合成孔徑雷達遙感在林業中的應用

劉琦

合成孔徑雷達（SAR）具有極化和干涉兩方面特性，對地物的紋理特征和位置信息十分敏感，在地類判別、森林測高、蓄積量估測等方面具有獨特的優勢，有效支持大范圍的森林資源調查，為輔助林業綠色發展提供數據來源和參考依據。

1 合成孔徑雷達的特點

SAR以電磁波1毫米至1米的微波作為工作波段，采用側視成像方式，主動發射電磁脈沖信號并接受目標地物回波，從而獲取地物的影像特征和理化參數。其最大的特點是采用主動成像方式，波段穿透性強，相比常見的快鳥（Quickbird）等可見光遙感技術，具有全天時、全天候、不受云霧雨雪等極端氣象條件影響的優勢，在自然災害應急遙感、冰雪覆蓋地區探測以及我國南方夏季陰雨季節的國土遙感監測等方面發揮出重要作用。以ALOS-2、Radarsat-2和TerraSAR-X為代表的一批先進SAR傳感器，采用多個極化通道，不同極化方式與同一分辨單元會產生差異性的作用，從而提取出更多有關地物結構的物理參數。同時，SAR干涉測量基于雷達側視成像的原理實現了目標地物的測距，結合衛星星歷數據，實現了大范圍的地形測繪成果和地形結構形變監測。

2 合成孔徑雷達在林業中的應用

森林是陸地上最大的生態系統，在維持全球碳循環平衡和減緩溫室效應等方面起到了至關重要的作用。根據國家林業局相關要求，到2035年我國將初步實現林業現代化，森林覆蓋率由目前的21.7%提高至26.0%，蓄積量力爭達到210億立方米。掌握森林資源總體情況是制定林業綠色發展指標的依據，基于地面的森林資源調查的傳統方式會大量耗費人力物力，以森林資源規劃設計調查（二類調查）為例，每10年開展一次，在當前大規模的國土綠化、退耕還林工程、生態文明建設等背景下，無法滿足國民經濟發展對林業產業和森工產品的動態需求變化。SAR技術具備高分辨率和豐富的地物信息識別能力，相比可見光遙感，在樹高、蓄積量、生物量等參數的提取能力方面具有一定優勢，成為輔助森林資源調查、火點監測、理化參數反演的有效手段，使得實時、動態、大范圍地森林資源監測成為可能。

在地類識別方面：不同的極化散射機理會造成像元亮度值的差異和紋理特征。盡管森林植被層次結構復雜，回波散射中心多，表現為亮度分布不均，但林地多分布于山地，地形透視收縮效果顯著，可以輔助森林區域的判讀;建筑物、構筑物和道路等具有明顯的形狀，入射波發生二面角反射，回波能量強，亮度高;水體為奇次反射，回波能量極低，表現為黑色區域。對于TerraSAR-X等具備較好干涉效果的SAR系統，可以采用兩景或多景影像生成相干系數圖，利用相干系數區分地物。

在樹高測量方面：傳統小班尺度的森林測高需要通過設置樣地，并選取樣本木的方式實測，效率低且現實性差。干涉SAR是基于兩景SAR數據的干涉相位信息，結合微波極化特性分別提取冠層和地表的散射相位中心，計算地面至冠層的相位差，轉換為森林高度，目前較為普遍使用的有相干散射模型和三階段算法。

在蓄積量估測方面：使用光學數據和實測蓄積量的結果顯示，雖然可以建立二者的線性或非線性關系，但是受到致密冠層結構的影響，光學數據的蓄積量估測，存在明顯閾值范圍。而SAR具有一定的穿透性，作用于與蓄積量聯系更為緊密的木質部，通過光學影像和SAR數據的估測使分析結果的精度明顯提高。

3 結語

SAR技術在森林資源調查和林業經營管理方面具有切實有效的輔助作用，隨著國產高分三號衛星和機載SAR平臺的推廣使用，將不斷豐富林業遙感的測試手段，提升森林資源調查的現代化水平。