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利用机载激光雷达数据估计植被参数

时间:2022-10-14 百科知识 版权反馈
【摘要】:随着机载激光雷达技术的成熟,国外已经就机载激光雷达在林业上的应用进行了大量成功的尝试。机载激光雷达技术在林木高度测量与林木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。激光雷达测量技术的出现给自然资源的管理和调查产生了重大变化。利用机载激光雷达技术能同时提供高空间分辨率的水平和垂直结构信息,且垂直精度高。下面简要讨论普通机载激光雷达用于测定森林植被参数的基本原理。

6.4 利用机载激光雷达数据估计植被参数

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,也是自然界功能最完善的资源库、生物基因库、水、碳、养分及能源储存调节库,对改善生态环境,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,仅能获得一些点上的数据,不利于研究区域尺度或大范围的森林参数。随着遥感技术应用的日益深入和成熟,遥感技术已经成功用于大区域森林制图、灾害监测等方面。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(庞勇等,2005)。

过去,小面积森林普查通常都是靠人或利用航空影像、植物生长模型等方式进行。传统技术手段进行森林资源管理和普查费时、费力,且劳动强度大,有时甚至不能进行,而且有些重要植被参数根本就无法获取。由于这些原因,外业森林调查不能经常展开,普查面积也非常有限。尽管人们可以利用遥感的手段进行森林资源的管理和普查,但绝大部分传感器只能提供水平分布的详细信息,不能获得森林垂直结构参数。

随着机载激光雷达技术的成熟,国外已经就机载激光雷达在林业上的应用进行了大量成功的尝试。1997年,美国航空航天局就将VCL(Vegetation Canopy LIDAR)作为地球系统科学探索ESSP(Earth System Science Pathfinder)计划的首选任务。VCL计划的主要目的就是通过观测整个地球,获取全球植被覆盖垂直和水平结构参数以及陆地地形数据。开展的机载LVIS(Laser Vegetation Imaging Sensor)是VCL计划的预研项目。VCL和LVIS基本上是针对森林动态监测而设计的专用系统,采用的一般是大光斑的激光光束(光斑大小达几十米),通过分析激光脉冲的多次回波脉冲信号波形(Waveform)来获取地面植被结构。

机载激光雷达技术在林木高度测量与林木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。激光雷达测量技术的出现给自然资源的管理和调查产生了重大变化。激光雷达遥感根据采样方式和配置的不同,可以高精度地提供森林水平和垂直结构的信息,包括估计森林植被的基本参数,如平均树高、平均树冠面积以及单位面积内树的棵数等(见图6-28)。此外,还可以进行大范围、多树种森林的普查以及森林生态系统树蓬垂直结构建模等。

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图6-28 树的基本参数

利用机载激光雷达技术能同时提供高空间分辨率的水平和垂直结构信息,且垂直精度高。特别是各种森林属性数据能直接从机载激光雷达数据中推求出来,包括树冠高、树冠直径、树冠的垂直分布等。基于机载激光雷达数据,这些属性数据能进行模型化,如生物数量、平均树干直径、树叶垂直剖面以及树冠体积、植被覆盖率等。过去的研究大多集中在利用激光雷达数据进行针叶林生态系统的管理应用(Nelson,et al,1988;Rithchie,et al,1993;Magnussen,et al,1999)。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(Nasset,2004)。

下面简要讨论普通机载激光雷达用于测定森林植被参数的基本原理。一般的机载激光雷达的激光光束的发散角都很小,相应地形成的激光光斑也较小,光斑直径一般为几个分米。

森林覆盖结构主要分成两大类:水平结构和垂直结构。森林覆盖的水平结构主要包括森林覆盖边界、树冠外围轮廓、每棵树的树高和覆盖区域的平均树高、一定范围内树木的分布形态等。每棵树的树冠形状是描述水平结构的基本参数,多数树种的树冠可近似为圆锥形。因此,利用机载激光雷达所获取的树冠点云基本上也是圆锥形(见图6-29)。

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图6-29 独立树激光脚点的空间分布形态

通过对数据点云的分割,分割出的每簇点云中,高度值最大的那点所对应的高度与地面高程之差就是该棵树的树高,对应的点云在水平方向的直径就是树冠的直径。如今有不少系统能提供激光光束的多次回波信号,对其进行相应的处理就能获取森林植被的垂直结构参数,包括分层结构等。利用机载激光雷达技术还能获得树蓬表面三维结构的细部形态(见图6-30),对于了解森林植被的分布、生长情况以及植被的密度,能提供全局的三维信息。

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图6-30 Canopy表面结构

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