[論文レビュー] Reviewing the role of the extinction coefficient in radar remote sensing

J. David Ballester‐Berman|arXiv (Cornell University)|Dec 4, 2020

Synthetic Aperture Radar (SAR) Applications and Techniques参考文献 51被引用数 4

ひとこと要約

本稿は、森林モニタリングにおけるレーダー後方散乱モデルにおける消散係数の役割を調査し、物理的ベースのRVoGモデルを用いて、波の消散による高さに伴う散乱の増加・減少の傾向を示した。主な発見は、散乱の飽和が絶対的ではなく、消散が正確に特徴付けられれば、ピークを超えた感度により、高さの推定範囲を拡張可能である可能性があることである。

ABSTRACT

This report revisits the role of the extinction coefficient in radar backscattering-based models for forest monitoring. A review of a number of works dealing with this issue has revealed a diversity of extinction values being unclear its dependence on the sensor frequency and the forest type. In addition, a backscattering model directly derived from the RVoG formulation is employed to analyse the saturation of backscattering level as a function of vegetation height and the presence of a decreasing trend of backscatter beyond the saturation point as suggested in previous works in the literature. According to this analysis it seems reasonable to think that further research specially focused on dedicated experimental measurements of the extinction coefficient should be carried out.

研究の動機と目的

• レーダー森林後方散乱モデルにおける消散係数の不一致な使用および解釈の状況を評価すること。
• 森林における観測された後方散乱の飽和が真に不可逆的であるのか、それともピークを超えて減少傾向が見られれば、高さ推定を拡張可能であるかを調査すること。
• センサ周波数および森林タイプとの関連において、レーダー・ボリューム相互作用における消散係数の物理的根拠を評価すること。
• 現在のモデルにおける曖昧さを解消するため、専用の実験的測定による消散係数の測定を提唱すること。

提案手法

• Pバンド、Lバンド、Cバンドを含む異なるレーダ周波数および森林タイプにおける消散係数値に関する文献のレビューを実施した。
• 干渉的多様性を除外し、主にボリューム散乱およびダブルバウンス散乱成分を仮定することで、RVoG（ランダムボリュームオーバーグラウンド）モデルを後方散乱専用の定式化に変更した。
• RVoGモデルを用いて、消散係数を主なパラメータとして、木立高さの関数として理論的後方散乱応答をシミュレートした。
• 回帰分析を用いて後方散乱データのパラメータ推定を実施し、消散係数および地表面対ボリューム比の感度分析を実施した。
• 漸近的および非漸近的条件下でモデルをテストし、実測データおよび先行研究と比較した。
• 理論的予測を、特に熱帯林および温帯林における観測された後方散乱傾向と比較した。特に、飽和を過ぎた後の減少傾向に注目した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 消散係数は森林タイプおよびレーダ周波数に従って体系的に変化するのか、それとも任意にフィッティングパラメータとして扱われているのか？
• RQ2 SARデータにおける森林の後方散乱の飽和は真に不可逆的であるのか、それともピークを超えて残留感度が存在するのか？
• RQ3 RVoGに基づく後方散乱モデルは、波の消散が増加することで、飽和点を超えて後方散乱が減少する傾向をどの程度正確に予測できるか？
• RQ4 実測データから消散係数を信頼性高く推定可能であるか、そしてその推定が森林高さおよびバイオマス推定の精度向上に寄与するか？

主な発見

• 複数の研究において消散係数が不統一に報告されており、周波数や森林タイプとの明確な依存関係がないことから、標準化された測定法や物理的理解の欠如が示唆される。
• RVoGに基づく後方散乱モデルは、木立高さの増加に伴い、波の消散が増加することで、ピークを示した後減少する挙動を予測する。
• 後方散乱は、消散係数および地表面対ボリューム比に依存する特定の木立高さで最大値に達するため、飽和が絶対的ではないことが示された。
• 飽和点を超えた高さに対する後方散乱の感度は弱いが理論的に存在するため、消散係数が正確に把握されていれば、高さ推定の範囲を拡張可能である可能性がある。
• 理論的結果は、Mermozら（2015年）およびYu & Saatchi（2016年）の実測観察と整合しており、熱帯林におけるLバンドHV後方散乱が飽和を過ぎて減少する傾向を報告している。
• 理論的には妥当であるが、実務的実装にはデータの不確実性に起因する課題が伴い、飽和後の感度の運用的利用価値は限定的である。