全 文 ：第 wu卷 第 z期
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林 业 科 学
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星载激光雷达波形长度提取与林业应用潜力分析 3
庞 勇t 于信芳u 李增元t 孙国清v 陈尔学t 谭炳香t
kt1中国林业科学研究院资源信息研究所 北京 tsss|t ~ u1中国科学院地理科学与资源研究所 北京 tsstst ~
v1 马里兰大学地理系 马里兰 uszwul
关键词 } Œ≤∞¶¤·Š„≥ ~大光斑激光雷达 ~波形长度 ~中国东北
中图分类号 }×°z| ~×°zxt1t 文献标识码 }„ 文章编号 }tsst p zw{{kussylsz p stvz p sw
收稿日期 }ussy p su p uv ∀
基金项目 }国家 {yv计划/遥感数据森林资源定量应用0kussu„„tvvsxsl和国家林业局 |w{课题/高精度激光雷达树高测量技术引进0kussw
p w p ywl资助 ∀
3 感谢美国国家冰雪数据中心提供研究所需的 Œ≤∞¶¤·Š„≥数据和美国科罗拉多州立大学的 ¬¦«¤¨¯ ¨©¶®¼博士在 Š„≥波形数据处理上
给予的指导 ∀
Ωαϖεφορµ Λενγτη Εξτραχτιον φροµ ΙΧΕσατ ΓΛΑΣ ∆ατα ανδ Φορεστ Αππλιχατιον Αναλψσισ
°¤±ª ≠²±ªt ≠∏÷¬±©¤±ªu ¬ ±¨ª¼∏¤±t ≥∏± Š∏²´¬±ªv ≤«¨ ± ∞µ¬∏¨t פ± …¬±ª¬¬¤±ªt
kt1 Ρεσεαρχη Ινστιτυτε οφ Φορεστ ΡεσουρχεσΙνφορµατιον Τεχηνιθυεσo ΧΑΦ Βειϕινγ tsss|t ~
u1 Ινστιτυτε οφ ΓεογραπηιχαλΣχιενχεσ ανδ Νατυραλ Ρεσουρχεσ Ρεσεαρχηo Χηινεσε Αχαδεµψοφ Σχιενχεσ Βειϕινγ tsstst ~
v1 ∆επαρτµεντ οφ Γεογραπηψo Υνιϖερσιτψοφ Μαρψλανδ o Χολλεγε Παρκ Μ∆ uszwul
Αβστραχτ} ¬§¤µk¯¬ª«·§¨·¨¦·¬²± ¤±§µ¤±ª¬±ªl µ¨°²·¨ ¶¨±¶¬±ª¬¶¤¥µ¨¤®·«µ²∏ª«²©¤¦·¬√¨ µ¨°²·¨ ¶¨±¶¬±ª·¨¦«±²¯²ª¼¬± µ¨¦¨±·
¼¨ ¤µ¶qŒ·«¤¶¶«²º± ±¨²µ°²∏¶³²·¨±·¬¤¯ ©²µ©²µ¨¶·³¤µ¤°¨ ·¨µ¶µ¨·µ¬¨√¤¯ q¬§¤µµ¨°²·¨¶¨±¶¬±ª«¤¶·«¨ ∏±¬´∏¨ ¤§√¤±·¤ª¨ ²©³µ²√¬§¬±ª
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Κεψ ωορδσ} Œ≤∞¶¤·Š„≥ ~ ¤¯µª¨ ©²²·³µ¬±·¯¬§¤µ~º¤√¨ ©²µ° ¯¨ ±ª·«~±²µ·«¨¤¶·²©≤«¬±¤
森林是重要的环境资源 o作为陆地生态系统的主体 o森林是陆地上面积最大 !分布最广 !组成结构最复
杂 !物质资源最丰富的生态系统 ∀我国虽然是一个森林资源相对较少的国家 o森林生物量依然是陆地植被总
生物量的主要组成部分 ∀鉴于森林的重要性 o世界各国都投入很大的力量对森林资源进行保护 o每隔一定年
限对其进行调查和监测 ∀传统的森林参数测定需要进行外业实地测量 o耗费大量的人力 !物力和时间 o仅能
获得一些点上的数据 o数据的现势性较差 ∀从/六五0期间我国就开始利用遥感技术进行森林资源调查 o经过
us多年的努力 o可见光遥感 !红外遥感在大区域森林制图 !灾害监测等方面已得到了较为广泛的应用 o但定
量获取森林高度 !生物量等参数直到合成孔径雷达和激光雷达技术的成熟才取得了突破性进展 ∀
由于激光雷达极高的角分辨能力 !距离分辨能力 !抗干扰能力等优点 o使得激光雷达可以高精度地获取
地表物体的高度信息 o在民事和军事上都已广泛应用 ∀国外已经就激光雷达在林业上的应用进行了大量的
尝试 o成功对林分高度 !冠层垂直结构 !郁闭度 !胸高断面积和蓄积量k生物量l和单木参数进行了反演
k‘¬¯¶²±ot||y ~‘¨ ¶¯²± ετ αλqot||z ~¨©¶®¼ ετ αλqoussu oussx ~ ¤¨±¶ ετ αλqot|||l o尤其是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 o而激光雷达遥感根据采样方式和配置不同k离散回波还是波形激
光雷达l可以高精度地提供森林水平和垂直的信息 ∀
本文利用 Œ≤∞¶¤·k冰 !云和陆地高程卫星l卫星所搭载的 Š„≥传感器获取的我国东北地区星载激光雷达
波形数据 o阐述了数据预处理和波形长度计算方法 o分析了我国东北地区波形长度的分布格局和林业应用潜
力 o并利用土地覆盖数据进行了验证 ∀
1 试验区概况和数据获取
t1t 试验区概况 中国东北地区的东部和北部分别与朝鲜和俄罗斯相邻 o西部与蒙古接壤 ∀地理坐标为
ttxβxuχ ) tvxβs|χ ∞ov{βzuχ ) xvβxxχ ‘o总土地面积 tuw万余 ®°u ∀行政辖区上包括黑龙江 !吉林 !辽宁三省以
及内蒙古自治区的呼伦贝尔盟 !兴安盟 !通辽市和赤峰市 ∀该地区是我国天然林分布最集中 !资源最丰富的
国有林区 ~同时 o该林区也是全国最大的木材生产基地 o其木材产量占全国木材总产量的 tΠv ∀东北地区地貌
成因类型复杂 o地貌形态多样 o山地面积约占全区土地总面积的 xu h o大部分山地海拔在 t sss ∗ t xss °之
间 ∀地势比较平缓 o多缓坡 o陡坡k ∴vxβl地少且主要分布于长白山的天池 !南岗山和老岭等地k徐化成 o
usswl ∀
t1u 遥感数据获取 采用美国 ussv年 t月发射的科学试验卫星 Œ≤∞¶¤·上的 Š„≥传感器的数据 ∀该卫星
是 ‘„≥„从 t|||年开始的地球科学计划的一部分 o目的是观测 ts ) tx年时期内的大气 !海洋 !陆地 !冰和生
物圈 o从而监测与气候 !环境变化密切相关的地球 p大气系统的变化 ∀该卫星搭载有第一台激光雷达传感器
Š„≥ oŠ„≥是第一个能连续获取大气 !地面回波数据的星载激光雷达 o为观察大气中的云 !气溶胶和地面植
被垂直结构提供全新的视角 ∀其设计目标是所提供的云的高度和厚度信息可以大大提高短期天气预报的精
度 ~提供的植被垂直结构信息将能更好地评价全球的植被分布和生物量kº¤¯ ¼¯ ετ αλqoussul ∀ Š„≥传感器
采用脉冲波 !非多普勒 !非相干和点光束的工作方式 o激光光斑直径大致为 zs ° o光斑间隔为 tzs °k…µ¨±±¨ µ
ετ αλqoussul ∀本研究中主要用 t syw ±°从陆地的回波信号 o采用我国东北地区 Š„≥第二个激光器第一次
工作期间k¤¶¨µu¤o数据获取时间为 ussv p s| p uw ) tt p t{l的 t syw ±°来自陆地的回波波形数据 o共计 ws
多万个激光波形的数据集 o其中每个波形包含 xww帧数据 ∀
2 ΙΧΕσατ ΓΛΑΣ波形长度计算
Š„≥数据分发采用专门定义的二进制格式 o包括元数据信息和数据信息 o需要先进行数据提取 ∀由于
受云和系统噪声的影响 o原始的波形数据中噪声较大 o有的仅反映了云的信息 o需要进行预处理 ∀为此 o首先
要提取无云的来自陆地的有效回波 o然后对提取的有效回波进行滤波处理 ∀经过了波形预处理之后 o就可以
图 t Š„≥回波波形主要参数定义和计算方法示意图
ƒ¬ªqt Ž¨¼ ³¤µ¤°¨ ·¨µ¶§¨©¬±¬·¬²± ¤±§³µ²¦¨¶¶¬±ª
° ·¨«²§²© Š„≥ º¤√¨ ©²µ°
进行波形分析和关键参数计算 o主要参数定义如图 t ∀图 t
所示为一个典型的 Š„≥森林回波波形 o图中回波的第一个
波峰来自植被冠层 o回波的第二个波峰来自地面 o二者中间
的一个小的波峰可能来自林下灌丛或下木 ∀第一个波峰前
沿的开始有一个小的阶跃 o由于该激光光斑内有少量的几
株大树 o它们首先碰到并反射了激光雷达发射的脉冲信号 ∀
Η为回波脉冲的长度 o对应着从回波信号开始到地面回波
中间的距离 ∀可见波形长度与光斑内地物目标的高度变化
范围密切相关 o对植被而言 o直接反映了植被的高度信息 ∀
Η为脉冲第一回波前沿的上升夹角 o为从信号开始到第一
个波峰处与垂线的夹角 ∀
u1t 背景噪声估计 经过对大量的 Š„≥回波波形分析发
现 o信号开始前的背景噪声k νοισ奨ªl和信号结束后的背景
噪声k νοισε ±¨§l存在一定差异 o因此对这 u个噪声分别估计 ∀
在实际处理中 o选取信号开始前的 tx帧数据k即波形的第 t ∗ tx个记录l进行均值和方差的估计 ~选取信号
结束前的 tx帧数据k即波形的第 xux ∗ xww个记录l进行均值 !方差和标准差的估计 ∀即 }
{vt 林 业 科 学 wu卷
νοισ奨ª € φk ωφβινt oωφβινu oωφβινv o, oωφβινtxl ktl
其中 }ωφβινι 为第 ι个回波信号的强度值 oφ为进行均值和方差的估计的函数 ∀
νοισε ±¨§的计算与 νοισ奨ª类似 ∀有的处理方法是将估计出的背景噪声从整个波形数据中减去 o然后再进
行后续的处理k¨©¶®¼ ετ αλqot|||l ∀本文对含有背景噪声的波形进行分析处理 ∀
u1u 信号开始 !结束位置判断 考虑到 Š„≥接收到的信号有时会出现一些波动 o表现为在信号开始后仍
然有个别帧的数据值低于背景噪声水平 o因此将信号的开始k结束l位置定义为连续 x帧数据大于信号开始
k结束l前背景噪声均值加上其标准差的 u倍的第一帧k最后一帧l处 ∀即 }
Σιγ ¥¨ª € τηρεσηολ䥨ªι Χ τηρεσηολ䥨ªιnt Χ ,τηρεσηολ䥨ªιnw kul
其中 }τηρεσηολ䥨ªι € ωφβινι  k νοισ奨ª n uΡνοισ奨ª oΧ表示逻辑与运算 oνοισ奨ª为 νοισ奨ª的均值 oΡνοισ奨ª为 νοισ奨ª的
标准差 ∀信号结束位置的判断与信号开始位置的判断类似 ∀
u1v 峰值位置确定 鉴于 Š„≥的发射脉冲为 w ±¶o且地物的垂直剖面总能表现出一定的连续性 o因此假定
Š„≥的回波脉冲的有效波峰总有一定的展宽 ∀则峰值位置k βιν³¨ ¤®l的判断规则是 }该帧数据的反射强度大
于其前后 ts帧数据的反射强度 ∀即第 ι个峰值 βιν³¨ ¤®¬的计算可表示为 }
βιν³¨ ¤®¬€ ≈k ωφβινι  ωφβινιptl Χ , Χ k ωφβινι  ωφβινιptsl 
Χ ≈k ωφβινι  ωφβινιntl Χ , Χ k ωφβινι  ωφβινιntsl 
kvl
基于这种方法可以判断出接收回波的多个峰值 o将峰值按强度进行筛选 o对于峰值强度小于背景噪声均
值加上 u倍标准差的进行剔除 o对剩余的峰值按位置进行排序 o即可得到回波波形中的峰值信息 ∀
u1w 波形长度计算 根据判断出的信号开始位置和地面回波的峰值位置即可计算出回波的长度 Η∀即 }
Η € Σιγ ¥¨ª p βιν³¨ ¤®ªµ²∏±§ kwl
也有的研究从对去掉背景噪声后波形的质心开始向两边检测 o向上检测到树冠回波起始位置 o向下检测
到地面回波的峰值位置k…µ¨±±¨ µετ αλqousssl ∀
3 我国东北地区 ΙΧΕσατ ΓΛΑΣ波形长度分析
经过波形预处理和波形关键参数的解算 o计算了 Š„≥ ¤¶¨µu¤覆盖我国东北地区的波形长度 ∀由于
Š„≥是无侧摆非成像的离散形式 o回波数据在空间的分布不均匀 ∀为了方便显示和进行区域尺度分析 o将
反演结果空间插值成分辨率为 u ®°的栅格形式k图版 ´ p tl ∀采用逆距离的空间插值方法 o搜索半径最大
为 us ®°∀由于 Š„≥传感器无侧摆功能 o过境时仅能获取星下点的一条扫描线的数据 o因此有的 Œ≤∞¶¤·轨
道间距较大的地方就没有数据 o表现为白色 ∀
图版 ´ p t中的彩色条带为 Š„≥的扫描轨迹 o也是激光光斑的分布 o不同颜色表示不同的波形长度 ∀
可见较大波形长度的分布与我国东北地区的森林分布呈现了很好的一致性 o主要集中在大兴安岭林区 !小兴
安岭林区 !长白山林区 !张广才岭和辽东半岛地区 ∀
为了进一步验证我国东北地区的波形长度分布图 o本研究使用由 usss年的美国陆地卫星 אk¤±§¶¤·
אl影像作为数据源 o通过人工目视解译而获得的土地覆盖数据作为参考k如图版 ´ p ul ∀该土地利用图的
成图比例尺为 tΒts万 o数据的平均定性精度达到 |s h以上k刘纪远等 oussul ∀土地利用分类系统包括耕地 !
林地 !草地 !水域 !城乡工矿居民用地和未利用土地 y个一级类型和 ux个二级类型 o其中林地的二级类型包
括 }有林地 !灌木林地 !疏林地和其他林地 o这些都是定性的类别信息 o缺乏垂直结构和高度的定量信息 ∀本
文主要使用 y个一级类型进行波形长度空间分布格局的分析 ∀
对比图版 ´ p t !u可更明显地看出我国东北地区 Š„≥波形长度空间分布格局与土地类型一致性 o具体
表现为 }林区的波形长度较大 o而农田 !草地 !荒漠 !湿地等的值较低 o城镇的波形长度表现出较大的跳跃 o这
种分布模式反映了各自地物类型垂直结构的变化特点 ∀大兴安岭和小兴安岭两大林区之间的过渡性农田带
在波形长度图和土地利用图上均有很好的反映 ∀松嫩平原和三江平原主要为农田或草地 o整体波形长度较
小 ∀但由于农田防护林 !片状人工林的存在 o少数区域的波形长度也较大 ∀
针对林区而言 o图版 ´ p t更好地反映了森林的高度信息 ∀由于土地覆盖图所用的 ¤±§¶¤·∞א n数据
主要反映的是地物表面的信息 o而激光雷达波形数据反映了地物垂直结构的剖面信息k在地物可被穿透的情
|vt 第 z期 庞 勇等 }星载激光雷达波形长度提取与林业应用潜力分析
况下l ∀波形长度的分布与该区域的森林蓄积量Π生物量存在着较好的一致性 o大兴安岭 !小兴安岭 !长白山
和辽东半岛的值较高 o这也是我国东北地区的主要森林分布区域 ∀而在这几个林区中 o又以长白山林区的值
最高 o这也与该区域森林生物量较高相一致 ∀大兴安岭 t|{z年的过火区域值也较低 o这也反映了该区域森
林仍没有恢复到未过火水平的状况 ∀
另外 o在长白山和小兴安岭地区的一些地形起伏较大的灌木林地或疏林地 o波形长度也较大 o这主要是
由于 Š„≥的光斑直径为 zs ° o光斑内的地形起伏会改变地物接收并反射激光脉冲的时间 o从而带来干扰信
息 o这种地形起伏效应往往表现为对波形长度的展宽k°¤±ª ετ αλqoussyl ∀可见 o从波形长度到林分高度的
反演还要进行地形等干扰因素的纠正 ∀
4 结论与讨论
本文详细阐述了 Œ≤∞¶¤·Š„≥数据处理和波形长度计算方法 o分析了我国东北地区波形长度的分布格
局 o并利用土地覆盖数据进行了验证 ∀结果表明 }
tl从 Œ≤∞¶¤·Š„≥回波数据中计算的波形长度很好地反映了地物的高度信息 o是对其他遥感数据源的一
个有益补充 o对于分析区域尺度的森林质量和生物量具有很大的应用潜力 ~
ul就空间分布格局而言 o波形长度分布图与从 ∞א n数据中解译的土地覆盖类型图很一致 o对于林地而
言 o前者更好地反映了森林的高度信息 o从而可以更好地提供其它森林参数的定量反演 ~
vl本文仅提出了 Œ≤∞¶¤·Š„≥的波形数据处理和波形长度计算的方法 o尽管波形长度与植被高度信息密
切相关 o但波形长度还受地形 !林木空间格局等因素的影响k庞勇等 oussyl o在所计算的波形长度的基础上进
一步定量反演森林高度是下一步的研究方向 ∀
参 考 文 献
刘纪远 o刘明亮 o庄大方 o等 qussu q中国近期土地利用变化的空间格局分析 q中国科学 }⁄辑 ovuktul }tsvt p tsws
庞 勇 o孙国清 o李增元 qussy q林木空间格局对大光斑激光雷达波形影响模拟 o遥感学报 otsktl }|z p tsv
徐化成 qussw o森林生态与生态系统经营 q北京 }化学工业出版社
…µ¨±±¨ µ„ ≤ o¤¼ º¤¯ ¼¯ ‹ o≤«¤µ¯¨ ¶• …o ετ αλqusss q ⁄¨µ¬√¤·¬²± ²©µ¤±ª¨ ¤±§µ¤±ª¨ §¬¶·µ¬¥∏·¬²±¶©µ²° ¤¯¶¨µ³∏¯¶¨ º¤√¨ ©²µ° ¤±¤¯¼¶¬¶©²µ¶∏µ©¤¦¨ ¨¯ √¨¤·¬²±¶o
µ²∏ª«±¨ ¶¶o¶¯²³¨ o¤±§√ ª¨¨·¤·¬²± «¨¬ª«·¶qŠ„≥ „¯ ª²µ¬·«° ׫¨ ²µ¨·¬¦¤¯ …¤¶¬¶⁄²¦∏° ±¨·∂ µ¨¶¬²± v1s
¨©¶®¼ ¬¦«¤¨¯ „ o⁄¤√¬§ ‹ o ¬¦«¤¨¯ Žoετ αλqussx q∞¶·¬°¤·¨¶²©©²µ¨¶·¦¤±²³¼ «¨¬ª«·¤±§¤¥²√ ª¨µ²∏±§¥¬²°¤¶¶∏¶¬±ª·«¨ ª¨²¶¦¬¨±¦¨ ¤¯¶¨µ¤¯·¬° ·¨¨µ¶¼¶·¨° q
ª¨²³«¼¶q • ¶¨¨·ovu ouu≥su
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²µ¨ª²±q • °¨²·¨ ≥ ±¨¶¬±ª²© ∞±√¬µ²±°¨ ±·oyz }u|{ p vs{
‘¨ ¶¯²± • o ’§¨µº¤¯§ • oŠµ¨ª²¬µ¨ × Š qt||z q ≥¨ ³¤µ¤·¬±ª·«¨ ªµ²∏±§¤±§¤¬µ¥²µ±¨ ¤¯¶¨µ¶¤°³¯¬±ª ³«¤¶¨¶·² ¶¨·¬°¤·¨ ·µ²³¬¦¤¯ ©²µ¨¶·¥¤¶¤¯ ¤µ¨¤o √²¯∏°¨ o¤±§
¥¬²°¤¶¶q • °¨²·¨ ≥ ±¨¶¬±ª²© ∞±√¬µ²±°¨ ±·oys }vtt p vuy
‘¬¯¶¶²±  qt||y q∞¶·¬°¤·¬²± ²©·µ¨¨«¨¬ª«·¶¤±§¶·¤±§√²¯∏°¨∏¶¬±ª¤± ¤¬µ¥²µ±¨ ¬¯§¤µ¶¼¶·¨°¶q • °¨²·¨ ≥¨ ±¶¬±ª²© ∞±√¬µ²±° ±¨·oxy }t p z
°¤±ª ≠²±ªo¬ ±¨ª¼∏¤±o≥∏± Š∏²´ ¬±ªo ετ αλqussy q ²§¨¯ …¤¶¨§× µ¨µ¤¬± ∞©©¨¦·„±¤¯¼¶¨¶²± Œ≤∞¶¤·Š„≥ • ¤√¨ ©²µ°¶oŒŠ„• ≥≥ussy
º¤¯ ¼¯ ‹ o≥¦«∏·½ …o„¥§¤¯¤·¬• o ετ αλqussu qŒ≤∞≥¤·. ¶¯ ¤¶¨µ°¨ ¤¶∏µ¨° ±¨·¶²©³²¯¤µ¬¦¨ o¤·°²¶³«¨µ¨ o²¦¨¤±o¤±§ ¤¯±§q²∏µ±¤¯ ²© Š¨ ²§¼±¤°¬¦¶ovw kv ∗ wl }
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k责任编辑 石红青l
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