鄱阳湖湿地植被相干散射模型研究及生物量反演

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鄱阳湖湿地是国际重要湿地,其生物量是衡量鄱阳湖湿地固碳能力的重要指标。区域和全球生物量估测对于理解和监测生态系统对气候变化和人类活动的反应具有重要意义,有助于加深对全球碳平衡的认识和理解。随着星载SAR观测技术的不断发展,雷达遥感数据源得到不断充实,为雷达遥感机理和应用研究提供了丰富的数据支持。目前的雷达散射研究主要集中在森林和农作物方面,对于湿地植被的散射机理研究较少。为了更清楚地认识鄱阳湖湿地植被的散射特性,并更有效地将SAR图像应用于鄱阳湖湿地生物量反演中,本文基于Monte-Carlo算法建立了适用于鄱阳潮湿地植被的相干散射模型。该模型考虑了叶片的弯曲特性,计算散射体之间的相干效应,利用Foldys近似计算了冠层的衰减,按照实际情况将植被冠层分成多层,最后引入AIEM模型来计算地表面散射,并通过Radarsat-2数据和实测生物量对模型进行了验证。同时以Radarsat-2数据和野外同步观测数据为基础,以散射模型为理论依据,分析了鄱阳湖湿地植被的微波散射机制和参数敏感性,研究了以相干散射模型为基础的支持向量机反演算法,实现了SAR图像鄱阳湖湿地植被生物量反演。  本文的主要研究内容(含创新点)如下:  (1)提出了针对鄱阳湖湿地植被叶片弯曲特性的离散介电薄片的散射计算方法,将叶片模拟成二次曲线,使得模型的场景模拟更加符合实际情况。  (2)针对湿地植被高含水量和高密度特性,发展了考虑植被弯曲叶片的鄱阳湖湿地植被相干散射模型(Poyang Lake wetland canopy coherent scatteringmodel,PYLCSM),考虑了散射体之间的相干效应,提出将植被冠层分成茎杆层和茎叶混合层两层的分层结构,并对多层植被内的传输衰减矩阵进行了推导,引入AIEM模型来计算地表面散射部分。通过与实测的Radarsat-2后向散射系数对比,得出HH、VV和HV后向散射系数的模拟值与实测值的RMSE为1.81dB,1.93dB和2.38dB。同时采用MIMICS模型和冠层植被模型对相同的植被参数进行模拟,得出结果为:MIMICS模型的HH、VV和HV模拟值与实测值的RMSE分别为3.355dB,3.132dB,9.812dB;植被冠层模型的HH、VV和HV模拟值与实测值的均方根误差分别为4.201dB,3.798B,4.383dB,两者模拟误差均大于PYLCSM模型,说明PYLCSM模型更适合于鄱阳湖湿地植被的散射研究。  (3)对鄱阳湖湿地植被的相干散射分量进行了分析,通过对比发现非相干散射和相干散射的计算结果,发现差值平均在2dB以上,最多时可达到4dB,说明鄱阳湖湿地植被的散射模拟中,相干散射分量不能忽略。  (4)利用PYLCSM模型对湿地植被参数进行了敏感性分析,结果表明,在苔草生长茂盛期,对于C波段的散射,入射角和地表含水量对后向散射影响不大,后向散射系数对植被的高度、密度、含水量,叶片的长、宽、厚均非常敏感,而茎杆的相关参数则对后向散射影响不大。  (5)建立了生物量和后向散射系数模拟数据库,并对鄱阳湖湿地植被生物量反演的“饱和点”问题进行了探讨,发现在C波段时,当生物量>700g/m2时,后向散射系数趋于饱和。  (6)采用三种经验方程、PYLCSM模型结合支持向量机分别建立生物量反演算法,结果表明PYLCSM模型结合支持向量机的反演算法的精度高于经验方程的反演精度,生物量反演的RMSE为81.21g/m2,其精度也高于已有研究中利用MIMICS模型和神经网络算法的反演精度,说明本文的PYLCSM模型结合支持向量机算法能够较好地用于鄱阳湖湿地生物量反演。  (7)利用后向散射系数、极化分解得到的极化特征量分别与支持向量机结合反演生物量,结果表明极化特征量的引入能提高生物量反演的精度。
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