所述的植被冠层组件的种类为叶片、茎杆、枝条、果实或花朵。3.根据权利要求1所述的高轨SAR垂直向非均...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘龙，李素菊，谢酬，聂娟，邵芸，杨思全，徐丰，和海霞，
申请(专利权)人：中国科学院遥感与数字地球研究所，民政部国家减灾中心，
类型：发明
国别省市：北京,11