基于全极化SAR数据的云南松后向散射特征分析

肖虹雁，田传召，岳彩荣

(西南林业大学林学院，云南 昆明 650224)

基于全极化SAR数据的云南松后向散射特征分析

肖虹雁，田传召，岳彩荣

(西南林业大学林学院，云南 昆明 650224)

以昆明市宜良县花园林场为研究区，选择2009年4月23日ALOS PALSAR 1.1等级的数据产品L波段全极化单视复型数据，结合2007年完成的宜良县森林资源二类调查数据，分析HH、HV、VH和VV 4种极化方式下云南松后向散射特征，采用SPSS进行单因素方差分析法统计试验结果。结果表明，在云南松幼龄林、中龄林和近熟林中，HH极化方式下反射强度值都是最高的，其次是VV极化方式，而HV和VH极化方式下反射值都比较低；云南松幼龄林、中龄林和近熟林与后向散射系数之间具有极显著影响，根据此特性，区分不同龄组的云南松。

全极化SAR；云南松；后向散射系数；单因素方差分析

云南松(Pinusyunnanensis)多分布于海拔1000～3000 m的广大地区，常形成大面积的纯林，也是云南省最重要和面积最大的森林植被类型[1]。大面积分布于滇中高原、金沙江流域及南盘江流域。云南松树干通直，木质轻软细密，是良好的建筑用材；而云南松树脂、松花粉、松尖、球果等体现了云南松的非木材资源价值。

合成孔径雷达(SAR)以其自身优势以及极化组合多样的特点，成为森林研究的一种有效手段。全极化SAR的极化方式是指发射和接收电磁波所采用的极化方式，可以有4种组合HH、HV、VH和VV，对于互易介质，HV=VH，通过它们可以保持图像空间分辨率同时可以减小信号干扰[2]。极化不同，目标对电磁波的响应就不同。全极化SAR具有对地表植被散射体的空间分布和高度很敏感的特性，又具有对植被散射体的形状和方向很敏感的特性[3]，在对植被探测上具有独特的优势。因此，本文利用ALOS PALSAR全极化SAR数据，结合2007年完成的宜良县森林资源二类调查数据，分析HH、HV、VH和VV等4种极化方式下云南松后向散射特征。

1 研究区与数据

1.1 研究区概况

研究区位于云南省昆明市宜良县花园林场，地势北高南低。海拔1300～2800 m，地貌特点是山地、谷地与坝子相间分布。该地气候温和，年平均气温16.3 ℃，属于北亚热带季风气候。森林起源以天然林为主，主要优势树种为云南松。调查林分为云南松纯林，群落结构简单，各林班平均树高为1.2～16 m，平均胸径为2～31.2 cm，郁闭度为0.2～0.85，其中云南松幼龄林占22%，云南松中龄林占30.3%，云南松近熟林占47.7%。

1.2 数据的获取

1.2.1 SAR数据 本试验采用2009年4月23日获取的一景覆盖试验区的ALOS PALSAR 1.1等级的数据产品L波段全极化(HH、HV、VH和VV)单视复型(SLC)数据。图像中心点坐标：北纬24°53′31″、东经103°12′43″，其中方位向分辨率为9.37 m，距离向分辨率为3.56 m，像幅为18432×1248。

1.2.2 2007年宜良县森林资源二类调查数据 2007年宜良县森林资源二类调查数据[4]中小班因子调查数据，内容包括编号、图色名称、乡镇、林班号、小班号、小班面积、地类、立地类型、优势树种、起源、树种组成、龄组、林木蓄积、经营措施、土壤类型、土壤质地、土壤厚度、坡度、坡向、权属、海拔等属性数据项。根据2007年宜良县森林资源二类调查数据中的龄组可知云南松生长时期，而立地类型可以看出云南松生长环境。

1.3 数据处理

对ALOS PALSAR数据预处理过程包括辐射定标、多视化处理和地理编码。在GAMMA软件中，首先读取Level 1.1数据，生成的单视复数图像(SLC)再进行辐射定标，JAXA提供的定标常量为-115 dB[5]，将强度图数字量化输出的DN值转换为后向散射系数图，便于对图像进行点目标定量度量和分析。其次对数据进行多视处理，距离向和方位向视数分别为1和7，生成强度图。最后采用数字高程模型(DEM)数据进行地理编码，是将SAR图像的斜距距离/方位坐标变换成地图几何坐标，处理后得到PALSAR影像。

在ArcGIS中利用2007年宜良县森林资源二类调查数据，选出宜良县花园林场中不同龄组的云南松，本文主要提取云南松幼龄林、中龄林以及近熟林的小班数据，其中相同龄组的云南松郁闭度和坡度基本一致。

2 结果与分析

2.1 云南松全极化后向散射特征分析

根据2007年宜良县森林资源二类调查数据采集研究区云南松幼龄林平均树高为4 m，平均胸径为8 cm的255个样本数据；云南松中龄林平均树高为6 m，平均胸径为12 cm的255个样本数据以及云南松近熟林平均树高为11 m，平均胸径为18 cm的255个样本数据。然后分别提取影像中云南松不同龄组的云南松后向散射系数，并统计云南松不同极化方式下不同龄组的云南松平均后向散射系数，见表1。

从表1可以看出，无论云南松属于哪种龄组，在HH极化方式下反射强度值最高，其次是VV极化方式，而HV和VH极化方式下反射值都比较低。云南松在幼龄林到中龄林时期，处于生长期，冠层增大，对各极化波的作用表现明显。因此，在这期间，各龄组云南松平均后向散射系数都是增强趋势。HH极化方式下反射强度值最强，因为HH极化方式反应的大多是植被冠层叶片的信息，而此时期云南松冠层增大，含水量较高；同时云南松形态变大又削弱了对VV极化方式下的穿透深度。而从中龄林到近熟林时期，云南松冠层针叶掉落，形态变小，因而云南松平均后向散射系数减小。

表1 云南松各龄组平均后向散射系数

2.2 云南松全极化后向散射特征方差分析

利用SPSS软件实现对不同极化方式下各龄组云南松255个样本进行单因素方差分析(One way ANOVA)，并采用Least-signifcant difference(LSD)方法对各组均值间的变量进行多重比较，确定云南松各龄组与后向散射系数是否显著。由表2可知，显著水平小于0.0003，表明云南松各龄组与后向散射系数之间具有极显著影响，意味着根据后向散射系数可以区分不同龄组的云南松。通过LSD方法对云南松后向散射系数各组均值间的变量进行多重比较，其中因变量后向散射系数会随云南松龄组不同而变化，因此进一步确定经过单因素方差分析可以区分不同龄组的云南松，见表3。

表2 云南松各龄组后向散射系数的单因素方差分析结果

表3 云南松各龄组后向散射系数LSD多重比较

*：(I)龄组中1为云南松幼龄林；2为云南松中龄林；3为云南松近熟林；*为均值差的显著性水平为0.05。

LSD法多重比较法中，(I)龄组为比较基准龄组，(J)龄组为比较龄组。通过LSD法多重比较表明：龄组1与龄组2之间存在显著性差异；龄组2与龄组1和龄组3之间存在显著性差异；龄组3与龄组2之间存在显著性差异；龄组1即是云南松幼龄林，龄组2即是云南松中龄林，龄组3即是云南松近熟林。因此，根据云南松的后向散射系数可以把不同龄组的云南松区分开来。

3 结论与讨论

本文通过研究宜良县花园林场地区天然林——云南松不同龄组在不同极化方式下L波段后向散射系数相关分析，同时进行单因素方差分析。结果表明，在云南松幼龄林、中龄林和近熟林中，HH极化方式下反射强度值都是最高的，其次是VV极化方式，而HV和VH极化方式下反射值都比较低；通过对云南松全极化后向散射特征进行方差分析，可知云南松各龄组与后向散射系数之间具有极显著影响，根据其显著性，可以把云南松幼龄林、中龄林和近熟林区分开来。

由于电磁波在经过植被层后，其回波的能量会有所改变，而且同一地物对于不同的极化方式结果也不同，反映在雷达图像上就是后向散射系数的差异。一般认为HV极化方式下为植被冠层信息，HH极化方式下为近地表信息[6]。粗壮树木的树干与地面都可能发生偶次散射，特别是对HH、VV分量回波很强，所以HH、VV的后向散射系数相对较大。而HV和VH相比HH和VV的渗透能力弱，回波信号强度低，所以HV、VH的后向散射系数相对较小。但HV图像能给出地物目标较细微的结构，地物界限更分明。对树木的种类、HV图像有较好的识别[7]。

[1]吴兴华.云南松次生林生长研究[J].林业建设，2010(3)：47-50.

[2]王晓兰，戴博伟，杨汝良.全极化合成孔径雷达多视图像的极化特征分析[J].电子与信息学报，2002(4)：507-513.

[3]Sagues L，Lopez-Sanchez J M，et al.Polarimetric radar interferometry for improved mine detection and surface clutter rejection[J].IEEE Transactions on Geosciences and Remote Sensing，2001，39(6)：1271-1278.

[4]云南省林业调查规划院.2007年宜良县森林资源二类调查报告[Z].昆明，2007.

[5]SHIMADA M，ISOGUCHI O，TADONO T.PLASAR radiometric calibration and geometric calibration[J].IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing，2009，47(12)：3915-3932.

[6]张庆云，刘国林，陶秋香，等.基于极化干涉SAR的植被高度反演算法对比分析[J].山东科技大学学报，2014(6)：77-83.

[7]郭华东.机载雷达遥感应用实验研究[M].北京：科学出版社，1992：81-85.

Analysis on Backscattering Characteristics of thePinusyunnanensisBased on Full-polarization SAR Data

XIAO Hong-yan，TIAN Chuan-zhao，YUE Cai-rong

(ForestryCollege，SouthwestForestryUniversity，Kunming650224，Yunnan，China)

Using the garden forest farm in the Yiliang County of Kunming as study area，the full-polarization single complex type of L-band data is ALOS PALSAR Level 1.1 on April 23，2009.The backscattering characteristics of thePinusyunnanensis analyzed. Using SPSS software conducts experimental results by one-way ANOVA statistical analysis.The results indicates that the backscattering characteristics of thePinusyunnanensisand different ages(young，middle-aged and over mature forests) have a significant effect.According to these characteristics，thePinusyunnanensiscan be distinguished from different ages ground.

full-polarization SAR；Pinusyunnanensis；backscattering coefficient；one-way analysis of variance

2014-09-24；

2014-10-23

国家自然基金(31260156)

肖虹雁(1989—)，女，福建三明人，西南林业大学林学院硕士研究生，从事资源与环境遥感研究。E-mail：742929194@qq.com。

岳彩荣(1964—)，男，云南建水人，西南林业大学林学院教授、博士、博士生导师，从事遥感与GIS的教学与研究。E-mail：cryue@163.com。

10.13428/j.cnki.fjlk.2015.03.018

S791.257

A

1002-7351(2015)03-0085-03