全 文 ：第 !" 卷 第 # 期
$% & % 年 # 月 林 业 科 学 ’()*+,)- ’)./-* ’)+)(-* /012!"!+02# ’345!$ % & %
利用大光斑激光雷达数据估测树高和生物量!
于6颖6范文义6李明泽6杨曦光
"东北林业大学林学院6哈尔滨 &>%%!%$摘6要!6通过对大光斑激光雷达数据 W.-’ 波形的处理!建立模型反演树高’生物量并做精度检验!理论精度分别 为 #728j和 #&27j% 结果表明& 利用激光雷达数据反演树高’生物量比传统方法的精度有显著提高% 关键词&6激光雷达# W.-’# 树高# 生物量 中图分类号! ’8><2>666文献标识码!-666文章编号!&%%& =8!<<#$%&%$%# =%% =%!<br收稿日期&$%%# =%> =&"# 修回日期& $%%# =&& =$"%
基金项目& 国家高技术研究发展计划课题"$%%"--&$m&%!$% !范文义为通讯作者% K/’#A-’#"*"1I"()/’4())E)#3,’/-*=T#"A-//1("A5M8!0-’- CH CIEF6BLE M3EPI6.IbIEFQ36CLEFKIFHLEF " 6.9’’/’*+’(",)(#! G’()9"%,)+’(",)(#J143"(,4)#6@%(&41 &>%%!%$
89/’(-.’&6G3J0S3T3ETIEFS3UDE010FPIE J3LTHOIEFoHLESISLSIV31PSD3V3OSIUL1LER T4LSIL1RITSOIXHSI0E 0NN0O3TSTSOHUSHO3
ROLZTJ0O3LER J0O3R0J3TSIULER N0O3IFE TUI3ESITST#LS3ESI0E! LER ITLE IJ40OSLESS001S0HER3OTSLER SD3NHEUSI0E 0NN0O3TS
3U0TPTS3JT! N0O3TSULOX0E TS0OLF3TLER F10XL1ULOX0E UPU135,D31LT3OOLRLOITTH43OI0OIE R3S3USIEFSD3N0O3TSV3OSIUL1
TSOHUSHO3S00SD3OO3J0S3T3ETIEFRLSL5,D34HO40T30NSDITTSHRPZLTS03TSLX1ITD LJ0R31S03TSIJLS3SO33D3IFDSLER
XI0JLTTXP4O0U3TTIEFSD3W.-’ "F30TUI3EU31LT3OL1SIJ3S3OTPTS3J$ZLV3N0OJ RLSL! LER JLh3SD3VL1IRLSI0E! SD3 4O3UITI0ETN0OSD3D3IFDSLER XI0JLTT3TSIJLSI0E Z3O3#728j LER #&27j! O3T43USIV31P5,D3O3TH1SR3J0ETSOLS3R SDLSSD3 4O3UITI0E 0N3TSIJLSIEFSO33D3IFDSLER XI0JLTTZLTO3JLOhLX1PIJ4O0V3R XPHTIEF.)@-G! U0J4LOIEFZISD SD3SOLRISI0EL1 J3SD0RT5,DITTSHRP4O0VIR3R IJ40OSLESO3N3O3EU3TN0OO3T3LOUD3T0E JL44IEFSD3N0O3TSV3OSIUL14LOLJ3S3OT5 :); <"(=/&61IRLO# W.-’# SO33D3IFDS# XI0JLTT 66森林垂直结构参数的定量测量!如树高’生物量 等!对森林生态系统功能’森林物质与能量交换!尤 其是森林碳储量’全球碳循环的研究有至关重要的 作用"@I[0E ")%/5! &##!# f3OOP! &##!$% 传统的遥感
技术尽管在林业领域有广泛的应用!但大多数遥感
技术只能获取冠层的水平分布信息!无法获取垂直
信息# 并且在森林郁闭度很高时!对森林生物量的
反演精度也变得很困难"@HXLPLD ")%/5! &##8$% 随 着激光雷达主动遥感技术的发展!这些问题得到很 好的解决% 它利用多次回波技术!获取森林结构的 三维信息!估计森林的垂直参数% 国内外学者已成 功地运用这一技术提取森林的垂直结构信息 " 9LORIEF ")%/5!$%%&# @HXLPLD ")%/5! $%%%# M3ITDLJ431")%/5!$%%%# b3LET")%/5! &#### ’HE ")
%/5! $%%<$% 本文采用大光斑激光雷达全球观测数
据 W.-’"F30TUI3EU31LT3OL1SIJ3S3OTPTS3J$!对波形 数据进行处理与分析!反演树高和生物量!为后续的 森林碳循环模型的研究提供数据基础和参考依据% &6研究区域概况 黑龙江省位于中国的东北部!是中国位置最北’ 纬度最高的省份% 它介于 &$&\&&](&7>\%>]*!!7$"](>7\77]+% 地势西北和东南高!西南为松嫩平 原!东北部为三江平原% 全省林业经营总面积7 &$"
万 DJ$!占全省土地面积的 "<2#j% 有林地面积 & #&#万 DJ$!活立木总蓄积 &> 亿 J7!森林覆盖率达
!&2#j!森林面积’森林总蓄积和木材产量均居全国
首位!是国家最重要的国有林区和最大的木材生产
基地% 森林树种达 &%% 余种!利用价值较高的有 7%
余种% 天然林资源是黑龙江省森林资源的主体!主
要分布在大小兴安岭和长白山脉及部分半山区县
"市$% 本文在黑龙江省内选择几个典型林场((( 帽儿山’凉水’孟家岗’二十二站等林场作为研究区 域!研究区域内的主要乔木植物有红松 "<41;, U’(%4"1,4,$’云杉 "<4."% $’樟子松 "<41;,,#/3",)(4, VLO55’10’/4.%$’落叶松 " $%(4C$’水曲柳 "+(%C41;,
6第 # 期 于6颖等& 利用大光斑激光雷达数据估测树高和生物量
5%12,.9;(4.%$’胡桃楸 "Y;0/%1,5%12,9;(4.%$’蒙古
栎 "E;"(.;,5’10/4.% $’ 椴 树 "L4/4%$’ 色 木 "7."(
5’1’$’榆树 "J/5;,$’白桦 ">");/% D/%)#D9#/%$’杨 树"<’D;/;,$等%
图 $6激光波形及参数 BIF5$6W.-’ ZLV3N0OJLER IST4LOLJ3S3OTIE SD3TSHRPLO3L
$6数据与方法 FD>?地面数据获取 收集黑龙江省各林业局和森林调查规划设计院 的森林资源调查数据!还获取黑龙江省内的一些样 地数据%$%%8 年 < 月!在帽儿山’凉水’孟家岗’二
十二站等林场根据 )(*TLSW.-’ 的光斑位置!随机
选取并设置 7& 个与激光光斑位置对应的圆形样地!
样地半径为 7% J!郁闭度在 %2< 左右!每个样地的
测量因子包括胸径’树高’冠幅’生物量等%
FDF?5M8!数据
W.-’ 传感器是搭载在美国科学实验卫星
)(*TLS"冰’云和陆地高程卫星$上的第 & 个激光雷 达传感器% 该卫星于$%%7 年 & 月 &$日发射成功! 目的是为了观测全球范围内的大气’海洋’陆地’生 物圈的变化"9LORIEF")%/O!$%%>$% 卫星轨道高度 >#% hJ!倾角 #!\!回归周期 &<7 天% W.-’ 传感器 记录的是一个椭圆光斑的激光能量的回波信号!光 斑直径大约为 "% J!光斑间隔为 &8$ J% W.-’ 的数
据产品依次是卫星记录数据 " &-$!包括 W.-%&Y W.-%!# 初级数据产品 "&?$!包括 W.-%>YW.-%8#
应用数据产品"$$!包括 W.-%% 本研究是
针对陆地应用!所以采用 W.-%& 波形数据’W.-%>
基于波形的高程数据’W.-%" 高程数据和 W.-&! 陆
地A植被高度数据%
本研究获取覆盖中国黑龙江省的 W.-’ 第三激
光器 .LT3O7)数据!时间为 $%%8 年的 &% 月% 图 & 为 黑龙江省内的激光光斑数据分布图% 图 &6黑龙江省内的激光光斑数据分布 BIF5&6W.-’ RLSLRITSOIXHSI0E IE 93I10EFnILEFfO0VIEU3 FDC?数据处理与分析 W.-%& 数据文件是记录激光雷达回波数据的 原始文件!& T内接受 !% 个激光光束回波信号!解压 信号后每一个激光光束有& %%%帧!& 帧的大小为 & ET或 &> UJ!并记录每个激光光束的经纬度坐标’ >< 林 业 科 学 !" 卷6 记录号和光束号% 从 W.-%& 数据文件中可以提取 原始波形信号’噪声均值’噪声标准差和发射脉冲波 形!为后面处理波形提供参数% W.-&! 数据文件除 了记录与 W.-%& 文件对应的经纬度坐标和记录号 外!还有信号开始位置’结束位置’波形中心位置和 拟合后的高斯波峰等信息"图$$% W.-%> 是高程数 据文件!可以与 ’G,b@*b或已有的 @*b数据结 合对激光光斑位置进行校正!计算两者之间的相关 系数!当相关程度达到最大时光斑地理位置得以最 后确定%$272&6树高提取方法6本研究用 )@.和 b-,.-?
对 W.-’ 波形数据进行处理!提取树高% 处理流程&
&$对原始的波形数据采用高斯低通滤波去掉高频 噪声!高斯窗口大小与发射脉冲宽度相近!以此达到 平滑数据的目的%$$从 W.-%& 数据中计算背景噪 声的均值与标准差!因为信号开始时的噪声比信号 结束时的噪声低!所以要分别计算% 7$ 确定信号的
开始与结束位置!条件为大于背景噪声均值加上 7
倍的标准差% !$用高斯波峰拟合波形的多峰!计算 出多峰参数的初始值振幅’波峰位置’宽度% 泰勒级 数展开方程!采用最小二乘非线性拟合求出新的参 数的改正数!进而得到 " 个高斯波峰的最优解% 波 峰的各个参数也可以从 W.-&! 文件中直接获取% >$ 地面回波波峰位置的确定!从信号的结束位置开
始查找波峰!如果波峰位置与信号结束位置很近!小
于发射脉冲的半宽!继续查找!直到满足条件为止%
"$波形的长度是波形开始位置与地面回波波峰之 间的距离!进而可以求出树高!图 7 中波形长度为 &$28> J%
图 76波形长度’植被部分的能量及半能量高
BIF576W.-’ ZLV3N0OJ13EFSD! V3F3SLSI0E 3E3OFPLER 9eb*
波形长度是信号开始位置与地面回波位置之间的距离# 9eb*是植被半能量位置与地面回波位置之间的距离# 黑色填充区域
为植被总能量% W.-’ ZLV3N0OJ13EFSD ITSD3RITSLEU3NO0JTIFEL1X3FIEEIEFS0SD3FO0HER 43Lh# 9eb*ITSD3RITSLEU3NO0J DL1N
V3F3SLSI0E 3E3OFP40TISI0E S0SD3FO0HER 43Lh# ?1LUh LO3LITSD3S0SL1V3F3SLSI0E 3E3OFP5
$272$6生物量提取方法6波形半能量高"9eb*$是回波中植被部分能量一半的高度! 是地面回波峰 值位置与植被能量一半位置之间的距离% 9eb*对 冠层垂直结构和郁闭度变化很敏感!是一个综合森 林冠层体积信息和森林高度信息的量!与森林地上 生物量密切相关"@OLh3")%/5!$%%

$$!所以本研究通 过建立 9eb*与已知的样地地上生物量的反演模 型来计算激光点的地上生物量% 图 7 显示为植被部 分的能量及波形半能量高!半能量高 9eb*值为 82>$> J% 76结果与分析 CD>?树高反演的结果 图 ! 比较了 W.-’ 波形长度与样地平均树高! 两者之间存在明显的线性关系!回归方程为& #i %2#8% "C=%2$!% 8!决定系数为%2#"" 8%采用圆形 样地实测的平均树高对模型模拟的树高进行检验! 理论精度达到 #728j% 然而!波形的长度不全等于 树高是因为有地形坡度和树冠形状的影响!即受回 波中地面展宽和第一个波峰的前沿上升斜率的 "< 6第 # 期 于6颖等& 利用大光斑激光雷达数据估测树高和生物量 影响% 图 !6W.-’ 波形长度与树高关系 BIF5!6(0J4LOIT0E 0NW.-’ ZLV3N0OJ13EFSD ZISD SO33D3IFDS CDF?生物量反演的结果 图 > 为森林生物量与波形半能量高 9eb*之 间的关系!两者之间存在明显的指数关系!回归方程 为& #i#2$7# "3[4"%2$&8C$!决定系数为%2##8 !! 采用圆形样地实测的生物量对模型模拟的生物量进 行检验!理论精度达到 #&27j% 图 >6生物量与波形半能量高 9eb*关系 BIF5>6G31LSI0ETDI4 X3SZ33E LX0V3YFO0HER XI0JLTTLER 9eb* !6结论与讨论 W.-’ 是第一个对全球进行观测的激光雷达传 感器!通过 W.-’ 数据可以准确地对树高和生物量 进行反演% 本研究详细介绍了 W.-’ 波形数据的处 理方法!在此基础上建立树高和生物量的反演模型! 决定系数分别为%2#"" 8和%2##8 !!理论精度分别 为 #728j和 #&27j% 但是由于大光斑激光雷达 6666 W.-’ 数据的密度小! 且不连续性! 很难成像! 所以 可以采用 ./)’"1LT3OV3F3SLSI0E IJLFIEFT3ET0O$光斑 直径较小’密度较大的激光雷达数据进行区域反演! 或者与多角度’多光谱遥感数据结合反演区域尺度 上的树高和生物量!这有待于进一步研究% 参 考 文 献 @I[0E Gl! ?O0ZE ’! 90HFDS0E G-! ")%/5&##!5(LOX0E 4001TLER N1H[ 0NF10XL1N0O3TS3U0TPTS3JT5’UI3EU3! $"7& &<> =&#%5 @OLh3k?! @HXLPLD Ge! (1LOh @?! ")%/5$%%$5*TSIJLSI0E 0NSO04IUL1 N0O3TSTSOHUSHOL1UDLOLUS3OITSIUTHTIEF1LOF3YN00S4OIES1IRLO5G3J0S3 ’3ETIEF0N*EVIO0EJ3ES! 8#"$ A7$ & 7%> =7 @HXLPLD G! ?1LIOk?! ?HNS0E k.! ")%/5&##85,D3V3F3SLSI0E ULE04P 1IRLOJITTI0E" .LER TLS31IS3IEN0OJLSI0E IE SD3E3[SR3ULR3))& ’0HOU3TLER L441IULSI0ET5?3SD3TRLb@& -J3OIULE ’0UI3SPN0O fD0S0FOLJJ3SOPLER G3J0S3’3ETIEF! &%% =&&$5 @HXLPLD G e! @OLh3k?5$%%%5.IRLOO3J0S3T3ETIEFN0ON0O3TSOP5 k0HOEL10NB0O3TSOP! #<""$ & !! =!"5 9LORIEF@k! (LOLXLnL1((5$%%>5)(*’LSZLV3N0OJJ3LTHO3J3EST0N ZISDIEYN00S4OIESS040FOL4DIUO31I3NLER V3F3SLSI0E V3OSIUL1TSOHUSHO35 W304DPTIUL1G3T3LOUD .3S3OT! 7$&& =!5 9LORIEF@k! .3NThPb -! fLOh3OWW! ")%/5$%%&5.LT3OL1SIJ3S3O ULE04PD3IFDS4O0NI13TJ3SD0RTLER VL1IRLSI0E N0OU10T3RYULE04P! XO0LR13LNN0O3TST5G3J0S3’3ETIEF0N*EVIO0EJ3ES! 8" " 7 $ & $<7 =$#85 b3LETk*! -Uh3O’ -! 9LORIEF@k! ")%/5&###5cT30N1LOF3YN00S4OIES TULEEIEFLIOX0OE31IRLOS03TSIJLS3N0O3TSTSLER UDLOLUS3OITSIUTIE SD3 Z3TS3OE (LTULR3T0NeO3F0E5G3J0S3’3ETIEF0N*EVIO0EJ3E! "8 "7$ & $#< =7%<5 f3OOP@ -5 &##!5 B0O3TS3U0TPTS3JT5 ?L1SIJ0O3& k0DET904hIET cEIV3OTISPfO3TT5 ’HE W! GLET0E lk! lIJ3T@’! ")%/5$%%<5B0O3TSV3OSIUL1TSOHUSHO3 NO0JW.-’& LE 3VL1HLSI0E HTIEF./)’ LER ’G,b RLSL5G3J0S3 ’3ETIEF0N*EVIO0EJ3ES! &&$"&$ & &%8 =&&85 M3ITDLJ431kB! ?1LIOk?! lE0[GW! ")%/5$%%%5/01HJ3SOIU1IRLO O3SHOE 4LS3OETNO0J LE 01RYFO0ZSD SO04IUL1OLIEN0O3TSULE04P5 )ES3OELSI0EL1k0HOEL10NG3J0S3’3ETIEF! $&"$$ & !%# =!&>5
!责任编辑6郭广荣"
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