合成孔徑雷達(dá)遙感在林業(yè)中的應(yīng)用

劉琦

合成孔徑雷達(dá)（SAR）具有極化和干涉兩方面特性，對(duì)地物的紋理特征和位置信息十分敏感，在地類判別、森林測(cè)高、蓄積量估測(cè)等方面具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，有效支持大范圍的森林資源調(diào)查，為輔助林業(yè)綠色發(fā)展提供數(shù)據(jù)來(lái)源和參考依據(jù)。

1 合成孔徑雷達(dá)的特點(diǎn)

SAR以電磁波1毫米至1米的微波作為工作波段，采用側(cè)視成像方式，主動(dòng)發(fā)射電磁脈沖信號(hào)并接受目標(biāo)地物回波，從而獲取地物的影像特征和理化參數(shù)。其最大的特點(diǎn)是采用主動(dòng)成像方式，波段穿透性強(qiáng)，相比常見(jiàn)的快鳥(niǎo)（Quickbird）等可見(jiàn)光遙感技術(shù)，具有全天時(shí)、全天候、不受云霧雨雪等極端氣象條件影響的優(yōu)勢(shì)，在自然災(zāi)害應(yīng)急遙感、冰雪覆蓋地區(qū)探測(cè)以及我國(guó)南方夏季陰雨季節(jié)的國(guó)土遙感監(jiān)測(cè)等方面發(fā)揮出重要作用。以ALOS-2、Radarsat-2和TerraSAR-X為代表的一批先進(jìn)SAR傳感器，采用多個(gè)極化通道，不同極化方式與同一分辨單元會(huì)產(chǎn)生差異性的作用，從而提取出更多有關(guān)地物結(jié)構(gòu)的物理參數(shù)。同時(shí)，SAR干涉測(cè)量基于雷達(dá)側(cè)視成像的原理實(shí)現(xiàn)了目標(biāo)地物的測(cè)距，結(jié)合衛(wèi)星星歷數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)了大范圍的地形測(cè)繪成果和地形結(jié)構(gòu)形變監(jiān)測(cè)。

2 合成孔徑雷達(dá)在林業(yè)中的應(yīng)用

森林是陸地上最大的生態(tài)系統(tǒng)，在維持全球碳循環(huán)平衡和減緩溫室效應(yīng)等方面起到了至關(guān)重要的作用。根據(jù)國(guó)家林業(yè)局相關(guān)要求，到2035年我國(guó)將初步實(shí)現(xiàn)林業(yè)現(xiàn)代化，森林覆蓋率由目前的21.7%提高至26.0%，蓄積量力爭(zhēng)達(dá)到210億立方米。掌握森林資源總體情況是制定林業(yè)綠色發(fā)展指標(biāo)的依據(jù)，基于地面的森林資源調(diào)查的傳統(tǒng)方式會(huì)大量耗費(fèi)人力物力，以森林資源規(guī)劃設(shè)計(jì)調(diào)查（二類調(diào)查）為例，每10年開(kāi)展一次，在當(dāng)前大規(guī)模的國(guó)土綠化、退耕還林工程、生態(tài)文明建設(shè)等背景下，無(wú)法滿足國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展對(duì)林業(yè)產(chǎn)業(yè)和森工產(chǎn)品的動(dòng)態(tài)需求變化。SAR技術(shù)具備高分辨率和豐富的地物信息識(shí)別能力，相比可見(jiàn)光遙感，在樹(shù)高、蓄積量、生物量等參數(shù)的提取能力方面具有一定優(yōu)勢(shì)，成為輔助森林資源調(diào)查、火點(diǎn)監(jiān)測(cè)、理化參數(shù)反演的有效手段，使得實(shí)時(shí)、動(dòng)態(tài)、大范圍地森林資源監(jiān)測(cè)成為可能。

在地類識(shí)別方面：不同的極化散射機(jī)理會(huì)造成像元亮度值的差異和紋理特征。盡管森林植被層次結(jié)構(gòu)復(fù)雜，回波散射中心多，表現(xiàn)為亮度分布不均，但林地多分布于山地，地形透視收縮效果顯著，可以輔助森林區(qū)域的判讀;建筑物、構(gòu)筑物和道路等具有明顯的形狀，入射波發(fā)生二面角反射，回波能量強(qiáng)，亮度高;水體為奇次反射，回波能量極低，表現(xiàn)為黑色區(qū)域。對(duì)于TerraSAR-X等具備較好干涉效果的SAR系統(tǒng)，可以采用兩景或多景影像生成相干系數(shù)圖，利用相干系數(shù)區(qū)分地物。

在樹(shù)高測(cè)量方面：傳統(tǒng)小班尺度的森林測(cè)高需要通過(guò)設(shè)置樣地，并選取樣本木的方式實(shí)測(cè)，效率低且現(xiàn)實(shí)性差。干涉SAR是基于兩景SAR數(shù)據(jù)的干涉相位信息，結(jié)合微波極化特性分別提取冠層和地表的散射相位中心，計(jì)算地面至冠層的相位差，轉(zhuǎn)換為森林高度，目前較為普遍使用的有相干散射模型和三階段算法。

在蓄積量估測(cè)方面：使用光學(xué)數(shù)據(jù)和實(shí)測(cè)蓄積量的結(jié)果顯示，雖然可以建立二者的線性或非線性關(guān)系，但是受到致密冠層結(jié)構(gòu)的影響，光學(xué)數(shù)據(jù)的蓄積量估測(cè)，存在明顯閾值范圍。而SAR具有一定的穿透性，作用于與蓄積量聯(lián)系更為緊密的木質(zhì)部，通過(guò)光學(xué)影像和SAR數(shù)據(jù)的估測(cè)使分析結(jié)果的精度明顯提高。

3 結(jié)語(yǔ)

SAR技術(shù)在森林資源調(diào)查和林業(yè)經(jīng)營(yíng)管理方面具有切實(shí)有效的輔助作用，隨著國(guó)產(chǎn)高分三號(hào)衛(wèi)星和機(jī)載SAR平臺(tái)的推廣使用，將不斷豐富林業(yè)遙感的測(cè)試手段，提升森林資源調(diào)查的現(xiàn)代化水平。