利用大光斑激光雷達估測小興安嶺平均樹高

胡 艷 ，王 迪 ，劉凌菲 ，曲苑婷，汪 垚 ，劉 洋 ，李 虎，范文義*

(1.東北林業(yè)大學林學院，黑龍江哈爾濱 150040；2.吉林師范大學博達學院管理系，吉林四平 136000)

利用大光斑激光雷達估測小興安嶺平均樹高

胡 艷1，王 迪1，劉凌菲1，曲苑婷1，汪 垚1，劉 洋1，李 虎2，范文義1*

(1.東北林業(yè)大學林學院，黑龍江哈爾濱 150040；2.吉林師范大學博達學院管理系，吉林四平 136000)

研究通過獲取覆蓋中國黑龍江省小興安嶺的GLAS 第三激光器Laser3I 數(shù)據(jù)，并用IDL 和MATLAB對GLAS 波形數(shù)據(jù)進行處理來提取樹高，利用小興安嶺二類調(diào)查數(shù)據(jù)做精度檢驗，得到精度為92.67%。結(jié)果顯示：大光斑激光雷達能夠高精度地提取樹高，可為林業(yè)生產(chǎn)及時提供必要的數(shù)據(jù)支持。

雷達；GLAS；小興安嶺；平均樹高

森林是陸地上占地面積最大、結(jié)構(gòu)組成最復雜、物質(zhì)資源最豐富的生態(tài)系統(tǒng)。樹高是最重要的測樹因子之一，是調(diào)查森林資源的重要指標[1]。利用傳統(tǒng)的森林樹高參數(shù)測定方法需要消耗大量的人力物力，而且獲取的數(shù)據(jù)量少，不利于大范圍地測定森林參數(shù)，數(shù)據(jù)的現(xiàn)實性比較差[2]。隨著科學技術(shù)的迅速發(fā)展，產(chǎn)生了測定森林參數(shù)的新技術(shù)——激光雷達技術(shù)。激光雷達(Light Detection And Rang，LIDAR)是一種通過由傳感器所發(fā)出的激光脈沖來測定傳感器與目標物體之間距離的主動遙感技術(shù)[3]。大光斑激光雷達技術(shù)具有不受森林郁閉度限制，受天氣影響小，數(shù)據(jù)的采集質(zhì)量高，高程數(shù)據(jù)精度不受航高變動影響的優(yōu)點[4]。利用它的多次回波技術(shù)，可獲取森林的三維結(jié)構(gòu)信息，對森林的垂直參數(shù)進行估測，比常規(guī)的攝影測量技術(shù)更加具有優(yōu)越性。大光斑激光雷達技術(shù)的發(fā)展主要以美國為首，主要包括有NASA機載的LVIS系統(tǒng)、SLICER系統(tǒng)和星載GLAS(Geoscience Laser Altimeter System)系統(tǒng)。

近幾年，國內(nèi)外很多林業(yè)方面的專家對激光雷達數(shù)據(jù)提取樹高進行了相關(guān)研究，均取得了很好的成果。在國外，Riano[5]利用激光雷達數(shù)據(jù)對林火行為模擬所需要的可燃物空間參數(shù)進行了提取，并對樹高進行了反演，精度達到92.3%； Sun等[6]科學家通過實際森林的機載激光雷達數(shù)據(jù)對森林生長模型進行了驗證，并成功地將森林生長模型與激光雷達波形模型相結(jié)合，模擬了多種情況下森林的激光雷達回波。模型表明，激光雷達的波形數(shù)據(jù)能夠很好地反映森林的水平結(jié)構(gòu)與垂直結(jié)構(gòu)，并且可通過模型分析冠形對參數(shù)反演樹高的影響。國內(nèi)也有很多學者對激光雷達提取樹高展開研究，采用大光斑激光雷達全球觀測數(shù)據(jù) GLAS，并對波形數(shù)據(jù)進行處理與分析，反演森林平均樹高，并且為后續(xù)的森林碳循環(huán)模型的深入研究提供必要的數(shù)據(jù)支持和參考依據(jù)[7]。該研究利用覆蓋中國黑龍江省小興安嶺的GLAS 第三激光器Laser3I 數(shù)據(jù)，并用IDL 和MATLAB對GLAS 波形數(shù)據(jù)進行處理來提取平均樹高，以期為林業(yè)生產(chǎn)及時提供必要的數(shù)據(jù)支持。

1 研究區(qū)域概況及數(shù)據(jù)獲取

1.1 研究區(qū)域概況 小興安嶺位于我國黑龍江省東北部，地處127°42′～130°14′ E，46°28′～49°21′ N[8]。北部以黑龍江中心航線為界，與俄羅斯隔江相望，邊境線總長249.5 km。小興安嶺是東北地區(qū)東北部的低山丘陵山地，分水嶺東西兩側(cè)不對稱，西南坡緩而長，東北坡陡而短(圖1)。最高峰為平頂山，海拔1 429 m。冬季嚴寒、干燥而漫長；夏季溫熱、濕潤而短暫，屬于北溫帶大陸季風氣候區(qū)。小興安嶺得天獨厚的自然條件繁衍著紅松等許多珍貴的木材。林業(yè)施業(yè)區(qū)劃面積386萬hm2，實際擁有林地面積280萬hm2，森林植被覆蓋率達到72.6%，活立木總蓄積量2.4億m3,是國家最重要的用材基地之一。森林類型主要以紅松針闊葉混交林為主[9]。主要樹種有紅松、落葉松、云杉、冷杉、春榆、紫椴、水曲柳、黃波欏、白樺、蒙古櫟、楓樺、胡桃楸、樟子松、山楊等，藤條灌木遍布整個林區(qū)。

1.2 地面數(shù)據(jù)獲取

1.2.1 地面驗證數(shù)據(jù)獲取。搜集小興安嶺地區(qū)各個林業(yè)局與森林調(diào)查規(guī)劃設計院的森林資源調(diào)查數(shù)據(jù)，包括樣地調(diào)查數(shù)據(jù)及森林資源二類調(diào)查數(shù)據(jù)。由于激光雷達發(fā)射的光斑是直徑為70 m橢圓, 而樣地調(diào)查數(shù)據(jù)中樣地的大小設定為20 m×30 m，無法與激光雷達發(fā)射的光斑大小匹配。森林資源二類調(diào)查數(shù)據(jù)是以小班為調(diào)查單位，搜集的參數(shù)因子包括小班的平均樹高、胸徑、冠幅等。為了使地面驗證數(shù)據(jù)與雷達光斑大小基本一致，最終選取了二類調(diào)查數(shù)據(jù)作為主要的地面驗證數(shù)據(jù)。

圖1 研究區(qū)域位置

1.2.2 大光斑激光雷達數(shù)據(jù)的獲取。GLAS是由NASA(美國航空航天局)發(fā)射的Icesat衛(wèi)星的一個激光測高系統(tǒng)，也是一個波形數(shù)據(jù)傳感器[10]。該衛(wèi)星作為地球觀測系統(tǒng)計劃的一部分，可觀測全球范圍內(nèi)的大氣、海洋、陸地、生物圈的變化，并于2003年1月12日發(fā)射。衛(wèi)星運行傾角94°，軌道高度590 km，回歸周期183 d。GLAS傳感器使用1 064 nm的激光，頻率是40 Hz,激光打在地面上是一個直徑為70 m的橢圓，相鄰兩光斑質(zhì)心之間相距大約172 m[11]。該研究的主要目的是提取森林植被的平均樹高，運用的數(shù)據(jù)為GLA01波形數(shù)據(jù)、GLA05基于波形的高程數(shù)據(jù)、GLA06高程數(shù)據(jù)和GLA14陸地/植被高度數(shù)據(jù)。

研究主要是獲取覆蓋中國黑龍江省小興安嶺地區(qū)的GLAS數(shù)據(jù)。研究運用的是發(fā)布于2010年的GLAS數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)獲取時間為2013年7月。利用IDL軟件讀取GLAS數(shù)據(jù)，得到小興安嶺激光光斑數(shù)據(jù)分布圖(圖2)。

圖2 黑龍江省小興安嶺的激光光斑數(shù)據(jù)分布

2 數(shù)據(jù)的處理及分析

2.1 數(shù)據(jù)讀取 GLA01數(shù)據(jù)文件是記錄激光雷達回波數(shù)據(jù)的原始文件，包括文件頭和數(shù)據(jù)記錄兩部分內(nèi)容。GLA01波形數(shù)據(jù)主要反映的是對應地面光斑內(nèi)的地形和植被的垂直分布信息，利用此數(shù)據(jù)能反演出森林植被的平均樹高[12]。每經(jīng)過1 s，它能夠接收40個激光光束回波信號，將每個激光光束信號解壓后為1 000幀，1幀的大小為1 ns或15 cm[13]。GLA05是高程數(shù)據(jù)文件，激光光斑位置的校正可以通過已有的DEM或者SRTM DEM數(shù)據(jù)結(jié)合實現(xiàn)，計算兩者之間相關(guān)系數(shù)。當兩者相關(guān)系數(shù)達到最大時，即可確定激光光斑的地理位置。GLA14數(shù)據(jù)文件除記錄與GLA01文件對應的經(jīng)緯度坐標和記錄號、波形數(shù)據(jù)相應的地面光斑的地理位置和高程數(shù)據(jù)外，還包含了記錄激光波形信號的開始位置、波形中心位置、結(jié)束位置及擬合后的高斯波峰等信息的數(shù)據(jù)[14](圖3)。

圖3 激光波形及參數(shù)

2.2 樹高提取 GLA01中的原始波形數(shù)據(jù)、GLA05基于波形的高程數(shù)據(jù)、GLA06高程數(shù)據(jù)和GLA14陸地/植被高度數(shù)據(jù)[15]可通過IDLreadGLAS讀取。利用NSIDC開發(fā)的IDLreadGLAS，通過read_glas_ctrl.data文件把GLAS數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為二進制格式的數(shù)據(jù)。因為GLA01是原始波形數(shù)據(jù)，在讀取時除了參數(shù)控制文件外，還要讀取原始波形文件(read_gla01_wf.pro)，并用MATLAB軟件及相關(guān)程序讀取文本格式的GLAS數(shù)據(jù)，通過相關(guān)參數(shù)計算得到波形圖。完整的GLAS波形數(shù)據(jù)記錄了入射光斑范圍內(nèi)森林的垂直分布信息。當激光雷達的圓形光斑向地面發(fā)射時，入射的一部分光斑接觸到森林的最高冠層時反射回激光雷達傳感器，從而被激光雷達接收。這是波形中第一個有效回波點，也是第一個回波的開始。之后未被反射的光斑信號則會穿透冠層到達地面，然后反射回傳感器，被激光雷達傳感器吸收，形成激光波形的最后一個回波點，即地面回波[16-18]。激光雷達記錄的第一個回波和最后一個回波之間包含了森林的垂直信息。

因為研究區(qū)域的森林植被生長在高低起伏的山脈中，地形的高低起伏會改變森林組分到傳感器之間的距離[19]，甚至導致光斑內(nèi)在上坡的地面回波與下坡的地面回波之間產(chǎn)生疊加效應，在測定小興安嶺的平均樹高時會產(chǎn)生一定的誤差。為盡量減少誤差，首先結(jié)合基于波形的高程數(shù)據(jù)GLA05、高程數(shù)據(jù)GLA06和陸地/植被高度數(shù)據(jù)GLA14對原始波形進行預處理，消除噪音對波形的影響，然后運用小波分析中不同尺度的離散小波基對GLA01的波形數(shù)據(jù)進行擬合，將不同尺度下的高斯波峰信息記錄下來，然后篩選出合理的波峰信息，記錄第一個和最后一個波峰的位置，并計算第一個回波波峰和最后一個回波波峰之間的距離，進而得出樹高12.45 m，如圖4。

圖4 降噪后的波形長度

3 結(jié)論與討論

通過大光斑激光雷達提取的波形長度與實測樹高建立模型，得到波形長度與實測樹高的關(guān)系(圖5)。可以得出兩者之間存在明顯的線性關(guān)系，回歸方程為y=0.964 1x-0.404 9，相關(guān)系數(shù)R2=0.958 1。用二類調(diào)查數(shù)據(jù)得出的平均樹高對模型模擬的樹高進行精度檢驗，得到的實際精度達到92.67%。然而，可以得出波形的長度不完全和樹高相等是因為受地形起伏和樹木冠形的影響。

圖5 GLAS波形長度與樹高關(guān)系

在激光雷達傳感器的領(lǐng)域中，GLAS是第一個可對全球進行觀測的傳感器。通過GLAS數(shù)據(jù)可以精確反演樹高。該研究詳細介紹了用GLAS數(shù)據(jù)建立模型提取樹高的方法。盡管如此，激光雷達大光斑GLAS數(shù)據(jù)也不無缺點，其不連續(xù)性、密度小的特點導致成像困難，得出的數(shù)據(jù)也有一定誤差，可考慮在連續(xù)性和密度上尋找其他更具優(yōu)越性的數(shù)據(jù)，這有待進一步研究。

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Estimation of Forest Tree Average Heights from GLAS Data in Lesser Khingan Mountains

HU Yan, FAN Wen-yi et al

(School of Forestry, Northeast Forestry University, Harbin, Heilongjiang 150040)

By getting Laser 3I data of covey Lesser Khingan Mountains in Heilongjiang Provice, and disposing GLAS data with IDL and MATLAB, tree heights were obtained and using the Khingan Mountains two kinds of investigation data accuracy test, the theoretical accuracy was 92.67%. Result shows that the GLAS data can provide tree height with high precision, which can supply accurate, timely and necessary data for forestry production.

LIDAR; GLAS; Khingan Mountains; The average tree height

國家高科技研究發(fā)展計劃863課題(2006AA12Z104)。

胡艷(1991-)，女，貴州遵義人，本科生，專業(yè)：地理信息系統(tǒng)。*通訊作者，教授，博士生導師，從事林業(yè)遙感及地理信息系統(tǒng)研究 。

2014-04-29

S 127

A

0517-6611(2014)15-04707-03