全 文 ：第 !" 卷 第 # 期
$ % & % 年 # 月
林 业 科 学
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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!<<#$%&%$%# =%%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%
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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
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O3SHOE 4LS3OETNO0J LE 01RYFO0ZSD SO04IUL1OLIEN0O3TSULE04P5
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!责任编辑6郭广荣"
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