Результаты оценки гибридной поляриметрии PALSAR для классификации леса Текст научной статьи по специальности «Науки о Земле и смежные экологические науки»

-------------------------------- © Т.Н. Чимитдоржиев, А.И. Захаров,

2009

УДК 530.1:528.871.6

Т.Н. Чимитдоржиев, А.И. Захаров

РЕЗУЛЬ ТА ТЫ ОЦЕНКИ ГИБРИДНОЙ ПОЛЯРИМЕТРИИ PALSAR ДЛЯ КЛАССИФИКАЦИИ ЛЕСА

Рассмотрены возможности гибридной поляриметрии при классификации лесных ресурсов. В качестве инструмента исследования был использован корреляционный анализ параметров Стокса и трех компонент преобразования Фримана.

Ключевые слова: радиолокационные изображения, гибридная поляриметрия, параметры стокса.

В

последнее время отмечается устойчивая тенденция по увеличению количества радиолокационных систем космического базирования, позволяющих получать полностью поляриметрические изображения земной поверхности. Развитие аппаратурной базы сопровождается увеличением количества работ по радиолокационной поляриметрии применительно к задачам дистанционного зондирования Земли. Одним из новых необычных направлений является так называемая «компактная» или «гибридная» поляриметрия [1], когда зондирование покровов выполняется в неполном поляризационном базисе, предполагающем излучение сигнала на одной (круговой или линейной, с углом наклона 450, поляризации), а прием одновременно на горизонтальной и вертикальной.

Вектор рассеяния для гибридной поляризации, в случае, когда излучается волна на круговой поляризации (СТ), а принимается сигнал на линейной (LR), может быть записан в следующем виде:

К

1 72

(1)

Как известно, вектор Стокса записывается в следующем виде:

So=

Е + Е

е*|2)-( Iе/

Е*Е + Е Е'

х у X у

Е*Е -Е Е*

X у X у

у

S

0

2

S

где х, у - компоненты выбранного поляриметрического базиса, в случае линейного Н+У базиса, соответственно составляющие поля на горизонтальной и вертикальной поляризациях. Аналогично записывается вектор Стокса в случае эллиптической поляризации:

X' " 1 '

Бо= Бі Б2 = 1а тсо.(2х)со.(2у) тсо.(2х).ш(2у)

А . т.ш(2х)

где 1а - общая мощность частично-поляризованной волны, т - степень поляризации, описываемая выражением

т = —-----------. Соответственно т, у - углы эллиптичности и на-

клона поляризационного эллипса.

Преобразование Фримана [2], позволяющее выделить три механизма рассеяния зондируемой среды по данным поляриметрического РСА, выглядит следующим образом:

(ійіьГ) = fs |Р|2 + fi| а|2 + fI Б„|2) = f. + fi + ^

= fsp + fiа+% f

пРи этом (І^іХ,)) = (1^X1) =0.

где а - поправочный коэффициент для уголкового отражения, учитывающий коэффициенты отражения Френеля для подстилающей поверхности и стволов деревьев, а также ослабление при распространении волны до земной поверхности и обратно. В работе принимается, что |а|2 [Бц^^и а = . Аналогично в - поправоч-

ный коэффициент для поверхностного отражения. Величины £;, £і, характеризуют вклад поверхностного, уголкового и объемного рассеяния.

Используя указанные преобразования, получим искомые карты распределения поляризационных характеристик зондируемых сред. Первоначально по полностью поляриметрическим данным

PALSAR в линейном базисе Н+У были получены изображения параметров Стокса ^0, s1, s2 и s3) и углов состояния поляризационного эллипса (т -угол эллиптичности, у - угол наклона эллипса поляризации). Последние представляли собой двумерное поле значений углов в градациях серого и были получены для данного линейного базиса НУ.

Далее исходные радарные данные были преобразованы в гибридный базис [1]: с левой круговой поляризацией на излучение, при постоянных горизонтальной и вертикальной поляризациях на прием. Указанное преобразование было проведено в программе POLSARPRO. Аналогично предыдущему, по полученным данным в гибридном базисе были построены изображения параметров Стокса и углов состояния поляризационного эллипса.

В качестве некоторого физического эталона, позволяющего оценить механизмы поляриметрического радарного рассеяния, было выбрано преобразование Фримана [2]. Как известно, данное преобразование позволяет достаточно достоверно выделять три основных компоненты: объемное рассеяние, уголковое (двойное) и поверхностное (однократное) отражение. С целью количественной оценки были рассчитаны коэффициенты корреляции параметров Стокса с каждой компонентой преобразования Фримана по 20 одинаковым профилям, которые равномерно распределялись по выбранному тестовому полигону с известными биофизическими характеристиками леса (рис. 1-2).

0 1 2 3 4 5 6

0 1 2 3 4 5 6

Различие между линейным и гибридным базисом для компоненты объемного рассеяния незначительно, поэтому данная зависимость не приводится. На рисунках по оси абсцисс цифрами 1-6 соответственно обозначены параметры Стокса s0, s1, s2, s3 и углы состояния поляризационного эллипса т (угол эллиптичности), у (угол наклона эллипса).

Итак, значительная положительная корреляция s0, и в большей мере s1, (см. рис.1) с механизмом уголкового отражения согласуется с тем фактом, что данная компонента преобразования Фримана определяется рассеянием на согласованных горизонтальной и вертикальной поляризациях. Существенная отрицательная корреляция s3 и угла эллиптичности т для гибридного базиса, при небольшом среднеквадратичном отклонении, также подтверждают выше указанное. Вместе с тем наряду с вышеуказанным, положительная корреляция s3 и т с поверхностным отражением на рис. 2 позволяет получить прямо противоположную информацию - об отсутствии механизма уголкового отражения, что является показателем густого леса (объемное рассеяние) или леса с диаметром стволов деревьев существенно меньших длины волны (^=24 см) и безлесных участков. В последних двух случаях, как правило, отмечается поверхностное однократное отражение, что и подтверждается.

Сделан вывод, что поляриметрический гибридный базис (1) позволяет выделить механизмы уголкового и поверхностного отражения. Можно предположить, что параметры Стокса и углы состояния поляризационного эллипса, полученные для гибридного базиса, позволят классифицировать леса по таксационным характеристикам.

Авторы выражают признательность Японскому аэрокосмическому агентству JAXA за радарные изображения ALOS/PALSAR, использованные в данном исследовании.

1.Compact Polarimetry Based on Symmetry Properties of Geophysical Media: The pi/4 Mode. J.C. Souyris, P. Imbo, R. Fjortoft, S. Mingot, J.S. Lee, IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing, vol.43, no.3, March 2005. pp. 634 -

2.A Three-Component Scattering Model for Polarimetric SAR Data. A. Freeman, S. Durden. IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing,vol.36, no.3, May 1998. pp. 963-973. EEH

Chymitdorzhiev T.N., Zakharov A.I.

ESTIMATION RESULTS OF PALSAR HYBRID POLARIMETRY FOR FOREST CLASSIFICATION.

The possibilities of hybrid polarimetry for the classification offorest resources are examined. The correlation analysis of Stokes parameters and three components of the Freeman conversion was used as the tool of experiment.

Key words: radar images, hybrid polarimetry, stoks parameters.

— Коротко об авторах -------------------------------------------------

Чимитдоржиев Тумэн Намжилович - доктор технических наук, ведущий научный сотрудник, Отдел физических проблем при Президиуме Бурятского научного центра СО РАН, e-mail: tchimit@pres. bscnet.ru, тел. (3012) 651464.

Захаров Александр Иванович - кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник, Фрязинский филиал Учреждения Российской академии наук Института радиотехники и электроники им. В.А. Котельникова РАН, e-mail: aizakhar@sunclass. ire.rssi.ru

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

646.