基于紧致极化SAR的水稻物候期反演方法研究

Newly developed compact polarimetric systerms, constitute a significant advancement in future SAR missions with the great advantage of providing more target information than single-pol systems and offering a wider swath width, a better energy budget and less stringent data requirements than quad-pol systems. With the emergence of compact polarimetric systerms, the methods of rice monitoring need to be improved urgently. Rice phenology is useful as an input in growth monitoring and yield prediction models. And the current phenological stage of rice fields is helpful for planning and/or triggering farming activities, optimizing resources. Providing timely and accurate information about rice phenology, at reduced local scale, has a great significance for promoting the development of precision agriculture, improving overall agricultural production capacity. As part of an ongoing effort to explore the use of compact SAR data in rice monitoring, in this study an assessment of the utility of compact polarimetry mode for automated rice phenology monitoring is conducted using multi-temporal simulated data.

紧致极化SAR（Compact SAR）是新一代对地观测SAR系统的重要发展趋势之一。随着对地观测紧致极化SAR系统的日益丰富，开展基于紧致极化SAR数据的应用关键技术研究显得尤为迫切。水稻物候期是长势监测与估产的基础，也是水稻生产、田间管理、资源配置与决策的重要依据。准确及时地获取水稻物候信息，对于推动我国精细农业发展，增强农业综合生产能力具有重要意义。本项目结合考虑稻穗层的Monte-Carlo相干水稻微波散射模型，研究分析水稻10个主要物候期生理结构及其下垫面的变化对其雷达响应特征的影响机理和显著程度，寻求水稻不同物候期的雷达显著特征。在此基础上，基于多时相紧致极化SAR模拟数据，研究分析水稻不同物候期的紧致极化SAR响应规律，并针对紧致极化SAR数据多维特征信息，发展基于支持向量机和序列前进搜寻策略的特征优化选择与水稻物候期反演算法，为紧致极化SAR水稻物候期反演建立有效的方法。

在项目执行期间，开展了星地同步实验，获取了多时相全极化SAR数据以及丰富的地面数据；实现了基于全极化SAR的紧致极化SAR数据模拟方法，获得了覆盖水稻全生育期的紧致极化SAR数据集；改进了原有考虑稻穗层的水稻微波散射模型，构建了双圆柱弯曲稻穗模型，精细刻画稻穗的弯曲形态，实现水稻全生育期，尤其是抽穗期及以后雷达响应特征的精确模拟；并结合水稻生长模型DSSAT-(CERES-Rice)，研究获得了水稻不同物候期的雷达显著特征；在此基础上，基于紧致极化SAR数据研究分析了水稻不同物候期的紧致极化SAR响应规律；并针对紧致极化SAR多维特征变量，构建了基于支持向量机（SVM）和序列前进搜寻策略（SFS）的水稻物候期反演方法，圆满完成了项目预设的研究目标。为了进一步优化水稻物候监测效果，针对SVM+SFS方法在处理三个及以上物候期并存情况时的不足，发展了基于Monte-Carlo模拟和去相关的紧致极化SAR物候监测方法（MCCL），同时引入全极化SAR与光学数据，实现水稻物候期的高精度反演。最后，基于发展的物候期反演方法提出了水稻物候监测的最优框架，形成了一套基于紧致极化SAR、全极化SAR以及多源遥感数据的水稻物候监测技术方法。通过项目研究工作，定量评价了紧致极化SAR、极化SAR在水稻监测中的应用潜力，为我国新一代对地观测SAR卫星的先期验证提供了可靠依据，同时发展的水稻物候监测方法在江苏、浙江得到实践应用，能够为水稻长势监测与估产、田间管理、资源配置与决策提供基础信息。此外，在项目研究工作中还发现全生育期内，水稻物候变化对其冠层的影响很大，并针对这一问题，发展了考虑冠层异质性及其物候变化的半经验水稻散射模型，成功将水稻物候变化的影响考虑到后续参数反演与估产研究中。