基于散射机制分解的ESPRIT植被高度反演新方法
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Ｐａ ｒ ａ ｍｅ ｔ ｅ ｒ ｓ Ｖｉ ａ Ｒｏ ｔ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ａ ｌ Ｉ ｎ ｖ ａ ｒ ｉ ａ ｎ ｃ ｅ Ｔｅ ｃ ｈ ｎ ｉ ｑ ｕ ｅ ｓ ）
ｍ 个 散 射 机 制 的散 射 中心 的强 度 （ 由于 目标 都 位
于 雷达 的远 场 区域 ， 所 以 假 设 每 两 次 获 得 的 同一 个 散 射 体 的 散 射 中心 的 后 向 散 射 系 数 和 强 度 大 致是相 等） ； Ｒ 代 表 主 天 线 和 散 射 体 之 间 的 斜 视
第３ ６ 卷 第 ５期 ２ ０ １ ３年 Ｏ ９ 月
现
代
测
绘
Ｖｏ Ｉ ． ３ ６。 Ｎｏ ． ５
Ｓ ｅ ｐ ． ２ ０ １ ２
Ｍｏ ｄ ｅ ｒ ｎ Ｓ ｕ ｒ ｖ ｅ ｙ ｉ ｎ ｇ ａ ｎ ｄ Ｍａ ｐ ｐ ｉ ｎ ｇ
基 于散 射 机 制分解 的 Ｅ Ｓ Ｐ Ｒ Ｉ Ｔ植 被 高 度反 演 新 方法
关键 点是利用 Ｆ ｒ ｅ ｅ ｍａ ｎ分解理论和极化干 涉互协方差矩阵估计得 到更加 准确 的地表散射相 位 ， 以替代 Ｅ Ｓ Ｐ Ｒ Ｉ Ｔ算 法估计 的地表散射相位 ， 进 而改善植被 高度反 演的精度 。最后 ， 分别利 用欧 空局 （ Ｅ Ｓ Ａ） 免 费发布 的 Ｐ ｏ ｌ Ｓ ＡＲｐ ｒ ｏ软 件模 拟 Ｌ波段 极化 干涉合成孔径 雷达数据和 Ｐ ＡＬ Ｓ ＡＲ真实星载数据验证改进算法的有效性。
制 的个 数 ， 不 同 的散 射 机 制 有 不 同 的散 射 相 位 中 心； 和 制 的散 射 中 心 的后 向 散 射 系 数 ， 和
目前极 化干 涉 Ｓ ＡＲ植 被 参 数 反演 方 法 有 基 于 差分 Ｄ Ｅ Ｍ 植被高度反演方法［ ２ ］ 、 三 阶段 植 被 高 度 反演 方法＿ ３ ｊ 、 基于 Ｅ Ｓ Ｐ Ｒ Ｉ Ｔ（ Ｅ ｓ ｔ ｉ ｍａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｏ ｆ Ｓ ｉ ｇ ｎ ａ ｌ
结构参 数 提供 了可 能 ， 并 由此 成 为 当前 研 究 的热点
问题 。
∑
ｍ＝ 】
‘ 斛 战 ＋ ， ｚ
（ １ ）
上 式 中， 表 示 极 化通 道 （ 如 ＨＨ ， Ｈ ，
，
Ｗ ） ； ｄ代 表 目标 分 辨 单 元 内存 在 的 散 射 机 表示 在 ｋ ｌ 极 化 通 道 中第 ｍ个 散 射 机 表 示 第
Ｅ Ｓ Ｐ ＲＩ Ｔ算 法 就 是 求 解 ［ ］ 中 的每 个 元 素 ， 这 个对 角矩 阵 中 的 每一 元 素 为 ｄ个 散 射 机 制 散 射 中 心 的干 涉相 位 。首先 计 算 出不 同 极 化 通 道 的散 射 系数 所构成 的协 方差 矩 阵 ， 这 个 协方 差 矩 阵 可 以表
化Ｓ ＡＲ对 植被 散射体 的形 状 和方 向敏感 的能力 ＿ １ ］ 。
ｓ ｆ 一∑ｒ ｙ ， ｎ ￣ ｍ ｅ ｊ ＋ ｎ ｆ
， １
ｄ
ｓ
一
因此极 化 干涉 Ｓ Ａ Ｒ 技术 可 以区 分 出 同一 分 辨单 元 内不 同散射 机制 的相 位 中心 ， 为 提 取地 表 植 被 垂直
宋桂萍， 左廷英， 汪长城 ， 解清华， 付海强
（ 中南大学地球科学与信息物理学院 ， 湖南 长沙 ４ １ ０ ０ ８ ３ ） 摘 要 Ｅ Ｒ Ｐ Ｒ Ｉ Ｔ算法估计的地表散射相位 由于易受到森林去极化成分的影 响而 出现较大 的偏 差， 从 而导致植被
高度 反 演 结 果严 重偏 低 。针 对 这 一 问题 ， 本 文提 出一 种 基 于散 射 机 制 分 解 的 Ｅ Ｓ Ｐ Ｒ Ｉ Ｔ 植 被 高 度 反 演 算 法 。该 算 法
技 术 的反演方 法 ＿ ４ ］ 和基 于样本 相 关矩 阵 的最 大似 然 估计算 法 ［ ６ ］ 。其 中 ， 运 算 比较 简单 的 Ｅ Ｓ Ｐ Ｒ Ｉ Ｔ算
法应用的比较广泛 ， 是一种基于旋转不变性信号参
数 估计 的方 法 。该 算 法 避 开 了体 相 关 系数 估 计 ， 不 需 要对植 被覆 盖下 地 表 的 散射 特 性 进行 复杂 建 模 ， 从 而减少 了计 算 难 度 。但是 ， 当植 被 区域 有很 强 去 极 化散 射成 分 或地 体 幅度 比小 于 ３ ｄ Ｂ时 ， 地 表散 射
射体的幅度 、 极化和干涉信息考虑到模 型中。假设
在干 涉 测 量 期 间 ， 主 辅 天 线 测 量 到 的信 号 可 以 描 述为［ ］ ：
ｄ
极 化 干涉 Ｓ ＡＲ技术 将 极 化 信 息 和干 涉 相 位信 息有效 结合 为一 体 ， 既具有 干涉 Ｓ Ａ Ｒ对 地表 植被散 射体 的空 间垂直分 布 和高 度 敏感 的特 性 ， 又 具 有极
一
Ｅ Ａ ＋ ［ Ａ］［ ＋
＝
种 改进 的 Ｅ Ｓ Ｐ Ｒ Ｉ Ｔ 算 法 反 演 植 被 高 度 算 法 。首
［ ］ 一 ｄ ｉ ａ ｇ｛ ， ｚ … ． ， ） （ ２ ）
先对 极化 干涉互 协 方差 矩 阵进 行 Ｆ ｒ ｅ ｅ ｍａ ｎ分 解 ， 从
而估 计 出更加 准确 的地表 散射 相位 以替代 Ｅ Ｓ Ｐ Ｒ Ｉ Ｔ 算法 估计 的地 表散 射 相位 ， 然后利用 Ｅ Ｓ Ｐ Ｒ Ｉ Ｔ算 法
相 位估计 容 易受到 影 响 ， 但 是 植被 冠 层 顶 部散 射 相 位估 计不 受影 响Ｌ ５ ］ 。因此 ， 针对这 个 问题 ， 本 文提 出
一
距离 ； Ａ Ｒ 代表第 ｍ个散射机制 的散射 中心到两
个 天 线 位 置 的距 离 差 ； ｎ ｆ和 表 示 在 极 化 通
道 中 的加 性 高斯 噪声 。 利用 矩 阵和 向量 表示 （ １ ） 式， 可简化 为 ：
关 键 词 极 化 干 涉 Ｓ ＡＲ 植 被 高度 反 演 Ｅ Ｓ Ｐ Ｒ Ｉ Ｔ 极 化 干 涉 互 协 方 差 矩 阵
Байду номын сангаас
中图分 类号： Ｐ ２ ３ ７
文献标识码 ： Ａ
文章编号 ： １ ６ ７ ２ —４ ０ ９ ７ （ ２ ０ １ ３ ） ０ ５—０ ０ ０ ６ —０ ５
１ 引
言
ｍ 个 散 射 机 制 的散 射 中心 的强 度 （ 由于 目标 都 位
于 雷达 的远 场 区域 ， 所 以 假 设 每 两 次 获 得 的 同一 个 散 射 体 的 散 射 中心 的 后 向 散 射 系 数 和 强 度 大 致是相 等） ； Ｒ 代 表 主 天 线 和 散 射 体 之 间 的 斜 视
第３ ６ 卷 第 ５期 ２ ０ １ ３年 Ｏ ９ 月
现
代
测
绘
Ｖｏ Ｉ ． ３ ６。 Ｎｏ ． ５
Ｓ ｅ ｐ ． ２ ０ １ ２
Ｍｏ ｄ ｅ ｒ ｎ Ｓ ｕ ｒ ｖ ｅ ｙ ｉ ｎ ｇ ａ ｎ ｄ Ｍａ ｐ ｐ ｉ ｎ ｇ
基 于散 射 机 制分解 的 Ｅ Ｓ Ｐ Ｒ Ｉ Ｔ植 被 高 度反 演 新 方法
关键 点是利用 Ｆ ｒ ｅ ｅ ｍａ ｎ分解理论和极化干 涉互协方差矩阵估计得 到更加 准确 的地表散射相 位 ， 以替代 Ｅ Ｓ Ｐ Ｒ Ｉ Ｔ算 法估计 的地表散射相位 ， 进 而改善植被 高度反 演的精度 。最后 ， 分别利 用欧 空局 （ Ｅ Ｓ Ａ） 免 费发布 的 Ｐ ｏ ｌ Ｓ ＡＲｐ ｒ ｏ软 件模 拟 Ｌ波段 极化 干涉合成孔径 雷达数据和 Ｐ ＡＬ Ｓ ＡＲ真实星载数据验证改进算法的有效性。
制 的个 数 ， 不 同 的散 射 机 制 有 不 同 的散 射 相 位 中 心； 和 制 的散 射 中 心 的后 向 散 射 系 数 ， 和
目前极 化干 涉 Ｓ ＡＲ植 被 参 数 反演 方 法 有 基 于 差分 Ｄ Ｅ Ｍ 植被高度反演方法［ ２ ］ 、 三 阶段 植 被 高 度 反演 方法＿ ３ ｊ 、 基于 Ｅ Ｓ Ｐ Ｒ Ｉ Ｔ（ Ｅ ｓ ｔ ｉ ｍａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｏ ｆ Ｓ ｉ ｇ ｎ ａ ｌ
结构参 数 提供 了可 能 ， 并 由此 成 为 当前 研 究 的热点
问题 。
∑
ｍ＝ 】
‘ 斛 战 ＋ ， ｚ
（ １ ）
上 式 中， 表 示 极 化通 道 （ 如 ＨＨ ， Ｈ ，
，
Ｗ ） ； ｄ代 表 目标 分 辨 单 元 内存 在 的 散 射 机 表示 在 ｋ ｌ 极 化 通 道 中第 ｍ个 散 射 机 表 示 第
Ｅ Ｓ Ｐ ＲＩ Ｔ算 法 就 是 求 解 ［ ］ 中 的每 个 元 素 ， 这 个对 角矩 阵 中 的 每一 元 素 为 ｄ个 散 射 机 制 散 射 中 心 的干 涉相 位 。首先 计 算 出不 同 极 化 通 道 的散 射 系数 所构成 的协 方差 矩 阵 ， 这 个 协方 差 矩 阵 可 以表
化Ｓ ＡＲ对 植被 散射体 的形 状 和方 向敏感 的能力 ＿ １ ］ 。
ｓ ｆ 一∑ｒ ｙ ， ｎ ￣ ｍ ｅ ｊ ＋ ｎ ｆ
， １
ｄ
ｓ
一
因此极 化 干涉 Ｓ Ａ Ｒ 技术 可 以区 分 出 同一 分 辨单 元 内不 同散射 机制 的相 位 中心 ， 为 提 取地 表 植 被 垂直
宋桂萍， 左廷英， 汪长城 ， 解清华， 付海强
（ 中南大学地球科学与信息物理学院 ， 湖南 长沙 ４ １ ０ ０ ８ ３ ） 摘 要 Ｅ Ｒ Ｐ Ｒ Ｉ Ｔ算法估计的地表散射相位 由于易受到森林去极化成分的影 响而 出现较大 的偏 差， 从 而导致植被
高度 反 演 结 果严 重偏 低 。针 对 这 一 问题 ， 本 文提 出一 种 基 于散 射 机 制 分 解 的 Ｅ Ｓ Ｐ Ｒ Ｉ Ｔ 植 被 高 度 反 演 算 法 。该 算 法
技 术 的反演方 法 ＿ ４ ］ 和基 于样本 相 关矩 阵 的最 大似 然 估计算 法 ［ ６ ］ 。其 中 ， 运 算 比较 简单 的 Ｅ Ｓ Ｐ Ｒ Ｉ Ｔ算
法应用的比较广泛 ， 是一种基于旋转不变性信号参
数 估计 的方 法 。该 算 法 避 开 了体 相 关 系数 估 计 ， 不 需 要对植 被覆 盖下 地 表 的 散射 特 性 进行 复杂 建 模 ， 从 而减少 了计 算 难 度 。但是 ， 当植 被 区域 有很 强 去 极 化散 射成 分 或地 体 幅度 比小 于 ３ ｄ Ｂ时 ， 地 表散 射
射体的幅度 、 极化和干涉信息考虑到模 型中。假设
在干 涉 测 量 期 间 ， 主 辅 天 线 测 量 到 的信 号 可 以 描 述为［ ］ ：
ｄ
极 化 干涉 Ｓ ＡＲ技术 将 极 化 信 息 和干 涉 相 位信 息有效 结合 为一 体 ， 既具有 干涉 Ｓ Ａ Ｒ对 地表 植被散 射体 的空 间垂直分 布 和高 度 敏感 的特 性 ， 又 具 有极
一
Ｅ Ａ ＋ ［ Ａ］［ ＋
＝
种 改进 的 Ｅ Ｓ Ｐ Ｒ Ｉ Ｔ 算 法 反 演 植 被 高 度 算 法 。首
［ ］ 一 ｄ ｉ ａ ｇ｛ ， ｚ … ． ， ） （ ２ ）
先对 极化 干涉互 协 方差 矩 阵进 行 Ｆ ｒ ｅ ｅ ｍａ ｎ分 解 ， 从
而估 计 出更加 准确 的地表 散射 相位 以替代 Ｅ Ｓ Ｐ Ｒ Ｉ Ｔ 算法 估计 的地 表散 射 相位 ， 然后利用 Ｅ Ｓ Ｐ Ｒ Ｉ Ｔ算 法
相 位估计 容 易受到 影 响 ， 但 是 植被 冠 层 顶 部散 射 相 位估 计不 受影 响Ｌ ５ ］ 。因此 ， 针对这 个 问题 ， 本 文提 出
一
距离 ； Ａ Ｒ 代表第 ｍ个散射机制 的散射 中心到两
个 天 线 位 置 的距 离 差 ； ｎ ｆ和 表 示 在 极 化 通
道 中 的加 性 高斯 噪声 。 利用 矩 阵和 向量 表示 （ １ ） 式， 可简化 为 ：
关 键 词 极 化 干 涉 Ｓ ＡＲ 植 被 高度 反 演 Ｅ Ｓ Ｐ Ｒ Ｉ Ｔ 极 化 干 涉 互 协 方 差 矩 阵
Байду номын сангаас
中图分 类号： Ｐ ２ ３ ７
文献标识码 ： Ａ
文章编号 ： １ ６ ７ ２ —４ ０ ９ ７ （ ２ ０ １ ３ ） ０ ５—０ ０ ０ ６ —０ ５
１ 引
言