基于P波段SAR信号二面角散射分量的树干介电常数估算方法研究

为解决植被水分含量监测难题，研究人员通过改进混合分解技术与扩展Fresnel(x-Fresnel)模型，利用NASA AirMOSS任务的P波段SAR数据，首次实现了树干介电常数(εt )的遥感反演。研究表明，在二面角散射主导区域(如密林)，εt 估算值(2.4-59.7)与AMSR2 RWC、MODIS ET等参数呈现显著相关性(r=±0.1-0.64)，为森林生态系统水分监测提供了新型微波遥感技术路径。

　　

在全球气候变化背景下，森林植被水分动态监测成为生态研究的核心课题。传统光学遥感虽能通过NDVI、LAI等指数间接反映植被状态，却难以穿透冠层直接获取树干水分信息。而主动微波遥感技术，特别是低频P波段(430MHz)合成孔径雷达(SAR)，因其独特的穿透能力，为植被垂直结构探测提供了新可能。然而，现有L波段研究在分解算法和散射模型上存在局限——静态参数假设导致植被水分反演精度不足，亟需开发适应P波段特性的新型分析方法。

NASA喷气推进实验室联合德国宇航中心团队在《Science of Remote Sensing》发表突破性研究。通过改进混合分解技术结合扩展Fresnel(x-Fresnel)模型，首次实现了基于P波段SAR二面角散射分量的树干介电常数(ε_t
)反演。研究创新性地引入动态损失因子(m_D
)、相位角(φ)和旋转限制角(θ₁
)等参数，解决了传统模型在P波段适用性不足的问题。

关键技术包括：(1)采用NASA AirMOSS任务2013-2015年P波段全极化SAR数据(分辨率90m)；(2)开发混合分解算法分离土壤、二面角和体散射分量；(3)构建x-Fresnel模型模拟二面角散射机制，动态计算m_D
^expo
、φ和θ₁
；(4)结合美国本土4个森林站点(Howland、Harvard、Duke、Metolius)原位数据验证。

【5.1 模型参数分析】
通过敏感性研究发现，x-Fresnel模型参数对ε_t
估算具有显著影响：相位角φ(0°-90°)导致二面角散射强度(f_d
^x-Fresnel
)变化达4.4倍，旋转限制角θ₁
引起散射角(α_d
^x-Fresnel
)波动36.8°-131.2°。动态参数化使模型更贴合P波段特性。

【5.2 散射分量特征】
分解结果显示，二面角散射占比(P_d
/P_t
)与森林密度正相关：从无林区Durham站(0.11)到针叶林Metolius站(0.39)，直至密林Harvard站(0.44)。但ε_t
与P_d
/P_t
无直接线性关系，印证方法依赖散射机制(α_d
)与强度(f_d
)双重特征。

【5.3-5.4 环境相关性】
在二面角散射主导区域，ε_t
与环境参数呈现显著关联：与AMSR2 RWC(r=0.47)、MODIS ET(r=0.6)正相关，与气温(T_air
)负相关(r=-0.31)。而低散射占比站点(如Howland)相关性微弱，验证方法物理边界。

这项研究开创性地建立了P波段SAR二面角散射与树干介电特性的定量关系。相比传统L波段方法，改进模型通过动态参数化将ε_t
估算范围扩展至2.4-59.7，更符合针叶林(15-25.9)与阔叶林(9.4-21.8)的生理差异。其重要意义在于：(1)首次证实P波段对树干水分的直接探测能力；(2)为即将发射的NISAR和BIOMASS卫星任务提供新型算法框架；(3)推动微波遥感从生物量估算向生理状态监测的范式转变。未来通过融合多频段数据，该方法有望实现森林水分垂直剖面的全息反演。