[논문 리뷰] Reviewing the role of the extinction coefficient in radar remote sensing

J. David Ballester‐Berman|arXiv (Cornell University)|2020. 12. 04.

Synthetic Aperture Radar (SAR) Applications and Techniques참고 문헌 51인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 산림 모니터링을 위한 레이더 백스캐터링 모델에서 흡수 계수의 역할을 조사하며, 물리적 기반의 RVoG 모델을 사용하여 백스캐터링이 파장의 흡수로 인해 식생 높이에 따라 증가-감소 추세를 보임을 보여준다. 주요 발견은 포화 현상이 절대적이지 않으며, 흡수 계수가 정확히 특성화되어 있다면 포화 이후의 감도가 높이 추정을 연장할 수 있음을 시사한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 레이더 산림 백스캐터링 모델에서 흡수 계수의 비일관된 사용 및 해석을 평가하기 위해.
• 산림에서 관측된 백스캐터링 포화가 진정으로 역전 불가능한가, 아니면 정점 이후 감소 추세가 존재하여 높이 추정을 연장할 수 있는가를 조사하기 위해.
• 레이더-식생 상호작용에서 흡수 계수의 물리적 기반을 평가하며, 특히 센서 주파수와 산림 유형과의 관계를 고려하기 위해.
• 기존 모델의 모호성을 해소하기 위해 흡수 계수에 대한 전용 실험 측정을 촉구하기 위해.

제안 방법

• P-, L-, C밴드 레이더 주파수 및 다양한 산림 유형에서의 흡수 계수 값에 관한 문헌을 검토하였다.
• 간섭성 다형성과 주로 볼륨 및 이중 반사 성분을 가정함으로써 RVoG(Random Volume over Ground) 모델을 백스캐터링 전용 형태로 변형하였다.
• 흡수 계수를 핵심 매개변수로 하여 식생 높이에 따른 이론적 백스캐터링 응답을 RVoG 모델을 사용해 시뮬레이션하였다.
• 백스캐터링 데이터에 대한 회귀 분석을 통해 매개변수 추정을 수행하였으며, 흡수 계수 및 지면 대 볼륨 비율에 대한 민감도 분석도 실시하였다.
• 이론적 결과는 점 渐진적 및 비점 渐진적 조건에서 검증되었으며, 실측 자료 및 이전 연구 결과와 비교하였다.
• 이론적 예측은 열대 및 온대 산림에서의 관측된 백스캐터링 추세와 비교되었으며, 특히 포화 이후 감소 추세에 초점을 맞추었다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 흡수 계수는 산림 유형과 레이더 주파수에 따라 체계적으로 변하는가, 아니면 단지 피팅 매개변수로 무작위로 취급되는가?
• RQ2 산림 SAR 자료에서 관측된 백스캐터링 포화가 진정으로 역전 불가능한가, 아니면 정점 이후에도 잔존하는 감도가 존재하는가?
• RQ3 RVoG 기반 백스캐터링 모델이 증가하는 파장 흡수로 인해 포화 지점 이후에 백스캐터링 감소 추세를 예측할 수 있는가?
• RQ4 흡수 계수는 실측 자료로부터 신뢰성 있게 추정할 수 있으며, 이는 산림 높이 및 생물량 추정 정확도를 향상시키는가?

주요 결과

• 흡수 계수는 연구 간 일관성 없이 보고되고 있으며, 주파수나 산림 유형과의 명백한 관계가 없어 표준화된 측정 또는 물리적 이해의 부족을 시사한다.
• RVoG 기반 백스캐터링 모델은 증가하는 파장 흡수로 인해 식생 높이 증가에 따라 정점-감소 형태의 백스캐터링 행동을 예측한다.
• 백스캐터링은 흡수 계수와 지면 대 볼륨 비율에 따라 특정 식생 높이에서 최대에 도달하며, 이는 포화가 절대적이지 않음을 시사한다.
• 포화 지점 이후 높이에 대한 백스캐터링 민감도는 약하지만 이론적으로 존재하므로, 흡수 계수가 정확히 알려져 있다면 높이 추정을 연장할 수 있는 잠재력이 있다.
• 이론적 결과는 Mermoz 등(2015)과 Yu & Saatchi(2016)의 실험 관측과 일치하며, 이들은 열대 산림에서 L밴드 HV 백스캐터링이 포화 이후 감소 추세를 보였다고 보고하였다.
• 이론적으로 타당하나, 데이터의 불확실성으로 인해 실용적 구현에 어려움이 있으며, 포화 이후 감도의 운영적 활용 가능성은 제한되어 있다.