Характеристики растительности и подстилающий рельеф по данным интерферометрического радара

В статье сформулированы и продемонстрированы методы извлечения характеристик растительности и рельефа подстилающей поверхности по данным интерферометрического радара с синтетической апертурой (INSAR). Смоделированы электромагнитное рассеяние и радиолокационная обработка, которые формируют наблюдения INSAR; определены параметры растительности и топографии для оценки; оценены погрешности параметров с точки зрения характеристик инструментальных средств INSAR; и продемонстрирована оценка параметров на данных INSAR с сопоставлением с наземной информацией. Фундаментальными наблюдениями, по которым оценивают параметры растительности и поверхностной топографии, являются (1) амплитуда взаимной корреляции, (2) фаза взаимной корреляции и (3) мощность обратнорассеянного сигнала синтетической апертурной радиолокации (SAR). Рассчет, основанный на рассеянии от растительности, рассматриваемой как случайная среда, с учетом эффектов преломляемости и поглощения в растительности, дает выражения для комплексной взаимной корреляции и обратнорассеянной мощности в терминах характеристик растительности. Эти выражения приводят к выделению минимального набора из четырех параметров, описывающих растительность и топографию поверхности: (1) глубина слоя растительности, (2) коэффициент экстинкции растительности (потеря мощности на единицу длины), (3) параметр, включающий произведение средней амплитуды обратнорассеяния и плотности числа рассеивателей, и (4) высота подстилающей поверхности. Точность оценок параметров растительности и поверхности в зависимости от точности наблюдений INSAR оценена для авиационного INSAR, характеризующегося базой 2.5 м, высотой около 8 км и длиной волны 5.6 см. Установлено, что при примерно 0.5% точности нормированной амплитуды взаимной корреляции INSAR и примерно 5° точности интерферометрической фазы возможно определение глубин слоя растительности и высот поверхности с погрешностью в несколько метров для многих типов слоев растительности. При тех же точностях наблюдений коэффициенты экстинкции могут оцениваться на уровне 0.1 дБ/м. Поскольку число параметров превышает число наблюдений в текущих наборах данных INSAR, для демонстрации оценки глубины слоя растительности и высоты поверхности использованы внешние данные по коэффициенту экстинкции на данных INSAR, полученных в экспериментальном лесном массиве Bonanza Creek на Аляске. Эта демонстрация показывает примерно 5-м среднее соответствие наземным данным для глубин слоя растительности и высот поверхности, с явной зависимостью ошибки от высоты насаждения. Эти погрешности указывают на необходимость уточнений в методах сбора и анализа данных INSAR, которые потенциально обеспечат точности в несколько метров. Информация, содержащаяся в параметрах INSAR, применима к различным задачам экологического моделирования, включая моделирование сукцессии лесных экосистем.