Abstract
The Shuttle Radar Topography Mission distinguished itself as the first near-global spaceborne mission to demonstrate direct sensitivity to vertical vegetation structure. Whether this sensitivity is viewed as exploitable signal or unwanted bias, a great deal of interest exists in retrieving vegetation canopy height information from the SRTM data. This study presents a comprehensive application-specific assessment of SRTM data quality, focusing on the characterization and mitigation of two primary sources of relative vertical error: uncompensated Shuttle mast motion and random phase noise. The assessment spans four test sites located in the upper Midwestern United States and examines the dependence of data quality on both frequency, i.e., C-band vs. X-band, and the number of acquired datatakes. The results indicate that the quality of SRTM data may be higher than previously thought. Novel mitigation strategies include a knowledge-based approach to sample averaging, which has the potential to reduce phase noise error by 43 to 80%. The strategies presented here are being implemented as part of an ongoing effort to produce regional- to continental-scale estimates of vegetation canopy height within the conterminous U.S.
Keywords
SRTM; NED; InSAR; Vegetation canopy height; Phase noise; Uncompensated mast motion; Error reduction
1. Introduction
1.1. Motivation
In the last decade, Interferometric Synthetic Aperture Radar (InSAR) has emerged as an invaluable tool for providing high-resolution estimates of three-dimensional forest structure across broad geographic extents. In the vertical dimension, InSAR exhibits frequency-dependent sensitivity to the height of vegetation canopy elements (e.g., leaves, branches, and stems), and a number of investigators have had success in retrieving estimates of canopy height from interferometric measurements (Brown, 2003, Hagberg et al., 1995, Kellndorfer et al., 2004, Kobayashi et al., 2000, Papathanassiou and Cloude, 2001, Sarabandi and Lin, 2000 and Treuhaft and Siqueira, 2000). Whereas InSAR has yet to achieve the high vertical accuracies demonstrated with other emerging technologies such as lidar (light detection and ranging; Dubayah and Drake, 2000 and Lefsky et al., 2002), microwave-based interferometry maintains an advantage in having the ability to penetrate clouds and, to some extent, rain while imaging large swath widths of up to 225 km on the ground. As an imaging technology, InSAR is well suited to satisfy the ever-increasing demand for data products that provide continuous “wall-to-wall” coverage at regional to continental scales.
In February of 2000, the Shuttle Radar Topography Mission (SRTM) became the first InSAR to acquire spatially-continuous elevation information over 80% of the Earth's land mass (Rabus et al., 2003). Although the primary mission objective was delivery of high-resolution topographic data, SRTM nevertheless distinguished itself as the first seamless near-global spaceborne mission to demonstrate direct sensitivity to the vertical structure of vegetation (Treuhaft et al., 2004). This sensitivity can be attributed in large measure to the relatively short wavelengths of the C- (5.6 cm) and X-band (3.1 cm) interferometers operated on board SRTM. Generally speaking, incoming radar waves are scattered most strongly by surface elements that are large relative to the wavelength. Consequently, where vegetation is present, leaves, twigs, and branches act as strong scatterers of C- and X-band energy. All else being equal (e.g., density, cover type, incidence angle, polarization, etc.), C-band waves will penetrate further into a canopy than X-band waves as a result of the small but meaningful difference in wavelength.
The sensitivity of InSAR to the vertical structure of vegetation has prompted recent efforts to investigate the feasibility of leveraging SRTM elevation data as a source for regional- to continental-scale estimates of vegetation canopy height (Brown, 2003, Brown and Sarabandi, 2003 and Kellndorfer et al., 2004). This research is motivated, on the one hand, by calls to increase the reliability of global climate models, which can be accomplished to a large degree by reducing the uncertainty associated with current estimates of terrestrial carbon stocks (Wofsy and Harriss, 2002 and Zebker et al., 1994). Terrestrial carbon generally accounts for 49–52% of aboveground biomass, and biomass tends to be highly correlated with canopy height (Birdsey & Lewis, 2003). On the other hand, the user community both in the U.S. and abroad has expressed keen interest in reducing the uncertainty associated with the SRTM elevation products themselves (Koch & Heipke, 2001; John LeBreque, pers. comm.). SRTM was undertaken to produce digital terrain models (DTMs) of the Earth's land surface. However, in areas where extensive tree and/or shrub cover is present (e.g., boreal and Amazon regions), a significant positive bias in the data is observed. As a resu
บทคัดย่อ
กระสวยภารกิจเรดาร์ภูมิประเทศเด่นชัดเป็นภารกิจอวกาศใกล้โลกครั้งแรกที่แสดงให้เห็นถึงความไวโดยตรงกับโครงสร้างพืชแนวตั้ง ไม่ว่าจะเป็นความไวนี้ถูกมองว่าเป็นสัญญาณโหว่หรืออคติที่ไม่พึงประสงค์การจัดการที่ดีที่น่าสนใจที่มีอยู่ในการดึงข้อมูลความสูงของพืชหลังคาจากข้อมูล SRTM การศึกษาครั้งนี้แสดงการประเมินที่ใช้เฉพาะที่ครอบคลุมของข้อมูลที่มีคุณภาพ SRTM โดยมุ่งเน้นที่ตัวละครและการบรรเทาผลกระทบของทั้งสองแหล่งที่มาหลักของข้อผิดพลาดในแนวตั้งญาติ: uncompensated เคลื่อนไหวกระสวยเสาและเสียงรบกวนเฟสแบบสุ่ม การประเมินครอบคลุมสี่สถานที่ทดสอบอยู่ในตอนบนของภาคตะวันตกของสหรัฐอเมริกาและการตรวจสอบการพึ่งพาอาศัยกันของข้อมูลที่มีคุณภาพบนคลื่นความถี่ทั้งสองคือ C-Band กับ X-band และจำนวนของ datatakes ที่ได้มา ผลการวิจัยพบว่าคุณภาพของข้อมูล SRTM อาจจะสูงกว่าที่เคยคิด กลยุทธ์ลดนวนิยายรวมถึงวิธีการความรู้ตามที่จะลิ้มลองเฉลี่ยซึ่งมีศักยภาพในการลดความผิดพลาดเสียงเฟส 43 ถึง 80% กลยุทธ์ที่นำเสนอนี้จะถูกนำมาใช้เป็นส่วนหนึ่งของความพยายามอย่างต่อเนื่องในการผลิต regional- คอนติเนนการประมาณการขนาดของความสูงของพืชหลังคาภายใน conterminous สหรัฐคำSRTM; NED; InSAR; ความสูงของหลังคาพืชพันธุ์; เสียงเฟส การเคลื่อนไหวเสา uncompensated; ลดข้อผิดพลาด1 บทนำ1.1 แรงจูงใจในทศวรรษที่ผ่านมา Interferometric รูเรดาร์สังเคราะห์ (InSAR) ได้กลายเป็นเครื่องมือที่ทรงคุณค่าสำหรับการให้ประมาณการความละเอียดสูงของโครงสร้างป่าสามมิติข้ามขอบเขตทางภูมิศาสตร์ในวงกว้าง ในมิติแนวตั้ง InSAR การจัดแสดงนิทรรศการความไวขึ้นอยู่กับความถี่สูงขององค์ประกอบหลังคาพืช (เช่นใบกิ่งก้านและลำต้น) และจำนวนของผู้ตรวจสอบมีความสำเร็จในการเรียกประมาณการของความสูงของหลังคาจากการวัดอินเทอร์ (สีน้ำตาล 2003 , Hagberg et al., 1995 Kellndorfer et al., 2004 โคบายาชิ et al., 2000, Papathanassiou และ Cloude 2001 Sarabandi และหลิน 2000 และ Treuhaft และ Siqueira, 2000) ในขณะที่ InSAR ยังไม่ได้บรรลุความถูกต้องตามแนวตั้งสูงแสดงให้เห็นถึงกับเทคโนโลยีที่เกิดขึ้นใหม่อื่น ๆ เช่น LIDAR (การตรวจจับแสงและตั้งแต่. Dubayah และเป็ด 2000 และ Lefsky, et al, 2002), อินเตอร์เฟไมโครเวฟที่ใช้รักษาความได้เปรียบในการมีความสามารถในการ เจาะเมฆและบางส่วนฝนในขณะที่การถ่ายภาพแนวกว้างขนาดใหญ่ได้ถึง 225 กม. บนพื้นดิน ในฐานะที่เป็นเทคโนโลยีการถ่ายภาพ, InSAR เหมาะดีเพื่อตอบสนองความต้องการที่เพิ่มขึ้นสำหรับข้อมูลผลิตภัณฑ์ที่ให้อย่างต่อเนื่อง "กำแพงกับผนัง" ครอบคลุมในระดับภูมิภาคเพื่อชั่งน้ำหนักคอนติเนน. ในเดือนกุมภาพันธ์ของปี 2000 ภารกิจกระสวยเรดาร์ภูมิประเทศ (SRTM) กลายเป็น แรก InSAR ที่จะได้รับข้อมูลเชิงพื้นที่ระดับความสูงอย่างต่อเนื่องกว่า 80% ของมวลดินของโลก (Rabus et al., 2003) แม้ว่าวัตถุประสงค์ภารกิจหลักคือการส่งมอบข้อมูลภูมิประเทศความละเอียดสูง SRTM ยังคงความโดดเด่นของตัวเองเป็นครั้งแรกที่ไร้รอยต่อที่อยู่ใกล้โลกภารกิจอวกาศที่จะแสดงให้เห็นถึงความไวโดยตรงกับโครงสร้างแนวตั้งของพืช (Treuhaft et al., 2004) ความไวนี้สามารถนำมาประกอบในการวัดขนาดใหญ่เพื่อความยาวคลื่นที่ค่อนข้างสั้นของ C- (5.6 ซม.) และ X-band (3.1 ซม.) ดำเนินการใน interferometers SRTM คณะกรรมการ โดยทั่วไปคลื่นเรดาร์ที่เข้ามาจะกระจายมากที่สุดโดยองค์ประกอบพื้นผิวที่มีขนาดใหญ่เพื่อญาติความยาวคลื่น ดังนั้นที่เป็นปัจจุบันพืชใบไม้กิ่งไม้และสาขาทำหน้าที่ scatterers เป็นที่แข็งแกร่งของ C- และ X-band พลังงาน ทุกคนเท่าเทียมกัน (เช่นความหนาแน่นชนิดปกมุมอุบัติการณ์, โพลาไรซ์ ฯลฯ ) คลื่น C-Band จะเจาะลึกลงไปในท้องฟ้ากว่าคลื่น X-band เป็นผลมาจากความแตกต่างเล็ก ๆ แต่มีความหมายในความยาวคลื่น. ความไว ของ InSAR กับโครงสร้างแนวตั้งของพืชได้รับแจ้งความพยายามล่าสุดในการตรวจสอบความเป็นไปได้ของการใช้ประโยชน์จากข้อมูล SRTM ยกระดับเป็นแหล่งข้อมูลสำหรับการประมาณการ regional- เนลตัลขนาดความสูงของพืชหลังคา (สีน้ำตาล 2003 บราวน์และ Sarabandi, 2003 และ Kellndorfer et al, การให้ ., 2004) งานวิจัยนี้ได้แรงบันดาลใจบนมือข้างหนึ่งโดยการโทรไปยังเพิ่มความน่าเชื่อถือของแบบจำลองสภาพภูมิอากาศโลกซึ่งสามารถทำได้ในระดับที่มีขนาดใหญ่โดยการลดความไม่แน่นอนที่เกี่ยวข้องกับการประมาณการในปัจจุบันของหุ้นคาร์บอนบก (Wofsy และ Harriss, 2002 และ Zebker et al., 1994) คาร์บอนบกโดยทั่วไปมีสัดส่วน 49-52% ของมวลชีวภาพเหนือพื้นดินและชีวมวลที่มีแนวโน้มที่จะมีความสัมพันธ์อย่างมากกับหลังคาสูง (Birdsey และลูอิส, 2003) บนมืออื่น ๆ , ชุมชนผู้ใช้ทั้งในสหรัฐและต่างประเทศได้แสดงความสนใจในการลดความไม่แน่นอนที่เกี่ยวข้องกับผลิตภัณฑ์ SRTM ยกระดับตัวเอง (โคช์ & Heipke 2001;.. จอห์น LeBreque, Pers Comm) SRTM ได้ดำเนินการในการผลิตแบบจำลองภูมิประเทศแบบดิจิตอล (เจ) ของพื้นผิวของโลก อย่างไรก็ตามในพื้นที่ที่มีต้นไม้ที่กว้างขวางและ / หรือฝาไม้พุ่มเป็นปัจจุบัน (เช่นเหนือและภูมิภาค Amazon) อคติเชิงบวกอย่างมีนัยสำคัญในข้อมูลเป็นที่สังเกต ในฐานะที่เป็น resu
การแปล กรุณารอสักครู่..

บทคัดย่อกระสวยเรดาร์ภูมิประเทศภารกิจความเด่นชัดเป็นครั้งแรก ใกล้ spaceborne ทั่วโลกแสดงให้เห็นถึงความไวโดยตรงภารกิจโครงสร้างพืชแนวตั้ง ไม่ว่าความไวนี้ถูกมองว่าเป็นสัญญาณที่ไม่พึงประสงค์ exploitable หรืออคติ จัดการที่ดีของความสนใจที่มีอยู่ในการค้นคืนสารสนเทศจากข้อมูลความสูงทรงพุ่มพืช srtm . การศึกษานี้ได้นำเสนอที่ครอบคลุมเฉพาะใบสมัครการประเมิน srtm ข้อมูลคุณภาพ เน้นการตรวจสอบและแก้ไขข้อผิดพลาดในแนวตั้งสองแหล่งหลักของญาติ : uncompensated รับส่งเสาการเคลื่อนไหวและเสียงเฟสแบบสุ่ม การประเมินช่วงสี่ทดสอบบนเว็บไซต์ที่ตั้งอยู่ในสหรัฐอเมริกาและการศึกษาอิสระของข้อมูลที่มีคุณภาพทั้งบนความถี่ เช่น ลูกค้า กับ กซ์ แบนด์ และจำนวนของที่ได้มา datatakes . ผลการศึกษาพบว่า คุณภาพของข้อมูล srtm อาจจะสูงกว่าที่คิดไว้ก่อนหน้านี้ กลยุทธ์การผ่อนคลายนวนิยายรวมฐานความรู้ตัวอย่างเฉลี่ย ซึ่งมีศักยภาพในการลดข้อผิดพลาดเสียงเฟสโดย 43 ถึง 80 % กลยุทธ์ที่นำเสนอที่นี่ถูกใช้เป็นส่วนหนึ่งของความพยายามอย่างต่อเนื่องเพื่อผลิตในระดับภูมิภาค - Continental ขนาดประมาณความสูงของพืชหลังคาภายใน conterminous สหรัฐอเมริกาคำสำคัญsrtm ; เน็ด ; insar ; ความสูงทรงพุ่มพืช เสียงเฟส uncompensated เสาเคลื่อนไหว ; การลดข้อผิดพลาด1 . แนะนำ1.1 . แรงจูงใจในทศวรรษที่ผ่านมา , Interferometric รูเรดาร์สังเคราะห์ ( insar ) ได้เกิดเป็นเครื่องมือที่ทรงคุณค่าสำหรับการให้ความละเอียดสูงประเมินโครงสร้างสามมิติทั่วป่ากว้างทางภูมิศาสตร์ขอบเขต . ในมิติแนวตั้ง insar แสดงความถี่ขึ้นอยู่กับความไวต่อความสูงของทรงพุ่มพืชองค์ประกอบ ( เช่น ใบ กิ่ง และลำต้น ) และจำนวนของนักวิจัยมีความสำเร็จในการประมาณความสูงของหลังคาจากการวัด Interferometric ( สีน้ำตาล , 2003 , แฮ็คเบิร์ก et al . , 1995 , kellndorfer et al . 2004 โคบายาชิ et al . , 2000 , และ papathanassiou cloude , 2001 , sarabandi และหลิน , 2000 และ treuhaft และ siqueira , 2000 ) ส่วน insar ยังบรรลุความถูกต้องสูงแนวตั้งให้กับเทคโนโลยีอื่น ๆเช่น ไลดาร์ ( แสงตรวจจับตั้งแต่ ; dubayah และ Drake , 2000 และ lefsky et al . , 2002 ) , ไมโครเวฟตามการสนับสนุนการรักษาความได้เปรียบในการมีความสามารถที่จะเจาะเมฆและในบางส่วน ในขณะที่ภาพขนาดใหญ่ ความกว้างของแนวฝน ถึง 225 กิโลเมตรบนพื้นดิน เป็นภาพเทคโนโลยี insar เหมาะดีที่จะตอบสนองความต้องการเพิ่มมากขึ้นสำหรับข้อมูลผลิตภัณฑ์ที่ให้ผนังอย่างต่อเนื่อง " ผนัง " ครอบคลุมภูมิภาคยุโรประดับในเดือนกุมภาพันธ์ของปี 2000 กระสวยเรดาร์ภูมิประเทศภารกิจ ( srtm ) เป็นครั้งแรกที่จะได้รับ insar เปลี่ยนอย่างต่อเนื่องยกระดับข้อมูลมากกว่า 80 % ของมวลดินของโลก ( rabus et al . , 2003 ) แม้ว่า วัตถุประสงค์ ภารกิจหลักคือการส่งความละเอียดสูงข้อมูลภูมิประเทศ srtm อย่างไรก็ตามความเด่นชัดเป็นครั้งแรกที่ไร้รอยต่อทั่วโลกแสดงให้เห็นถึงความ spaceborne ใกล้ภารกิจโดยตรง โครงสร้างแนวดิ่งของพืช ( treuhaft et al . , 2004 ) ความไวในการวัดขนาดใหญ่ นี้สามารถนำมาประกอบกับความยาวคลื่นที่ค่อนข้างสั้นของ C - ( 5.6 ซม. ) และกซ์ แบนด์ ( 3.1 ซม. ) interferometers ดำเนินการบนกระดาน srtm . พูดโดยทั่วไป , คลื่นเรดาร์ที่เข้ามามีอยู่อย่างมากที่สุด โดยพื้นผิวองค์ประกอบที่มีขนาดใหญ่เมื่อเทียบกับความยาวคลื่น จากนั้น ซึ่งพืชเป็นปัจจุบัน กิ่งไม้ ใบไม้และกิ่งไม้ทำเป็นเข้มแข็ง scatterers ของ C - กซ์ แบนด์พลังงาน ทุกสิ่งเป็นเท่ากับ ( เช่น ความหนาแน่น , ปกพิมพ์มุมโพลาไรซ์ เป็นต้น การจะเจาะลูกค้า ) , คลื่นต่อไปในท้องฟ้ามากกว่ากซ์ แบนด์คลื่นเป็นผลเล็ก แต่มีความหมายแตกต่างกันความยาวคลื่นความไวของ insar กับโครงสร้างตามแนวตั้งของพืชได้รับการความพยายามล่าสุดเพื่อศึกษาความเป็นไปได้ของการใช้ประโยชน์จาก srtm ข้อมูลเป็นแหล่งสำหรับภูมิภาค - Continental ขนาดประมาณความสูงของพืชทรงพุ่ม ( สีน้ำตาล , 2003 , สีน้ำตาลและ sarabandi , 2003 และ kellndorfer et al . , 2004 ) การวิจัยนี้เป็นแรงจูงใจ ในมือข้างหนึ่ง โดยสายเพื่อเพิ่มความน่าเชื่อถือของแบบจำลองภูมิอากาศโลก ซึ่งสามารถทำได้ในระดับขนาดใหญ่โดยการลดความไม่แน่นอนที่เกี่ยวข้องกับประมาณการปัจจุบันของคาร์บอนบก ( wofsy และแฮร์ริสส์ 2002 และ zebker et al . , 1994 ) บัญชีบนคาร์บอนโดยทั่วไป 49 - 52 % ของผลผลิตมวลชีวภาพเหนือพื้นดิน และมวลชีวภาพมีแนวโน้มที่จะสูง มีความสัมพันธ์กับความสูงของหลังคา ( birdsey & Lewis , 2003 ) บนมืออื่น ๆ , ชุมชนผู้ใช้ทั้งในสหรัฐอเมริกาและต่างประเทศ ได้แสดงความสนใจในการลดความไม่แน่นอนที่เกี่ยวข้องกับ srtm ยกระดับผลิตภัณฑ์ตัวเอง ( Koch & heipke , 2001 ; จอห์น lebreque ชายครุย , . การสื่อสาร ) srtm มีวัตถุประสงค์เพื่อผลิตโมเดลภูมิประเทศดิจิตอล ( dtms ) ของพื้นผิวดินของโลก อย่างไรก็ตาม ในพื้นที่ที่กว้างขวาง และ / หรือไม้พุ่ม ต้นไม้ปกคลุมเป็นปัจจุบัน ( เช่นเหนือและ Amazon ภูมิภาค ) , อคติบวกอย่างมีนัยสำคัญในข้อมูลที่สังเกตได้ เป็น
การแปล กรุณารอสักครู่..
