[论文解读] 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 4

一句话总结

本文研究了消光系数在森林监测雷达后向散射模型中的作用，采用基于物理的RVoG模型表明，由于波的消光，后向散射随植被高度呈现先增后减的趋势。关键发现是后向散射的饱和并非绝对，若能准确表征消光，峰值之后的敏感性可能实现更长的植被高度估算。

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.

研究动机与目标

• 评估雷达后向散射模型中用于森林监测的消光系数在使用和解释上的不一致问题。
• 研究在森林中观测到的后向散射饱和是否真正不可逆，或峰值之后的下降趋势是否可实现更长的植被高度估算。
• 评估消光系数在雷达-植被相互作用中的物理基础，尤其关注传感器频率和森林类型的影响。
• 倡导开展专门的实验测量以解决当前模型中消光系数的模糊性。

提出的方法

• 对不同森林类型和雷达频率（P、L、C波段）下消光系数值的文献进行了综述。
• 将RVoG（随机体积对地）模型改编为仅含后向散射的公式，通过去除干涉多样性并假设主导的体积散射和双次反弹散射分量。
• 利用RVoG模型，以植被高度为变量，模拟理论后向散射响应，其中消光系数为关键参数。
• 通过回归分析对后向散射数据进行参数估计，并对消光系数和地表-体积比进行敏感性分析。
• 在渐近与非渐近条件下对模型进行测试，将结果与实测数据及先前研究进行比较。
• 将理论预测与热带和温带森林中观测到的后向散射趋势进行对比，特别关注饱和后的下降趋势。

实验结果

研究问题

• RQ1 消光系数是否系统性地随森林类型和雷达频率变化，还是被任意地作为拟合参数处理？
• RQ2 森林SAR数据中观测到的后向散射饱和是否真正不可逆，还是在峰值之后仍存在残余敏感性？
• RQ3 基于RVoG的后向散射模型在多大程度上能预测由于波消光增加而导致的后向散射在饱和点之后的下降趋势？
• RQ4 能否从实测数据中可靠估计消光系数，且这种估计是否能提高森林高度和生物量反演的准确性？

主要发现

• 不同研究中消光系数的报告极不一致，且未显示出与频率或森林类型之间的明确依赖关系，表明缺乏标准化测量或物理理解。
• 基于RVoG的后向散射模型预测，随着植被高度增加，后向散射呈现先峰后降的行为，其驱动力是波消光的增加。
• 后向散射在特定植被高度达到最大值，该值取决于消光系数和地表-体积比，表明饱和并非绝对。
• 后向散射在饱和点之后对高度的敏感性虽弱但理论上存在，若能准确掌握消光系数，可能实现更长的植被高度估算。
• 理论结果与Mermoz等人（2015）和Yu & Saatchi（2016）的实验观测一致，他们报告在热带森林中L波段HV后向散射在饱和后出现下降趋势。
• 尽管理论上有合理性，但实际应用受限于数据不确定性，导致饱和后敏感性的操作实用性受限。