Εκτίμηση του Δασικού Ύψους Κομοστέγης με τη Χρήση Συμβολομετρίας Διπλής Συχνότητας

Abstract

Η τεχνική της συμβολομετρίας απεικονίσεων (SAR) πλέον είναι μια σημαντική και καλά εδραιωμένη τηλεπισκοπική τεχνική που επιτρέπει τον ακριβή προσδιορισμό γεωφυσικών παραμέτρων. Η τεχνική της συμβολομετρίας αξιοποιώντας της διαφορά της φάσης δυο απεικονίσεων radar παρέχει ακριβείς υψομετρικές μετρήσεις. Η συνεχής βελτίωση της τεχνικής της συμβολομετρίας SAR και η ανάπτυξη νέων συστημάτων SAR αυξάνει την ακρίβειας των αποτελεσμάτων και τις πιθανές χρήσεις της τεχνικής. Τη τελευταία δεκαετία, η τεχνική της συμβολομετρίας απεικονίσεων SAR έχει προκαλέσει το επιστημονικό ενδιαφέρον και αποτελεί αξιόπιστη τεχνική εκτίμησης δασικών παραμέτρων. Συγκεκριμένα, το δασικό ύψος κομοστέγης που μπορεί να εκτιμηθεί με τη τεχνική της συμβολομετρίας αποτελεί μια σημαντική παράμετρο για την ποσοτικοποίηση του γήινου κύκλου του άνθρακα. Η συγκεκριμένη διπλωματική εργασία μελετάει τη χρήση της επαναληπτικής συμβολομετρίας στη περιοχή του Ταξιάρχη στη Χαλκιδική, με τη χρήση δεδομένων μπάντας L με πόλωση ΗΗ (ALOS PALSAR) και μπάντας Χ με πόλωση ΗΗ (COSMO Skymed). Η συμβολομετρική επεξεργασία των δεδομένων SAR έχει σαν αποτέλεσμα τη παραγωγή ψηφιακών υψομετρικών μοντέλων και στη συνέχεια την εξαγωγή της πληροφορίας του δασικού ύψους κομοστέγης. Εξετάζεται το φαινόμενο της εξάρτησης του μήκους κύματος με τη διαπεραστικότητα μέσα στη δασική κομοστέγης με στόχο την χαρτογράφηση του δασικού ύψους κομοστέγης χρησιμοποιώντας συμβολομετρίας διπλής συχνότητας (μπάντες L,X). Αυτή η μέθοδος βασίζεται στη γεωμετρική διαφορά των κέντρων φάσης σκέδασης στα διαφορετικά μήκη κύματος της μικροκυματικής ακτινοβολίας. Περιλαμβάνει την παραγωγή του ψηφιακού υψομετρικού μοντέλου που περιγράφει την επιφάνεια του εδάφους κάτω από τη δασική κομοστέγη με την χρήση επαναληπτικής συμβολομετρίας των δεδομένων SAR μπάντας L (ALOS PALSAR). Στη συνέχεια το συγκεκριμένο υψομετρικό μοντέλο χρησιμοποιείται για να αφαιρεθεί ο όρος του εδάφους από το ψηφιακό υψομετρικό μοντέλο που παράγεται με τη χρήση επαναληπτικής συμβολομετρίας των δεδομένων SAR μπάντας Χ (COSMO Skymed) με τελικό στόχο την εξαγωγή της πληροφορίας του δασικού ύψους. Συμπερασματικά, το εκτιμώμενο ύψος δασικής κομοστέγης είναι μικρότερο από το πραγματικό λόγω της διαπεραστικότητας της μικροκυματικής ακτινοβολίας μπάντας Χ. Τέλος, τα παραγόμενα ψηφιακά υψομετρικά μοντέλα αξιολογούνται χρησιμοποιώντας ένα ψηφιακό υψομετρικό μοντέλο καλύτερης ακρίβειας και με επίγειες μετρήσεις. Τα αποτελέσματα εκτίμησης του ύψους δασικής κομοστέγης συγκρίνονται με τα επίγεια δεδομένα με το μέσο τετραγωνικό σφάλμα να είναι 6.9 μέτρα. Η αξιολόγηση του χάρτη ύψους δασικής κομοστέγης υλοποιείται χρησιμοποιώντας ένα χάρτη κλίσεων και μια εικόνα Landsat 8. Η συγκεκριμένη διπλωματική εργασία διασφαλίζει ότι η συγκεκριμένη προτεινόμενη μεθοδολογία είναι κατάλληλη για τον προσδιορισμό του δασικού ύψους κομοστέγης σε μεγάλες γεωγραφικές περιοχές και για διάφορους δασικού τύπους, παρέχοντας μια εναλλακτική λύση με βάση τις υπάρχουσες τεχνικές.

Synthetic aperture radar interferometry (InSAR) is a powerful and well-established remote sensing technique that enables the highly accurate measurement of important geophysical parameters. SAR interferometry compares the phase of two complex radar images for highly accurate elevation measurements. The continuous improvement of InSAR technique and the development of new SAR systems increases the accuracy of the results and the potential uses of the technique. Synthetic aperture radar interferometry techniques have gained traction in last decade as a viable technology for vegetation parameter estimation. Forest canopy height can be estimated with InSAR which is critical parameter for quantifying the terrestrial carbon cycle. This thesis discusses the use of repeat pass interferometry with ALOS PALSAR (L band) HH polarized and COSMO Skymed (X band) HH polarized acquisitions over Taksiarxis, Chalkidiki, Greece in order to produce accurate DEMs through the interferometric processing and additionally the outcome estimation of canopy height. The effect of wavelength-dependent penetration depth into the canopy is known to be strong, and could potentially lead to forest canopy height mapping using dual-wavelength SAR interferometry at X- and L-band. The method is based on scattering phase center separation at different wavelengths. It involves the generation of a terrain elevation model underneath the forest canopy from repeat-pass Lband InSAR data. The terrain model is then used to remove the terrain component from the repeat pass interferometric X-band elevation model to estimate forest canopy height. This height is known to be considerably lower than the tree height as a result of penetration of microwaves into the canopy that can be significant even at X-band. The produced DEMs by interferometric processing have been evaluated using DEM with better accuracy and field measurements. The canopy height results are compared to a field survey with root mean square error (RMSE) 6.9m . The validation of the canopy height estimation map has been performed using slope map and Landsat 8 image. This thesis confirms that the proposed methodology is well suited to derive canopy height over large geographic areas and varied vegetation types, providing an alternative to existing techniques.