[发明专利]基于三维微地貌重建的雷达遥感多尺度面粗糙度测量方法

说明书

技术领域

本发明涉及粗糙度测量技术领域，具体地，涉及基于三维微地貌重建的雷达遥感多尺度面粗糙度测量方法。

背景技术

土壤粗糙度在农业、土壤学、天气与气候预测、地质等应用领域有重要的应用。在农业和土壤学方面，粗糙度对入渗、洪水和土壤侵蚀过程都有影响；在气候和天气预报领域，土壤贮存和蒸发水分也依赖于土壤粗糙度情况；在地质学方面，可以依据表面粗糙度情况判断风蚀砂石的地质元素信息。

目前，雷达遥感作为一种新型、先进、实用、大面积的地表观测手段，在农业、土壤、气候、地质等各应用领域发挥越来越重要的作用。综观雷达遥感反演地表参数研究的发展历程，地表粗糙度一直以来都是研究的重点，土壤粗糙度对雷达后向散射有直接影响，是地表参数获取模型中的关键输入参数。只有将地表粗糙度的问题解决之后，才能够建立正确的地表电磁散射模型，有效地开展地表参数反演工作。

从粗糙度测量技术的发展历程看，粗糙度测量技术经历了三个发展阶段：

第一个阶段，按触式测针粗糙度仪。这是最原始的粗糙度仪。中间用一排间隔相等(约3cm)的测针(100根左右)，反复测量后取平均值。为了使用方便，在仪器上可以放置罗盘和水平指示器等；

第二个阶段，改进的按触式测针粗糙度仪。这个阶段的粗糙度测量与第一阶段相比，在实地测量的仪器及方式方法上几无区别，最大的改进在于第一个阶段使用的是全人工的读取探针上下起伏的刻度(Δ)；而第二个阶段的处理方式是通过计算机数字化，然后利用程序自动进行照片校正以及提取曲线，从而更加节省人力，同时提高了精度，固化了整个测量流程；

第三个阶段，激光扫描仪。最近，欧空局以及中国科学院遥感与数字地球研究所雷达应用技术研究室各自自主研发了一套地表粗糙度激光扫描仪来获取高精度的地表起伏状态。这两套激光扫描仪能够更密集地获取地面起伏点，相比以上二种方法，精度提高了一个量级(毫米)。

目前，就工程应用而言，第二种粗糙度测量技术应用的最为广泛；而科学研究中，第三种技术已经受到了越来越大的关注。

以上三种方法的缺点与不足非常明显。从科研探索和工程应用两个方面进行说明：

就科研探索角度，众所周知，不同尺度的粗糙度结果是不同的。测量长度越长，相关长度越长。例如，在同一地区，对测量截面长度分别为3m和30m粗糙度进行测量，其相关长度是不同的。30m测量截面情况下的相关长度往往更大；此外，不同波长观测尺度下，粗糙度可能发生变化。例如，用波长20cm的L波段看起来平坦的地表在波长5cm的C波段下看起来就变得粗糙。针对以上两个方面，可以看出：

(1)现有的三种方法无一例外的都是在很小范围内测量粗糙度——(改进的)按触式测针粗糙度仪和激光扫描仪均只有3米左右。如果要测量30m或更大范围的粗糙度就需要不断地进行拼接，而拼接过程中无疑会带来不可忽略的误差；

(2)按触式测针粗糙度仪和激光扫描仪测量结果的尺度效应并不明显，依赖于测针间距和扫描仪探测密度，即我们无法利用现有的测量技术同时获取研究区域在X波段-L波段等不同波长尺度上的粗糙度；

(3)现有的三种方法都只能测量某一方向上的“线粗糙度”，对于该方向上的区域性“面粗糙度”的测量无法完成，这对于现代雷达卫星的新型成像模式是不适用的。以上三个方面的缺陷极大地制约了科研工作中粗糙度的获取精度，会存在测量结果并不是雷达卫星信号所探测到的微地貌起伏程度。

从工程应用的角度，测量精度和实用效率是主要需要考虑的因素。因此从这些方面分析，可以发现：

(1)按触式测针粗糙度仪的相邻探针有2-4cm的间隔。用按触式测针测量技术很难测量这些探针间隔之间的粗糙度变化，从而不可避免地出现较大的误差。该技术更多地应用于微粗糙地表，不适用于起伏较大的极粗糙地表的粗糙度测量。同时，测量过程中人为因素影响很大，无论是确定测量方向还是按压测针的力度，这些都会造成测量结果与实际粗糙度的不同；

(2)激光扫描仪相比于按触式测针粗糙度仪，精度明显提高。但仪器要求高，成本相对昂贵，且由于仪器复杂，在搬运过程中较为不便，测量效率低下，不利于实际测量。

综上所述，现有方法无论在科学研究还是工程应用中，都存在重要的不可忽略的缺陷。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于三维微地貌重建的雷达遥感多尺度面粗糙度测量方法，使其可进行大范围、多尺度的面测量，且测量精度高、实用性强。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

基于三维微地貌重建的雷达遥感多尺度面粗糙度测量方法，包括如下步骤：