全 文 ：林业科学研究　2007, 20 (4) : 464～468
Forest Research
　　文章编号 : 100121498 (2007) 0420464205
地形对大光斑激光雷达森林回波影响研究
庞　勇 1 , 李增元 1 , Sun Guoqing2 , M ichael Lefsky3 , 车学俭 1 , 陈尔学 1
(1. 中国林业科学研究院资源信息研究所 ,北京　100091; 2. 马里兰大学地理系 ,马里兰　20742,美国 ;
3. 科罗拉多州立大学森林、草地与流域系 ,科罗拉多　80523,美国 )
摘要 :利用三维激光雷达森林回波波形模型模拟了地形对波形的影响 ,并用 ICEsat GLAS的数据对模拟结果进行了
验证。结果表明坡度对大光斑激光雷达波形影响较大 ,随着坡度的增大 ,地面回波和树冠回波都展宽 ,波形长度也
随之增加 ,同时地面的波峰和植被的波峰值都降低 ,来自地面的回波明显减少 ,并逐渐与靠近地面的回波发生信息
混叠。鉴于二者的关系呈近似线性正相关 ,在实际的森林参数反演中可望通过减去一个含有坡度或地形起伏度的
因子进行地形效应纠正。
关键词 :地形 ;大光斑激光雷达 ;森林回波波形 ; ICEsat GLAS
中图分类号 : TP701 文献标识码 : A
收稿日期 : 2006204203
基金项目 : 国家自然科学基金项目 ( 30230420 )、( 40601070 )、国家 863计划课题 ( 2002AA133050 )和中国林业科学研究院基金项目
(2004Z04)支持
作者简介 : 庞勇 (1976—) ,男 ,安徽省太和人 ,博士 ,助理研究员 ,主要从事合成孔径雷达和激光雷达对地观测机理和森林参数定量反演
等方面的研究. Email: caf. pang@gmail. com
Effects of Terra in on the Large Footpr in t L idar W aveform of Forests
PANG Yong1 , L I Zeng2yuan1 , Sun Guoqing2 , M ichael Lefsky3 , CHE Xue2jian1 , CHEN Er2xue1
(1. Institute of Forest Resource Information Techniqus, CAF, Beijing　100091, China; 2. Department of Geography, University of Maryland, College
Park, MD　20742, USA; 3. Department of Forest, Range and W atershed Stewardship , Colorado State University, Fort Collins, CO　80523, USA)
Abstract: The large footp rint lidar has demonstrated its great potential for accurate estimation of many forest parame2
ters. A s the lidar waveform is a record of return signal as a function of time from sensor to target, the terrain within
lidar footp rint will affect the waveform through changing the distance of target to sensor and make effective footp rint
area larger. This paper simulated the effects of terrain on large footp rint lidar waveform using a three dimensional li2
dar waveform model from forest. The analysis of ICEsat GLAS laser2b data of Northeast China showed the same phe2
nomena with simulated results. The results showed that both of the ground return signals and vegetation return sig2
nals were widened and the peak decreased with slope increasing. The return singles began earlier with slope increas2
ing. Meanwhile, the slope angle from the signal beginning to first peak of the waveform decreased. These two phe2
nomena caused the error in detecting signal beginning and the following forest height estimation. The recorded lidar
waveform would contain false vegetation peak at certain slope level. The relationship between waveform length and
terrain slope was near linear. So the effects of terrain on lidar wavefrom could be corrected by subtracting a factor of
slope or terrain index.
Key words: terrain; large footp rint lidar; waveform from forests; ICEsat GLAS
激光雷达是传统雷达与现代激光技术相结合的
产物 ,是一种主动遥感技术。激光雷达以脉冲激光作
为技术手段 ,以激光波束扫描的工作方式测量传感器
到地面上激光照射点的距离 ,即通过测量地面采样点
激光回波脉冲相对于发射激光主波之间的时间延迟
得到传感器到地面采样点之间的距离 [ 1 ]。近 20年
第 4期 庞 　勇等 :地形对大光斑激光雷达森林回波影响研究
来 ,国外已经就激光雷达在林业上的应用进行了大量
成功的尝试 ,成功进行了森林高度、冠层垂直结构、郁
闭度、胸高断面积和蓄积量 (生物量 )和单木参数的反
演 [ 2～7 ]。近几年来 ,国内也开展了一些试验研究 [ 8, 9 ]。
其中在林木高度测量与林分垂直结构信息获取方面
具有其他遥感技术无可比拟的优势。普通的光学传
感器只能用于提供森林水平分布的详细信息而很难
提供垂直分布的信息 ,而激光雷达遥感根据采样方式
和配置不同 (离散回波还是波形激光雷达 ) ,可以高精
度地提供森林水平和垂直的信息。
由于地球表面的复杂起伏 ,不同的区域坡度、坡
向和粗糙度存在着较大差异 ,而大光斑连续回波的
激光雷达系统光斑直径一般为 8～70 m。因此光斑
内的地形在很多情况下不是平坦均一的 ,往往包含
一定的起伏。激光雷达的森林回波模型可以帮助我
们深入理解激光波形信号与植被参量之间的关系 ,
发展反演模型 ,进行敏感性分析和误差分析 [ 1, 9～11 ]。
本文通过对地形影响激光雷达森林回波信号机理的
分析 ,利用三维激光雷达森林回波波形模型模拟了
地形对波形的影响 ,并用 ICEsat GLAS的数据对模
拟结果进行了验证 ,探讨了地形效应的纠正方法。
1　地形对激光雷达森林回波信号影响
机理
　　由于地球表面的复杂起伏引起的坡度和粗糙度
对波形都有一定的展宽效应。地形对不同光斑尺寸
的大光斑 lidar系统的影响不同 ,随着光斑的增大 ,
光斑内所包括的地形也越复杂 ,地形的影响也越大。
并且往往是坡度和粗糙度耦合到一起对波形产生影
响。粗糙度往往只是对地面的回波产生展宽效应 ,
而对整个波形、尤其是来自上层树冠的波形几乎没
有影响 ,这一效应可以通过寻求地面回波的峰值进
行其对高度改变的消除。下面对地形坡度的影响进
行模拟和纠正方法的分析。
大光斑激光雷达信号是入射激光脉冲与森林、地
面相互作用的结果 ,反映了不同的树冠层到传感器的
距离和反射强度 [ 13 ] (如图 1所示 )。激光回波信号是
由发射脉冲和激光光斑内的森林、地面共同决定的。
前者包括工作的波长、脉冲宽度、脉冲能量、光斑尺寸
和记录回波脉冲的时间间隔 ;后者包括激光光斑内每
株树的位置、高度、树种、树冠大小和形状、冠层的反
射率 ,以及地表的反射率、坡度、坡向等参数。
( a)发射激光脉冲 ; ( b)平地森林 ; ( c)山坡上的森林
(斜线阴影区域表示树木回波与地面回波混叠部分 )
图 1　地形对大光斑激光雷达森林回波
影响示意图 (方框表示激光光斑 )
如图 1所示 ,地形的变化会导致两种情形影响
lidar的森林回波波形 :
(1)地形起伏改变森林组分距离传感器的距
离 ,甚至导致光斑内上坡的地面回波与下坡的森林
回波产生混叠效应 (图 1 ( c)中的斜线的阴影区域 ) ;
(2)斜坡使光斑内包含的实际面积增大 ,比相
同情况下平地的森林包含更多的树。根据图 1中所
示的几何关系 ,山坡上的光斑面积实际为 :
As =A f / cos(θ) (1)
其中 As为山坡上的光斑面积 , A f平地上的光斑
面积 ,θ是坡度。
2　地形对激光雷达森林回波信号影响
模拟
根据第一部分的分析可知 ,为了研究地形对大
光斑 lidar波形的影响 ,需要一个准确刻画三维林地
(包括森林和林下地表 )的激光雷达回波模型。本
文采用了 Sun等的三维模型 [ 1 ]。该模型假定激光脉
冲的形状为曲线并有着一定的持续时间 (如图 1 ( a)
所示 )。一般而言 ,脉冲宽度远大于信号数字化的间
隔 ,每一个散射体将产生一个记录为许多帧的信号。
假定每一帧信号对应着一个脉冲宽度等于所分割的
树冠立方体的方波 ,总的信号就是这些信号帧分别
按回波时间不同的和。模型假定树枝和树叶在树冠
内是均匀分布的 ,并具有一定的取向分布 ,树枝的大
小和取向也用直方图或分布函数来近似 [ 14 ]。根据
所模拟的激光雷达系统参数 ,整个三维林分可被分
成很多小立体单元。这些单元可能为下列情形
之一 :树冠 ;树干 ;空气或地表。当激光束穿过或遇到
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林 　业 　科 　学 　研 　究 第 20卷
这些单元时 ,就会受到相应的散射和吸收。
为了研究地形对大光斑 lidar波形的影响 ,本文
对 Sun等的模型 [ 1 ]进行了发展 ,对输入的林木参数
加入了地形效应的影响 : ( 1)在对冠层进行三维空
间离散时 ,考虑地形 (主要是坡度 )的影响 ; (2)考虑
坡度对山坡上实际光斑面积的扩大 (如公式 (1) )。
根据上面描述的方法 ,本研究使用专门为植被
探测目的设计的植被冠层激光雷达 (Vegetation Can2
opy L idar,缩写 VCL)的传感器参数和模拟的林木参
数作为模型输入对森林回波波形进行模拟。为了更
好地探究地形的影响 ,使用了单一树种并且单木参
数相同 (胸径 25 cm ,树高 20 m,冠长 9 m )的林分进
行模拟 ,树木分布模式为规则分布。
模拟所用的入射脉冲为高斯脉冲 ,持续时间是 5
ns,相当于 75 cm的高度。光斑边缘激光能量减弱到
中心的 e - 2。波形数据记录间隔是 1 ns(即 15 cm) ,所
用波长为 1 064 nm[ 15 ] ,树冠在该波长的反射率为
01515,透过率是 0. 305,地面反射率为 0. 29[ 1 ]。树木
的胸高直径是 25 cm,树高是 20 m,树冠长度是 9 m。
模型假定所有的树冠形状都是均一的椭球形 ,具有相
同的反射率和透过率 ;林下地表为朗伯体。
模拟的森林回波波形如图 2所示 ,其中上面的
回波来自树冠 ,下面的回波来自地面 ,坡度从 0o变化
到 50o ,光斑内包含的树木从 32株增大到 48株。
SigBeg表示信号开始的位置 , SigEnd表示信号结束
的位置 , Gpeak表示地面回波峰值的位置。
图 2　地形对大光斑激光雷达波形的影响模拟
　　波形长度是激光雷达进行植被高度信息提
取的基础 ,通常定义为从信号开始位置和地面回波
的峰值位置之间的距离。即图 2中 SigBeg与 Gpeak
高度的差值。图 3所示为根据模拟波形计算的波形
长度与地形坡度的关系。
模拟结果表明坡度对大光斑激光雷达波形影响
较大。随着坡度的增大 ,地面回波和树冠回波都展
宽 ,波形长度也随之增加 ,地面的波峰和植被的波峰
值都降低 ,来自地面的回波明显减少 ,并逐渐与靠近
地面回波发生信息混叠。从图 2可看出 ,随着坡度
的增加 ,回波信号记录开始时刻提前 ,波前的上升角
度变小 ,这两种现象都给信号开始的判断带来误差。
同时 ,随着坡度的增加 ,回波信号结束时刻推后 ,并
且先期到达地面回波的与坡下部的森林的回波在坡
度大于一定程度后发生混叠。从图 3可看出 ,波形
长度与坡度呈近似的线性正相关。
图 3　模拟的地形坡度对波形长度的影响
在图 2的模拟结果中 ,虚假的地面回波出现在
坡度 40°时 ,当坡度达 50°时 ,地面回波与树冠回波
严重混叠。在坡度达 30°时 ,波前的上升角度明显减
小。而坡度小于 10°的波形则与平地的一致性较好 ,
因此对于大光斑 lidar的森林回波波形来说地形坡
度小于的较为可靠。
另外 ,对山坡的方位角也从 0°到 50°进行了模
拟 ,发现方位对波形的影响很小。
3　地形对 ICEsat GLAS森林回波信号
的影响
由于 VCL (Vegetation Canopy L idar,植被冠层激
光雷达 )卫星尚未发射 ,本文采用了美国科学试验卫
星 ICEsat(冰 ,云和陆地高程卫星 )上的 GLAS传感器
的数据进行模拟结果的验证。该卫星于 2003年 1月
成功发射 ,是 NASA从 1999年开始的地球科学计划
的一部分 ,目的是观测 10至 15 a一段时期内的大气、
海洋、陆地、冰和生物圈 ,从而监测与气候、环境变化
密切相关的地球—大气系统的变化。该卫星搭载有
激光雷达传感器 GLAS。GLAS传感器采用脉冲波、非
多普勒、非相干和点光束的工作方式 ,激光光斑大致
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第 4期 庞 　勇等 :地形对大光斑激光雷达森林回波影响研究
为 70 m,光斑间隔为 170 m[ 12 ]。本研究中主要采用我
国东北地区 GLAS第二个激光器第二次工作期间
(Laser2b,数据获取时间为 2004年 2月 17日至 2004
年 3月 21日 )的 1 064 nm来自陆地的回波波形作为
检验数据。
第二部分中的理论模型模拟的是规则坡面的情
况 ,而实际的地形坡度变化多样 ,很少有固定坡度的情
况 ,尤其是对较大的尺度而言。因此 ,在探究地形对
GLAS波形影响时本文引入坡面复杂度描述因子中地
形起伏度的概念 ,地形起伏度指在所指定的分析区域
内所有栅格中最大高程与最小高程之差 [16 ]。即 :
R Fi = Hmax - Hm in (2)
其中 R Fi为分析区域内的地面起伏度 , Hm ax为分
析窗口内的最大高程值 , Hm in为分析窗口内的最小
高程值。
如图 4所示 ,在规则坡面下 ,参与计算的窗口内
坡度与地形起伏度一致 ;不规则坡面时 ,地形起伏度
更容易求算和表述。
图 4　3 ×3窗口内坡度与地形起伏度的关系
(图中坐标轴表示空间坐标的 xyz,单位 : m)
对我国东北地区 GLAS Laser2b的数据进行了
处理 ,考虑到 SRTM 2DEM的分辨率和 GLAS的光斑
尺寸 ,取 3 ×3的窗口计算地形起伏度。图 5为波形
长度与地形起伏度的关系图 ,可见激光光斑内地形
起伏度与波形长度存在明显的正相关关系 ,这一方
面因为在我国东北山区林木较多 ,但另一方面也因
为地形坡度对激光回波波形的展宽作用。
图 5　地形对 GLAS波形的影响 (图中由暗到亮表示激光点由少到多 )
　　根据第三部分的理论模型模拟和前面的实际数
据分析可知随着地形坡度的增大波形的长度也随之
增大 ,即在波形长度中有地形的贡献 ,在实际的森林
参数反演中要予以纠正。鉴于二者的关系呈线性正
相关 ,在实际波形长度计算中可望通过减去一个含
有坡度或地形起伏度的因子进行地形效应纠正。
Lefsky等 [ 17 ]在巴西亚马逊的森林高度反演时采用
了 3 ×3窗口内的高程变化范围对地形效应进行了
纠正 ,与本文的地形起伏度概念一致 ,本文的模型模
拟结果也与其统计规律相一致。
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4　结论和讨论
本文采用理论模拟的技术手段研究分析了地形
对大光斑激光雷达森林回波波形的影响 ,模拟了相
同树木参数生长在不同坡度的地形条件下的 lidar
波形 ,并用 ICEsat GLAS的数据对模拟结果进行了
验证。结果表明 :
(1)坡度对大光斑激光雷达波形影响较大 ;
(2)随着坡度的增大 ,地面回波和树冠回波都
展宽 ,波形长度也随之增加 ,同时地面的波峰和植被
的波峰值都降低 ,来自地面的回波明显减少 ;
(3)当地形起伏大于一定临界坡度时 ,树冠回
波与靠近地面回波发生信息混叠 ,当该混叠效应严
重到无法将地面回波从下层的树冠回波分开时 ,这
类波形很难应用。
(4)鉴于坡度与回波波形长度的关系呈近似线
性正相关 ,在实际的森林参数反演中可望通过减去
一个含有坡度或地形起伏度的因子进行地形效应纠
正 ,以减弱或消除波形长度中的地形贡献。
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