全 文 ：第 wt卷 第 v期
u s s x年 x 月
林 业 科 学
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激光雷达技术及其在林业上的应用
庞 勇t ou 李增元t 陈尔学t 孙国清u ov
kt q中国林业科学研究院资源信息研究所 北京 tsss|t ~ u q中国科学院遥感应用研究所遥感信息科学开放研究实验室 北京 tsstst ~
v q⁄¨ ³¤µ·°¨ ±·²© Š¨ ²ªµ¤³«¼o˜±¬√ µ¨¶¬·¼ ²© ¤µ¼¯¤±§o≤²¯¯¨ ª¨ °¤µ®o ⁄uszwu ˜≥„l
摘 要 } 激光雷达是近年来国际上发展十分迅速的主动遥感技术 o在森林参数的定量测量和反演上取得了成功
的应用 ∀激光雷达具有与被动光学遥感不同的成像机理 o对植被空间结构和地形的探测能力很强 o特别是对森林
高度的探测能力 o具有其他遥感数据无法比拟的优势 ∀介绍激光雷达遥感的基本原理 !大光斑和小光斑激光雷达
系统的特点 o对它们在林业上的应用现状进行评述 o重点分析激光雷达反演森林参数的方法 o对激光雷达的林业应
用前景进行分析和展望 ∀
关键词 } 激光雷达 ~树高 ~生物量 ~冠层垂直结构 ~遥感
中图分类号 }×°z| 文献标识码 }„ 文章编号 }tsst p zw{{kussxlsv p stu| p s{
收稿日期 }ussw p ts p u| ∀
基金项目 }国家 {yv计划/遥感数据森林资源定量应用0课题kussu„„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0
kussw p w p ywl资助 ∀
Λιδαρ Ρεµοτε Σενσινγ Τεχηνολογψ ανδ Ιτσ Αππλιχατιον ιν Φορεστρψ
°¤±ª≠²±ªtou ¬ ±¨ª¼∏¤±t ≤«¨ ± ∞µ¬∏¨t ≥∏± Š∏²´¬±ªuov
kt1 Ινστιτυτε οφ Φορεστ Ρεσουρχε Ινφορµατιον Τεχηνιθυε o ΧΑΦ Βειϕινγtsss|t ~ u1 Ινστιτυτε οφ Ρεµοτε Σενσινγ Αππλιχατιονσo
Χηινεσε Αχαδεµψοφ Σχιενχεσ Βειϕινγtsstst ~ v1 ∆επαρτµεντ οφ Γεογραπηψo Υνιϖερσιτψοφ Μαρψλανδ o Χολλεγε Παρκo Μ∆ uszwu ΥΣΑl
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
«²µ¬½²±·¤¯ ¤±§ √¨ µ·¬¦¤¯ ¬±©²µ°¤·¬²± ¤·«¬ª« ¤¦¦∏µ¤¦¬¨¶q ∞¶³¨¦¬¤¯ ¼¯ ¬·¦¤± ¥¨ ∏¶¨§·² °¨ ¤¶∏µ¨ ©²µ¨¶·«¨¬ª«·§¬µ¨¦·¯¼ º¬·«
∏±³µ¨¦¨§¨±·¨§¤¦¦∏µ¤¦¼q׫¬¶¤µ·¬¦¯¨ ¬±·µ²§∏¦¨¶·«¨ ¥¤¶¬¦³µ¬±¦¬³¯¨²© ¬¯§¤µµ¨°²·¨¶¨±¶¬±ª¤±§·«¨ ¬¯§¤µ¶¼¶·¨°¶²© ¤¯µª¨ ©²²·³µ¬±·
¤±§¶°¤¯¯©²²·³µ¬±·q׫¨ ¶·¤·∏¶²©·«¨ ·¨¦«±²¯²ª¼o·«¨ µ¨·µ¬¨√¤¯ °¨ ·«²§¶²©©²µ¨¶·³¤µ¤°¨ ·¨µ¶¶∏¦«¤¶·µ¨¨«¨¬ª«·o¥¬²°¤¶¶o¦¤±²³¼
√¨ µ·¬¦¤¯ ¶·µ∏¦·∏µ¨ ¤±§¦µ²º± ¦¯²¶∏µ¨ o¤±§·«¨ ³µ²¶³¨¦·²©·«¨ ¤³³¯¬¦¤·¬²± ²© ¬¯§¤µ·¨¦«±²¯²ª¼ ¬± ©²µ¨¶·µ¼ «¤√¨ ¥¨ ±¨ µ¨√¬¨º¨ §¬±
§¨·¤¬¯¬±·«¬¶³¤³¨µq
Κεψ ωορδσ} ¬¯§¤µ~©²µ¨¶·«¨¬ª«·~¥¬²°¤¶¶~¦¤±²³¼ √¨ µ·¬¦¤¯ ¶·µ∏¦·∏µ¨ ~µ¨°²·¨ ¶¨±¶¬±ª
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 o也是自然界功能最完
善的资源库 o生物基因库 o水 !碳 !养分及能源储存调节库 o对改善生态环境 o维护生态平衡具有不可替代的作
用 ∀传统的森林参数测定需要外业实地测量 o仅能获得一些点上的数据 o不利于研究区域尺度或大范围的森
林参数 ∀随着遥感技术应用日益深入和成熟 o遥感技术已经成功用于大区域森林制图 !灾害监测等方面 o但
定量获取森林高度 !生物量等参数的工作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 ∀
成像光谱仪 !微波雷达 !高分辨率分光计和主动激光雷达是世界各国当前和今后发展的对地观测主要的
w种手段k郭华东 ousstl ∀激光是 us世纪 ys年代发展起来的一门新学科 o在第 t台激光器出现不久 o以测距
为主要功能的激光雷达便诞生了k戴永江 oussul ∀由于激光雷达极高的角分辨能力 !距离分辨能力 !抗干扰
能力等独特的优点 o使得激光雷达可以高精度地获取地表物体的高度信息 ∀因此 o在民用和军事上都已取得
了广泛的的应用 ∀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 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 ~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 ∀
本文首先介绍了激光雷达遥感的的工作原理 !用于林业遥感的一些主要的激光雷达系统及参数设置 o然
后对这一技术在林业上的应用现状进行了详细评述 o重点对树高反演和生物量Π蓄积量估计算法进行了分
析 o最后对激光雷达用于森林监测的潜力和局限型进行了分析 ∀
t 林业用激光雷达工作原理及主要系统
111 林业用激光雷达工作原理
激光雷达测高基本原理与雷达高度计相同 o只是它用的是激光 o工作频段是可见光和近红外光 o比微波
雷达要高得多kts sss ∗ tss sss倍l ∀激光雷达以脉冲激光作为技术手段 o以激光束扫描的工作方式测量从
传感器到地面上激光照射点的距离 o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k…¤¦«°¤±ot|z|l ∀其测距基本原理可表示为k…¤¯·¶¤√¬¤¶ot|||¤l }
Ρ € kχ # τlΠu ktl
其中 Ρ是传感器到目标物体的距离 oχ是光速 oτ是激光脉冲从激光器到被测目标的往返传输时间 ∀
激光雷达从目标物体的回波强度可由激光雷达方程来表示k戴永江 oussul }
Π• € Π× Γ×wΠΡu ≅
Ρ
wΠΡu ≅
Π∆u
w ≅ Γ„·°
u Γ≥¼¶ kul
其中 Π•是接收的激光功率 ~Π×是发射的激光功率 ~Γ×是发射天线增益 ~Ρ是目标散射截面 ~∆是接收孔
径 ~Γ„·°是单程大气传输系数 ~Γ≥¼¶是激光雷达光学系统的传输系数 ∀
用于林业的激光雷达主要有 u类 }记录完整波形数据的大光斑激光雷达与仅记录少量回波的小光斑激
光雷达 ∀前者主要通过回波波形用于反演大范围森林的垂直结构与生物量等参数 o后者则利用高密度的激
光点云进行精确的单木水平上的高度估测等工作 ∀
112 大光斑系统的特点
大光斑激光雷达系统一般指光斑直径在 { ∗ zs ° !连续记录激光回波波形的激光雷达系统 ∀回波记录
的时间间隔决定了激光点内物质被感知的详细程度 o每一时刻的回波都对应着一个强度 p时间波形并且代
表着该激光点范围内的一个截面面积 ∀如图 t所示 o森林的激光回波波形指示着从树顶开始 o通过树冠 !林
下植被 o最后是地面回波的森林垂直结构 ∀由于大光斑连续回波的激光雷达的光斑通常都大于林木冠幅 o波
形中往往包含了森林冠层和许多森林元素的信息而不仅仅是单株树的信息 ∀
对连续回波的激光雷达能量超过某一给定噪声阈值k背景噪声l即开始以一定的时间间隔进行记录 ∀激
光雷达记录装置对少量的光子变化有着良好的敏感性 o使得很少的植被所引起的波形形状的改变都能得到
反映 ∀波形的采样间隔 ∃ Ρk即距离分辨率l取决于回波记录的时间间隔 ∃τk即时间分辨率l o即 }
∃ Ρ € kχ # ∃τlΠu kvl
图 t 大光斑激光雷达森林回波波形示意图
ƒ¬ªqt ≥®¨·¦« °¤³²© ¤¯µª¨ ©²²·³µ¬±·
¬¯§¤µº¤√ ©¨²µ° ©µ²° ©²µ¨¶·
目前的大光斑激光雷达系统是以美国为首进行发展 o主
要有 ‘„≥„机载的 ∂Œ≥系统 !≥Œ≤∞• 系统和星载的 Š„≥系
统 ∀其中 ∂Œ≥系统和 ≥Œ≤∞• 系统的光斑大小在 { ∗ ux ° o
在美国 !加拿大 !巴西的典型林区进行了多次飞行试验 ~星载
Š„≥系统的光斑直径为 zs ° o目前已经在全球获取了很多
数据 ∀另外 o美国正在计划发射植被冠层激光雷达系统
k∂ ≤lk⁄∏¥¤¼¤« ετ αλqot||zl o∂Œ≥系统是其机载实验系统
k…¯¤¬µετ αλqot|||l ∀奥地利的 •¬¨ª¯公司在 ussw年底推出了
小光斑的记录连续波形的机载 ¬¯§¤µ系统 o并进行了试验飞行
k • ¤ª±¨ µετ αλqousswl ∀
113 小光斑系统的特点
小光斑激光雷达系统一般指光斑直径小于 t ° !离散记
录少量激光回波数据的激光雷达系统 ∀激光点的大小随着
飞行高度的改变而改变 o一般为 s1u ∗ s1| °∀小光斑的 ¬¯§¤µ
svt 林 业 科 学 wt卷
系统首先被用于地形测绘 o近年来才被用于林业 ∀
图 u 小光斑激光雷
达森林回波点云示意
图 k ‘¬¯¶¶²± ετ αλqo
ussvl
ƒ¬ªq u ≥°¤¯¯ ©²²·³µ¬±·
¬¯§¤µ ³²¬±·¦¯²∏§ ²© ³¬±¨
k‘¬¯¶¶²± ετ αλqoussvl
由于小光斑激光雷达的光斑尺寸小于林木冠幅 o此类型的激光雷达仅能对树
冠的一部分进行感应 ∀因此 o小光斑激光雷达系统需要在水平方向上增加采样频
率以弥补其在垂直方向上采样的不足 ∀激光点的间距随着飞行速度的改变而改
变 o目前的小光斑激光雷达系统激光点的采样间隔大多小于 t ° o在实际数据获取
时得到的是被测物体的激光/点云0k如图 u所示l ∀往往每株树有几十个到几百个
激光回波点 o从这些点云中可以估算每株树的参数 ∀
目前的小光斑激光雷达系统已经在国外取得了广泛的应用 o国外一些商业公
司已推出了林业用小光斑激光雷达系统k…¤¯·¶¤√¬¤¶ot|||¥l o比较成熟的有瑞典的
ײ³∞¼¨ 机载系统 !德国的 ײ³²≥¦¤±系统和 ײ³≥¼¶系统 !奥地利的 •¬¨ª¯¨系统 !加拿
大 ’³·¨¦«公司的 „× 系统 !美国的 °„≥系统等 ∀
u 激光雷达在林业上的应用
211 国外研究现状
¤¦¨¤±与 Žµ¤¥¬¯¯kt|{wl使用摄影测量和光密度测量的方法发现树冠垂直剖
面与森林蓄积量的对数成线性关系 o从而设想如果激光雷达可以精确重建树冠剖
面 o那么森林蓄积量即可被估测出来 ∀最早公开发表应用激光雷达进行森林参数
测量的是前苏联k≥²¯²§∏®«¬± ετ αλqot|zzl o结果表明激光雷达估测的树高与摄影测
量估测结果的均方根误差为 tw ¦°∀随后美国和加拿大的 „µ³等kt|{ul !‘¨ ¶¯²±等
kt|{wl !„¯ §µ¨§等kt|{xl和 ¤¦¨¤±等kt|{yl开展了一些试验研究 ∀加拿大林业研究所展示了激光雷达剖面
数据进行林分高度 !郁闭度和林下地形估测的能力k„¯ §µ¨§ ετ αλqot|{xl ∀在同一时期 o激光雷达在中美洲被
用于热带林制图k„µ³ ετ αλqot|{ul ∀ ¤¦¯¨ ¤±等kt|{yl也注意到从森林返回的激光波形与从海洋探测中返回
的激光波形很相近 o从而发现了利用激光雷达估计森林属性和地形测量的可能性 ∀
进入 us世纪 |s年代以来 o随着 ⁄Š°≥和 Œ˜技术的发展并成功用于机载遥感平台的定位和姿态控制 o
激光雷达技术发展十分迅速 ∀近十年来 o研究者发展提出了许多用激光雷达数据反演林木参数的算法
k‘¬¯¶²± ετ αλqot||y ~t||z ~¨©¶®¼ ετ αλqoussu ~ ¤¨±¶ ετ αλqot|||l o极大推进了激光雷达在林业上的应用 ∀
小光斑的激光雷达系统已经成功地用于大范围的森林资源清查中k‘•¶¶¨·ousswl o星载大光斑激光雷达已经
在轨运行并成功地进行了全球的数据获取kº¤¯ ¼¯ ετ αλqoussul ∀
激光雷达遥感已经展现出直接测量和间接估计主要森林参数k表 tl的能力 ∀
表 1 激光雷达成功反演的森林参数
Ταβ . 1 Φορεστ παραµετερσινϖερσεδ φροµ λιδαρ
森林参数 ƒ²µ¨¶·³¤µ¤°¨ ·¨µ¶ 小光斑激光雷达系统 ≥°¤¯¯©²²·³µ¬±·¯¬§¤µ¶¼¶·¨° 大光斑激光雷达系统 ¤µª¨ ©²²·³µ¬±·¯¬§¤µ¶¼¶·¨°
冠层高度 ≤¤±²³¼ «¨¬ª«· 直接测量 ⁄¬µ¨¦·µ¨·µ¬¨√¤¯ 直接测量 ⁄¬µ¨¦·µ¨·µ¬¨√¤¯
冠幅 ≤µ²º± ¶¬½¨ 通过分割点云推算 ∞¶·¬°¤·¨§©µ²° ³²¬±·¦¯²∏§ )
林下地形 ≥∏¥¦¤±²³¼·²³²ªµ¤³«¼ 直接测量 ⁄¬µ¨¦·µ¨·µ¬¨√¤¯ 直接测量 ⁄¬µ¨¦·µ¨·µ¬¨√¤¯
截面的垂直分布 ∂ µ¨·¬¦¤¯ §¬¶·µ¬¥∏·¬²± ²©
¬±·¨µ¦¨³·¨§¶∏µ©¤¦¨¶ 直接测量 ⁄¬µ¨¦·µ¨·µ¬¨√¤¯ 直接测量 ⁄¬µ¨¦·µ¨·µ¬¨√¤¯
胸高断面积 …¤¶¨ ¤µ¨¤ 通过相关生长方程估算 ²§¨¯¨ § ∏¶¬±ª ¤¯ ²¯° ·¨µ¬¦¨´ ∏¤·¬²±
通过 相 关 生 长 方 程 估 算 ²§¨¯¨ § ∏¶¬±ª
¤¯ ²¯°¨ ·µ¬¦¨´ ∏¤·¬²±
平均胸径  ¤¨± ¶·¨° §¬¤° ·¨¨µ 通过相关生长方程估算 ²§¨¯¨ § ∏¶¬±ª ¤¯ ²¯° ·¨µ¬¦¨´ ∏¤·¬²±
通过 相 关 生 长 方 程 估 算 ²§¨¯¨ § ∏¶¬±ª
¤¯ ²¯°¨ ·µ¬¦¨´ ∏¤·¬²±
冠层体积 ≤¤±²³¼ √²¯∏°¨ 通过分割点云推算 ∞¶·¬°¤·¨§©µ²° ³²¬±·¦¯²∏§ 通过波形分解计算 ∞¶·¬°¤·¨§©µ²° º¤√ ©¨²µ°
地上生物量 „¥²√¨ pªµ²∏±§¥¬²°¤¶¶ 通过相关生长方程估算 ²§¨¯¨ § ∏¶¬±ª ¤¯ ²¯° ·¨µ¬¦¨´ ∏¤·¬²±
通过 相 关 生 长 方 程 估 算 ²§¨¯¨ § ∏¶¬±ª
¤¯ ²¯°¨ ·µ¬¦¨´ ∏¤·¬²±
大树的株数密度 ¤µª¨ ·µ¨¨§¨±¶¬·¼ 通过分割点云推算 ∞¶·¬°¤·¨§©µ²° ³²¬±·¦¯²∏§ 通过波形推算 ∞¶·¬°¤·¨§©µ²° º¤√¨ ©²µ°
郁闭度 ≤¤±²³¼ §¨±¶¬·¼ 通过点云分解推算 ∞¶·¬°¤·¨§©µ²° ³²¬±·¦¯²∏§ 通过波形分解计算 ∞¶·¬°¤·¨§©µ²° º¤√ ©¨²µ°
叶面积指数 „Œ 通过分割点云推算 ∞¶·¬°¤·¨§©µ²° ³²¬±·¦¯²∏§ 通过波形分解计算 ∞¶·¬°¤·¨§©µ²° º¤√ ©¨²µ°
≠其中通过相关生长方程估算往往由于当地的相关生长方程缺乏 o而采用统计回归的方法 ∀Œ± °²¶·¦¤¶¨ o·«¨ ¤¯ ²¯° ·¨µ¬¦¨´ ∏¤·¬²± ²©·«¨
¶³¨¦¬©¬¦¤µ¨¤¬¶¤¥¶¨±·¤±§¶·¤·¬¶·¬¦¤¯ µ¨ªµ¨¶¶¬²± ° ·¨«²§¬¶∏¶¨§q
tvt 第 v期 庞 勇等 }激光雷达技术及其在林业上的应用
加拿大女王大学地理系的 ≥·2’±ª¨ 等kusstl用激光雷达技术进行森林林冠高度和树高的测定 o获得了高
精度的测量结果 ∀ ‘¬¯¶²±等通过计算冠顶和地面回波之间的距离计算了树高 o精度达 |s h以上 ∀并通过计
算回波波形的面积与树冠体积 !地上生物量 !林分断面积 !郁闭度建立相关模型 o相关性很高k‘¬¯¶²± ετ αλqo
t||y ~  ¤¨±¶ ετ αλqot|||l ∀ ‘„≥„2Š≥ƒ≤的 ‹¤µ§¬±ª等使用机载激光雷达 ≥Œ≤∞• 数据重建出了阔叶林的冠层
垂直分布 o与地面实测结果十分接近k‘¬¯¶¶²± ετ αλqot||y ~‹¤µ§¬±ª ετ αλqousstl ∀马里兰大学地理系 ⁄∏¥¤¼¤«
等人与 ‘„≥„2Š≥ƒ≤合作提出了星载植被激光雷达系统k∂ ≤l计划 o该计划利用机载实验系统k∂Œ≥l在美国 !
加拿大 !澳大利亚等多个国家进行了成功的实验 o在世界上许多有影响的杂志上发表了很多文章k⁄∏¥¤¼¤«o
t||z ~⁄µ¤®¨ ετ αλqoussu ~ ‹∏· ετ αλqousswl ∀目前该计划正在进行系统的可靠性校验 !审核 o拟于 ussy年发
射 ∀
¨©¶®¼等人对多种先进的遥感数据进行了比较研究 o包括多时相的 ¤±§¶¤·× 数据 !高空间分辨率的机
载 „⁄„• 数据 !机载高光谱 „∂Œ•Œ≥数据和机载激光雷达 ≥Œ≤∞• 数据 o结果表明激光雷达数据反演出的树木
结构参数最好 ∀并指出 o尽管目前激光雷达只有采样数据 o但与其他影像数据结合使用将大大提高林业遥感
的精度 o将来随着星载激光雷达系统的实施 o必能取得更广泛的应用k¨©¶®¼ ετ αλqousstl ∀
芬兰 !挪威 !瑞典等一些北欧国家利用激光雷达数据与高空间分辨率的星载光学图像相结合 o成功地提
取了树木高度 !林分郁闭度以及冠形参数k‹¼¼³³¤ ετ αλqoussv ~‘•¶¶¨·oussv ~‘¬¯¶¶²± ετ αλqoussvl ∀加拿大林
业研究中心 • ∏¯§¨µ等kusssl也利用德国 ג°¶¼¶公司的机载系统数据进行了林木高度和树木位置的研究 ∀
美国华盛顿大学精准林业研究中心利用机载激光雷达数据进行了精准林业测量方面的研究 o证明了将激光
雷达与高精度的光学影像相结合可以进行林业精准测量k„±§¨µ¶¨± ετ αλqoussul ∀
在精确反演森林参数的基础上 o≥²¯¥¨µª等kusswl将 ¬¯§¤µ用于树叶数量的估计 o并提出了一种与高光谱
遥感数据相结合进行森林健康监测的思路 ∀ ≠∏等kusswl利用两个时期的 ¬¯§¤µ数据进行了数据获取间隔期
内的林木生长和采伐的自动探测 ∀
澳大利亚国家工科学工业技术研究组织k≤≥Œ• ’l的地球观测中心k∞’≤l开发出了地基激光雷达林分Π植
被结构参数遥感观测原型系统k∞≤‹Œ⁄„‘אl ∀该系统集成了鱼眼相机与激光测距仪 o可以对整个半球内的
树冠结构进行扫描 o数据经过处理后可以得到该点的树冠结构统计特性 o输出参数和树干 !树叶的密度等相
关 o可以用于生态评价 o林分生长模型和蓄积量的估测k²√¨ ¯¯ ετ αλqoussvl ∀
≥∏±等kusssl将森林生长模型与激光雷达波形模拟模型相结合模拟了多种情况下森林的激光雷达回波 o
并利用实际森林的机载激光雷达数据对模型进行了验证 ∀模型表明激光雷达的波形数据很好地反映了森林
的垂直结构和水平结构 o并且利用模型可以分析冠形对参数反演的影响 ∀ ‘¬等kusstl将不连续冠层的几何
光学模型和辐射传输模型引入到激光雷达信号的模拟模型 o模拟了不连续冠层中枝叶集群分布和林隙对激
光雷达波形的影响 ∀ Ž²·¦«¨ ±²√¤等kussvl将时变随机辐射传输理论用于森林的激光雷达波形模拟 o通过将多
次散射机制引入模型 o很好地解释了林下植被的存在对激光雷达波形的影响 o并根据模型分析给出了利用激
光雷达波形数据进行森林生物量反演的算法 ∀
激光雷达传感器曾由美国航天飞机运载在 t||x年k≥„st计划l和 t||z年k≥„su计划l试飞 o证实所得
数据对地形和树木的测高很有用处 ∀美国已于 ussv年 t月成功发射了 Œ≤∞¶¤·k冰 o云和陆地高程卫星l o是
‘„≥„从 t|||年开始的地球科学计划的一部分 o目的是观测 ts至 tx年的一段时期内的大气 !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 ) 大气系统的变化 ∀该卫星搭载有激光雷达传感器
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
被垂直结构提供了全新的视角 ∀其所提供的云的高度和厚度信息将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 ∀其激光光斑直径为 zs ° o采样间隔为 tzs °
kº¤¯ ¼¯ ετ αλqoussul ∀目前 o该卫星已经在轨测试完毕 o开始正常的数据获取 o数据分发工作已经从 ussw年
开始tl ∀
tl «·³}ΠΠººº q±¶¬§¦q¦²¯²µ¤§²q¨§∏Π§¤·¤Π¬¦¨¶¤·
uvt 林 业 科 学 wt卷
212 国内研究现状
我国/七五0期间曾立项研制激光遥感系统 o因经费与技术上的原因 o最终未能完成 ∀目前我国激光雷达
研制取得了很大进展 o但限于硬件水平 o主要是一些机载激光测距系统和用于测污的激光雷达系统 o用于数
字城市 !建筑物高度测量k李树楷等 ousssl !空气污染状况测量k阎吉祥等 ousstl等方面 ∀刘经南等kussvl综
述了机载激光扫描测高技术 ∀国内的已有激光雷达系统和适用于植被结构参数探测的激光雷达是不同的 ∀
国内尚没有类似功能的 ¬§¤µ出现 o更未见以该数据应用的相关研究报道 ∀可喜的是 o目前我国十分重视激
光雷达系统的研制 o科技部 !电子工业部 !中国科学院等单位已经开始研制机载Π星载测距激光雷达系统 ~中
国测绘科学院 !武汉大学等单位正在计划引进国外机载小光斑激光雷达系统 ~北京星天地信息科技有限公
司tl和山西亚太数字遥感新技术有限公司已经分别引进了高性能的机载小光斑激光雷达系统ul ∀
国内在激光雷达林业应用领域的研究刚刚起步 o中国林业科学研究院开展了针对星载记录完整波形数
据的大光斑激光雷达系统的理论模拟k°¤±ª ετ αλqoussv ~usswl和林业应用研究k≥∏± ετ αλqoussxl o表明星载
大光斑激光雷达可以用于林分水平的森林高度估计 o并将 Œ≤∞¶¤·Š„≥数据与 Œ≥• 数据相结合进行了 ¬¯§¤µ
反演树高在区域上的推广 ∀用小光斑激光雷达数据进行林业应用研究在国内尚未见报道 ∀
v 激光雷达反演森林参数的主要算法
tl «·³}ΠΠººº q½«¬±¦q¦²° q¦±Π±¨ º¶Π¯¬¶·q¤¶³‚¬§€ t|t
ul «·³}ΠΠººº q¼·§µ¶q¦²° q¦±
311 森林高度
大光斑 ¬¯§¤µ的波形是从能量超过某一给定噪声阈值即开始以一定的时间间隔进行记录的 ∀因此 o信号
的前沿是从冠层顶部到传感器的距离 o最后一个回波的峰值点表示着从地面到传感器的距离 ∀则森林冠层
高度通过激光雷达第一回波信号的前沿与最后回波峰值的差即可得到k图 vl ∀有时考虑到地面对波形展宽
的影响 o再减去地面波形的展宽 ∀
图 v 大光斑激光雷达计算
森林高度示意图
ƒ¬ªqv ≥®¨·¦« °¤³²©©²µ¨¶·«¨¬ª«·
¦¤¯¦∏¯¤·¬²±©µ²° º¤√¨ ©²µ°
312 冠层垂直结构
大光斑激光雷达系统将从冠层到地面间的激光回波信号全部进行了数字化
纪录 o因此所记录的波形与树冠的垂直结构密切相关 ∀尤其是大光斑激光雷达
系统的波形记录了来自星下点冠层组分k包括叶 !干 !大枝和小枝l表面垂直投影
的反射k图 tl ∀这些中间的回波波形与冠层的垂直分布密切相关很好地反映了
冠层组分的表面积k包括树叶 !树枝 !树干l o根据这些/中间截面0的回波可以部
分重建林分冠层的垂直结构 ∀ ¨©¶®¼等kt|||¥l利用 ≥Œ≤∞• 波形数据很好地描
述了树冠体积的垂直分布 o°¤µ®¨µ等kusstl模拟了光在树冠中的透射情况 ∀像
树冠高度一样 o树冠组分横截面的垂直分布为植被研究提供了一个新的手段 o并
且为树冠其他重要参数k如地上生物量l的估计提供了基础 o也可以作为评价森
林连续分布的一个指标k⁄∏¥¤¼¤« ετ αλqot||z ~⁄µ¤®¨ ετ αλqoussul ∀
随着林分年龄的增大和林分的生长 o树冠组分的垂直分布相对于幼林时的
状态也发生变化k⁄∏¥¤¼¤« ετ αλqot||z o¨©¶®¼ ετ αλqot|||¤l ∀成过熟天然林的特
点是林隙多 !林龄结构和高度变化大 o相对同龄林而言在垂直结构上表现得更均
一 o而同龄林树顶附近的冠层物质占了绝大部分 ∀激光雷达的波形对这些森林连续性垂直结构的变化很敏
感k¨©¶®¼ ετ αλqot|||¤l ∀
313 郁闭度
对郁闭度的反演小光斑系统可通过来自植被的回波数量和来自地面的回波数量之比 o大光斑系统可通
过波形中来自植被的回波面积和来自地面的回波面积之比进行计算 ∀但二者都需要植被的反射率和地面的
反射率作为输入 o因此需要与其他数据相结合 o依靠其他的光学遥感数据提供激光所用波段的植被反射率和
地面反射率 o否则很难进行大范围应用 ∀
vvt 第 v期 庞 勇等 }激光雷达技术及其在林业上的应用
314 胸高断面积和蓄积量(生物量)
¤¦¨¤±与 Žµ¤¥¬¯¯ kt|{wl使用摄影测量和光密度测量的方法发现了树冠剖面与森林蓄积量的对数成线
性关系 o从而假定如果激光雷达可以精确重建树冠剖面 o那么森林蓄积量即可被估测出来 ∀此外 o根据树木
生长的相关生长规律 o在一定区域内 o树木的高度和胸径 !蓄积量等存在着很好的相关关系 o随着高度的增加
其直径也随之增加 o从而提高木材蓄积量和生物量 ∀这种生物约束机制为利用激光雷达反演的高度信息进
行森林生物量建模提供了理论基础 ∀但由于树木的相关生长方程与树种 !地域密切相关 o往往由于当地的相
关生长方程缺乏 o而采用统计回归的方法 ∀
图 w 波形面积计算示意图
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图 x ‹’∞计算示意图
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波形植被部分的面积k„ • „∂l准确地反映了森林冠层的体积信息k见图 wl o因此通过计算出的 „ • „∂ 即
可以建立森林蓄积量的反演模型 ∀由于 „ • „∂ 与回波强度紧密相关 o因此在计算 „ • „∂ 之前需要进行回波
强度标定 ∀
波形半能量高度k‹’∞l是回波中植被部分能量一半的高度k见图 xl o是一个综合了森林冠层体积信息
和森林高度信息的量 o与森林生物量 !蓄积量等参数密切相关 o通过计算 ‹’∞也可以与森林蓄积量建立反
演模型 ∀
315 单木参数估计
机载小光斑 ¬¯§¤µ系统被成功用于单木参数的估计 o包括树高 !树冠尺寸 !树木位置 !树种等 ∀首先将小
光斑 ¬¯§¤µ获得的激光/点云0数据进行滤波 !分类和分割处理 o区分出来自植被的反射和来自地面的反射 o通
过最大值滤波寻找出树木的顶点 ~然后分割出每株树的激光/点云0 o根据每株树的激光/点云0采用类似于大
光斑激光雷达数据处理方法即可得到树高和树冠尺寸 o同时通过树木的顶点可以绘制树木位置图 ~然后即可
构建单株树的矢量模型 o根据构建的矢量模型进行树种识别k°¼¼¶¤¯² ετ αλqoussu ~°©¨¬©¨µετ αλqousswl ∀
w 激光雷达林业应用的潜力与局限性分析
411 激光雷达林业应用的潜力
激光雷达的优势是能够直接测量森林高度和垂直结构信息 o弥补其他遥感手段的不足 ∀但激光雷达很
难提供大范围全覆盖的数据 o尤其是对星载系统而言 o与其他遥感技术手段相结合可以提供更准确 !更全面
的森林参数估计k‹ ¶¨¨ ετ αλqoussxl ∀研究综合应用其他遥感数据和激光雷达数据的森林参数定量反演技
术 o将有利于发展完全基于遥感手段的定量遥感技术 o在遥感技术更广泛深入地用于森林资源调查上有所突
破 ∀同时 o利用高精度的激光雷达反演的森林参数还可以用作其他遥感手段的训练数据和验证数据 ∀
对大范围森林高度 !林下地形和截面的垂直分布的直接测量为森林调查和经营管理管理提供了丰富的
数据 ∀这些参数与其他生物物理参数k如地上生物量l具有很好的关系 o为森林生态系统的功能和生产力的
建模提供了参数 ∀树冠垂直结构的信息和树叶的垂直剖面可以为森林生理生态研究提供大量的数据源 ∀
最近几年发展的地基激光雷达系统在树木近景测量 !木材质量评价等方面展现出很好的应用前景 ∀
wvt 林 业 科 学 wt卷
412 激光雷达林业应用的局限性分析
尽管 ¬¯§¤µ在很多森林参数反演上都取得了很大的成功 o但目前这一技术的应用仍很局限 ∀主要表现为
理论体系尚有待进一步完善 !数据有限 !数据分析处理软件缺乏 o费用相对其它遥感手段较高 ∀但随着技术
的发展和应用的推广 o费用将会大大降低 ∀
小光斑系统由于是离散采样 o往往会错失树顶的采样而低估树高 ~为了弥补这一点 o需要增大采样密度 o
降低飞行高度 o导致大范围应用所需费用很高 ∀大光斑系统有效地避免了树顶的错失 o幅宽也可以更大 o但
太大的光斑会受到林下地形和树木空间结构的影响 ∀
目前可用的激光雷达数据很有限 ∀由于高脉冲重复频率的激光器仅有少数国家能够生产 o价格昂贵且
进口受限制 o目前仅有少数发达国家有业务化的运行系统 ∀由于所测数据精度很高 o对平台的姿态控制系统
和姿态记录装置的要求很高 o目前进口仍很困难 ∀另外 o商业的机载小光斑激光雷达系统现在的花费仍然较
高 ∀不过 o我国目前在这方面取得了一些进展 o可望在近几年内取得突破 ∀
激光雷达遥感技术的林业应用是一门新的交叉学科 o涵盖着遥感 !测量 !信号处理和林学中的多个分支
学科k如森林经理 !森林生态等l o如何充分发挥这一高新技术的优势和作用 o取决于相关学科的发展和协作 ∀
参 考 文 献
戴永江 qussu1 激光雷达原理 q北京 }国防工业出版社
郭华东 qusst1 对地观测技术与可持续发展 q北京 }科学出版社
李树楷 o薛永祺 qusss1 高效三维遥感集成技术系统 q北京 }科学出版社
刘经南 o张小红 qussv1 武汉大学学报 }信息科学版 ou{kul }tvu p tvz
阎吉祥 o龚顺生 o刘智深 qusst1 环境监测激光雷达 q北京 }科学出版社
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