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        基于機(jī)載LiDAR全波形數(shù)據(jù)白樺林林分LAI反演研究

        2018-01-23 00:42:40邢艷秋姚松濤尤號(hào)田李夢(mèng)穎
        關(guān)鍵詞:冠層樣地反演

        邢艷秋,姚松濤*,尤號(hào)田,田 昕,彭 濤,李夢(mèng)穎,謝 杰,閆 燦

        (1.東北林業(yè)大學(xué) 森林作業(yè)與環(huán)境研究中心,黑龍江 哈爾濱 150040;2.中國(guó)林業(yè)科學(xué)研究院 資源信息研究所,北京 100091;3.東北林業(yè)大學(xué) 信息與計(jì)算機(jī)工程學(xué)院,黑龍江 哈爾濱 150040)

        作為植被冠層的重要結(jié)構(gòu)參數(shù),葉面積指數(shù)(Leaf area index,LAI)定義為單位水平地面面積上綠色植物葉表面積總和的一半[1-2],常用于表征植物冠層葉片的疏密程度,不僅是植被生長(zhǎng)狀況的重要指標(biāo),也是植被生長(zhǎng)模型的重要輸入?yún)?shù)[3]。

        激光雷達(dá)(Light Detection And Ranging,LiDAR)作為一種主動(dòng)式遙感技術(shù),通過(guò)發(fā)射激光脈沖和接收返回脈沖的方式,來(lái)獲取高精度的森林空間結(jié)構(gòu)和林下地形信息,現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于森林經(jīng)營(yíng)管理與生態(tài)系統(tǒng)研究等領(lǐng)域[4-5]。按回波模式,LiDAR系統(tǒng)通常可分為離散回波和全波形2種,其中,離散回波LiDAR通過(guò)記錄冠層的單個(gè)或多個(gè)離散回波信號(hào)以獲得不同密度的點(diǎn)云數(shù)據(jù);全波形LiDAR則通過(guò)記錄返回脈沖的全部能量來(lái)得到亞米級(jí)森林垂直剖面[5]。

        近年來(lái),有學(xué)者基于離散回波LiDAR點(diǎn)云數(shù)據(jù)對(duì)森林冠層LAI反演進(jìn)行了大量的研究,其中多是通過(guò)計(jì)算森林冠層內(nèi)部的激光穿透指數(shù)(Laser penetration index,LPI),以此實(shí)現(xiàn)森林LAI的準(zhǔn)確估測(cè)。如:T.Sasaki[6]等通過(guò)使用機(jī)載LiDAR數(shù)據(jù),評(píng)估了2種不同類(lèi)型的闊葉林葉面積指數(shù)(LAI)。結(jié)果表明,使用簡(jiǎn)單的地面點(diǎn)數(shù)與所有點(diǎn)數(shù)的比值激光穿透變量,即使在冠層嚴(yán)重閉合的情況下,仍是估計(jì)闊葉林LAI最實(shí)用。駱社周[7]等利用LiDAR離散回波強(qiáng)度數(shù)據(jù)借助LPI實(shí)現(xiàn)了甘肅大野口地區(qū)的森林LAI估測(cè),并與TM遙感影像反演結(jié)果進(jìn)行對(duì)比,結(jié)果表明LiDAR數(shù)據(jù)森林LAI反演精度明顯高于光學(xué)遙感影像。但利用離散回波強(qiáng)度計(jì)算LPI時(shí),未考慮激光脈沖在穿透森林冠層時(shí)的能量損耗,會(huì)使不同離散回波類(lèi)型之間強(qiáng)度數(shù)據(jù)的可比性較小,進(jìn)而影響反演模型精度。邢艷秋[8]等通過(guò)離散回波強(qiáng)度數(shù)據(jù)的同束劃分,避免了不同離散回波類(lèi)型之間強(qiáng)度數(shù)據(jù)可比性小的問(wèn)題,并通過(guò)同束激光穿透指數(shù)估測(cè)了白樺林冠層LAI,結(jié)果表明同束激光穿透指數(shù)估測(cè)LAI的效果明顯好于未分束激光穿透指數(shù)。因全波形LiDAR數(shù)據(jù)處理方法不成熟,限制了其廣泛應(yīng)用[9],近年來(lái),隨著技術(shù)的不斷發(fā)展,全波形LiDAR數(shù)據(jù)開(kāi)始逐漸應(yīng)用于LAI估測(cè)并獲得成功,但此類(lèi)研究多見(jiàn)于農(nóng)業(yè)植被LAI估測(cè)研究。周夢(mèng)維[10]、蘇偉[11]等基于機(jī)載LiDAR全波形數(shù)據(jù),通過(guò)引入 Kuusk多層均勻冠層方向反射模型反演了農(nóng)作物的葉面積體密度和葉面積指數(shù),驗(yàn)證結(jié)果表明反演的作物葉面積體密度與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)基本一致,葉面積指數(shù)反演的相對(duì)誤差為 12.5%。然而由于森林垂直及水平結(jié)構(gòu)比分布較為規(guī)則且整齊的農(nóng)作物復(fù)雜很多,使得機(jī)載LiDAR全波形數(shù)據(jù)反演森林冠層LAI變得更加復(fù)雜,因而有關(guān)全波形LiDAR數(shù)據(jù)反演森林LAI的相關(guān)研究相對(duì)較少。

        為研究機(jī)載LiDAR全波形數(shù)據(jù)在森林LAI估測(cè)研究中的應(yīng)用潛能,本研究依據(jù)全波形機(jī)載LiDAR發(fā)射和返回脈沖的高斯性,嘗試將機(jī)載LiDAR全波形數(shù)據(jù)引入到森林LAI反演研究中,希望通過(guò)機(jī)載LiDAR全波形數(shù)據(jù)波形特征信息完善森林LAI的反演過(guò)程,并建立其與森林LAI的模型,以提高模型的精度。通過(guò)完整波形數(shù)據(jù)的讀取和后處理,在LPI理論計(jì)算方法的基礎(chǔ)上,基于機(jī)載LiDAR全波形數(shù)據(jù)返回脈沖能量信息與每塊樣地的范圍,計(jì)算出樣地體元激光穿透指數(shù),建立其與實(shí)測(cè)LAI的模型,并用地面實(shí)測(cè)LAI數(shù)據(jù)對(duì)模型精度進(jìn)行驗(yàn)證,同時(shí)與機(jī)載LiDAR離散回波點(diǎn)云數(shù)據(jù)反演森林LAI的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比,以期提高森林LAI的反演精度和模型的適用性,為后續(xù)同類(lèi)研究提供參考。

        1 研究區(qū)概況與數(shù)據(jù)收集

        1.1 研究區(qū)概況

        選擇內(nèi)蒙古自治區(qū)額爾古納市東南部的依根農(nóng)林交錯(cuò)區(qū)作為研究區(qū)域,其東與牙克石市為鄰,東南與陳巴爾虎旗相連,西和西南與拉布大林農(nóng)牧場(chǎng)接壤,北與三河馬場(chǎng)交界,東北與根河市毗鄰,地理位置坐標(biāo)為120°36′50.48″-120°52′56.53″E,50°21′11.08″-50°24′32.00″N。該研究區(qū)分布在森林與濕型草原過(guò)渡地帶,為內(nèi)蒙古中濕型草原帶,海拔高度600~700 m,屬寒溫帶大陸性季風(fēng)氣候,具有較復(fù)雜的山岳地形地貌特征[13],是典型的農(nóng)林交錯(cuò)區(qū),天然植被保護(hù)比較完整,山脈丘陵陰坡廣泛分布著以白樺(Betulaplatyphylla)為主的天然次生林,此研究區(qū)與白樺林具有一定的區(qū)域代表性,符合研究需求,混生樹(shù)種包括落葉松(Larixgmelinii)、樟子松(Pinussylvestrisvar.mongolica)等,林下灌木層主要由石棒繡線菊(Spiraeamedia)、筐柳(Salixlinearistipularis)等組成。

        1.2 外業(yè)樣地LAI實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)獲取

        為配合飛行數(shù)據(jù),綜合考慮研究區(qū)內(nèi)的森林類(lèi)型及生長(zhǎng)狀況,本研究于2012年8月至9月在研究區(qū)內(nèi)隨機(jī)布設(shè)了80個(gè)邊長(zhǎng)為10 m的方形樣地對(duì)天然次生白樺林進(jìn)行了相應(yīng)LAI實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的采集工作:使用LAI 2000冠層分析儀對(duì)每個(gè)樣地白樺林林分LAI進(jìn)行測(cè)量,LAI 2000是公認(rèn)的測(cè)量森林LAI精度較高的儀器[12],其光學(xué)探測(cè)器部分由5個(gè)呈同心圓排列的光子探測(cè)器組成,覆蓋了以測(cè)量點(diǎn)為中心0~74°天頂角范圍的視區(qū),外業(yè)操作時(shí)應(yīng)保證儀器處于地面以上1.30 m處,這個(gè)高度不但方便操作,而且能夠有效避免下層灌草對(duì)測(cè)量結(jié)果的干擾,測(cè)量時(shí)記錄每個(gè)樣地4個(gè)角點(diǎn)處和樣地中心點(diǎn)處的LAI值,其平均值作為該樣地的白樺林林分LAI實(shí)測(cè)值,同時(shí)記錄了樣地內(nèi)的白樺樹(shù)棵數(shù)樹(shù)齡、灌木層與地面層植被類(lèi)型等,并使用Trimble GeoXT6000 GPS手持定位儀對(duì)樣地中心點(diǎn)進(jìn)行定位,其定位精度達(dá)50 cm。外業(yè)樣地LAI實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)基本統(tǒng)計(jì)結(jié)果見(jiàn)表1。

        表1 外業(yè)樣地LAI實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)基本統(tǒng)計(jì)量

        1.3 機(jī)載LiDAR全波形數(shù)據(jù)

        研究區(qū)機(jī)載LiDAR全波形數(shù)據(jù)采集時(shí)間為2012年8月26日,天氣狀況良好,采用的飛機(jī)型號(hào)為運(yùn)5,相對(duì)飛行高度1 300 m,搭載的激光雷達(dá)掃描系統(tǒng)為L(zhǎng)eica ALS60,采用的大地坐標(biāo)系統(tǒng)為WGS84、投影坐標(biāo)系統(tǒng)為UTM。Leica ALS60系統(tǒng)最高掃描頻率為200 KHz,最大視場(chǎng)角為75°[13]。每個(gè)激光脈沖在地面上所形成的光斑直徑大約為0.2~0.3 m[14],全波形數(shù)據(jù)是返回脈沖被接收望遠(yuǎn)鏡接收后,由采樣器對(duì)其進(jìn)行數(shù)字化采樣而成,記錄了激光光斑內(nèi)地物對(duì)應(yīng)的完整波形數(shù)據(jù)[15]。

        本研究采集的全波形數(shù)據(jù)使用的文件類(lèi)型為L(zhǎng)AS1.3,以二進(jìn)制格式存儲(chǔ),記錄了接收的完整波形數(shù)據(jù),包括采樣間隔和實(shí)時(shí)記錄的返回脈沖距離、方位及波形特征信息等[16-17]。在進(jìn)行數(shù)據(jù)應(yīng)用時(shí),需將原始數(shù)據(jù)的二進(jìn)制格式轉(zhuǎn)換為十進(jìn)制數(shù)據(jù)格式[18-19],在轉(zhuǎn)換過(guò)程中用到的編程語(yǔ)言為IDL或MATLAB等。

        2 研究方法

        基于機(jī)載LiDAR全波形數(shù)據(jù)包含的詳細(xì)波形信息,實(shí)現(xiàn)波形讀取、預(yù)處理與波形特征信息提取等處理后,能夠精確地計(jì)算出打在冠層與地面的返回脈沖能量,在LPI理論計(jì)算基礎(chǔ)上提出一個(gè)新的激光穿透指數(shù),即全波形激光穿透指數(shù):通過(guò)全波形冠層返回脈沖能量和地面返回脈沖能量,計(jì)算完整返回脈沖激光穿透指數(shù)。然后根據(jù)樣地范圍內(nèi)的全波形個(gè)數(shù)得到其樣地體元激光穿透指數(shù),之后結(jié)合野外實(shí)測(cè)LAI數(shù)據(jù),分析其與森林LAI的關(guān)系。以期實(shí)現(xiàn)機(jī)載LiDAR全波形數(shù)據(jù)準(zhǔn)確方便地估測(cè)森林LAI。

        2.1 全波形數(shù)據(jù)讀取

        Leica ALS60系統(tǒng)采集的全波形數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換等處理后,以LAS1.3格式存儲(chǔ)在文件中,LAS1.3增加了對(duì)全波形數(shù)據(jù)的支持,通過(guò)訪問(wèn)一個(gè)激光點(diǎn)數(shù)據(jù),能夠以映射字段訪問(wèn)到與該點(diǎn)關(guān)聯(lián)的返回脈沖波形,讀取到對(duì)應(yīng)的波形信息。計(jì)算機(jī)系統(tǒng)訪問(wèn)內(nèi)存速度比訪問(wèn)硬盤(pán)速度快得多,在讀取數(shù)據(jù)時(shí)如果更少訪問(wèn)硬盤(pán)而更多訪問(wèn)內(nèi)存,那么讀取速度將會(huì)快速提升?;谶@種思路,本研究借助IDL編程語(yǔ)言使用內(nèi)存映射文件方法[20-21]實(shí)現(xiàn)研究區(qū)ALS60 LAS1.3全波形數(shù)據(jù)的讀取。

        2.2 全波形數(shù)據(jù)預(yù)處理與波形特征信息提取

        全波形數(shù)據(jù)預(yù)處理是消除波形信息中存在的噪聲信號(hào),由于每條全波形對(duì)應(yīng)著19.2 m的沿脈沖距離,實(shí)際工作環(huán)境中不考慮異常噪聲點(diǎn)的情況下,可穿透地物的分布范圍通常要小于這個(gè)長(zhǎng)度。本研究采用波形振幅值排序取N分位點(diǎn)(本研究中取N=50%)振幅值作為去噪閾值,剔除相應(yīng)全波形數(shù)據(jù)中的噪聲振幅值。

        全波形數(shù)據(jù)波形特征信息提取采用的是高斯波形分解方法。全波形數(shù)據(jù)高斯分解的準(zhǔn)確性和效率性與初始參數(shù)的選取有很大關(guān)系。波形分量初始位置的探測(cè)方法主要有簡(jiǎn)單閾值法、二階導(dǎo)數(shù)零點(diǎn)法、局部極大值法、重心法等。本研究使用簡(jiǎn)單閾值法識(shí)別每個(gè)波形分量的起止波點(diǎn)振幅值和波峰振幅值,該方法能夠準(zhǔn)確地得到波形分量,在實(shí)際處理中表現(xiàn)出較好的適應(yīng)性。然后通過(guò)LM算法對(duì)確定的波形分量迭代優(yōu)化后,達(dá)到預(yù)處理后波形的最小二乘擬合(圖1)。

        離散回波點(diǎn)是高斯分量中心位置對(duì)應(yīng)的波峰LiDAR點(diǎn),在全波形掃描器的情況下,波形分解還可提供脈沖寬度和脈沖強(qiáng)度作為屬性,其中脈沖強(qiáng)度是返回信號(hào)的積分,因此該強(qiáng)度值物理上是脈沖能量。相比之下,傳統(tǒng)離散回波LiDAR系統(tǒng)僅提供返回信號(hào)的三維坐標(biāo)[22],并且在許多情況下也提供強(qiáng)度,然而一般情況下我們對(duì)該強(qiáng)度值是如何在這些系統(tǒng)中得到的知之甚少,通常它是返回脈沖的最大振幅值,其被錯(cuò)誤地稱(chēng)為強(qiáng)度。

        圖1 Leica ALS60全波形數(shù)據(jù)及波形參數(shù)

        因此本研究通過(guò)波形數(shù)據(jù)的高斯分解,可以提取每個(gè)波形分量的振幅、寬度、位置等重要的波形特征信息,進(jìn)而計(jì)算每個(gè)波形分量的能量信息。高斯波形分量能量信息計(jì)算方法如下:

        (1)

        式中,E表示返回脈沖能量值,A0表示高斯波形分量的波峰振幅值,σ表示高斯波形分量的寬度(高斯波形分量的標(biāo)準(zhǔn)差)。

        2.3 樣地體元激光穿透指數(shù)計(jì)算

        植被冠層間有空隙,全波形激光脈沖會(huì)在其中發(fā)生反射、吸收和散射等現(xiàn)象,返回脈沖波形是經(jīng)過(guò)多次疊加后的復(fù)雜高斯波形,末次波形分量可以確定是地面返回脈沖,LPI與冠層空隙大小有著直接的關(guān)系。冠層空隙不能很好地通過(guò)波形數(shù)量反映出來(lái),但返回脈沖能量值與物體表面積存在如公式(2)所示的關(guān)系:

        E=ρ×A

        (2)

        式中,A表示返回光斑作用面積,ρ表示物體反射率。

        本研究的LPI原理公式(3)反映了激光脈沖的穿透能力,結(jié)合公式(2)可以推出公式(4)。

        (3)

        (4)

        式中,Ag和Ac分別表示地面返回脈沖和冠層返回脈沖的作用面積;ρg和ρc分別表示激光脈沖地面反射率和冠層反射率;Eg和Ec分別表示完整激光脈沖的地面返回脈沖能量和冠層返回脈沖能量。由于激光脈沖地面反射率和冠層反射率沒(méi)有確定值,故引入了二者的比值a,a=ρg/ρc,表示激光脈沖地面層與植被冠層反射率比值系數(shù)。

        全波形激光雷達(dá)系統(tǒng)對(duì)返回脈沖進(jìn)行等間隔采樣,記錄著發(fā)射脈沖的整個(gè)返回脈沖,基于其冠層返回脈沖能量和地面返回脈沖能量,本研究可以得到該發(fā)射脈沖的完整返回脈沖激光穿透指數(shù),稱(chēng)之為全波形激光穿透指數(shù)。然后根據(jù)樣地范圍,對(duì)同屬一塊樣地的完整全波形數(shù)據(jù)進(jìn)行歸納和處理,就能得到該塊樣地內(nèi)所有全波形激光穿透指數(shù)的均值,稱(chēng)之為樣地體元激光穿透指數(shù)。

        由以上內(nèi)容得知,本研究樣地內(nèi)的第條激光返回脈沖的全波形激光穿透指數(shù)LPIfi如公式(5):

        (5)

        式中,i=1,2…N,N表示樣地內(nèi)全波形激光脈沖個(gè)數(shù),Eci和Egi分別表示樣地內(nèi)第條全波形激光脈沖中的冠層返回脈沖能量和地面返回脈沖能量。

        由于LPIfi僅表示樣地內(nèi)第條激光返回脈沖的全波形激光穿透指數(shù),因此在反演森林樣地LAI之前,可以對(duì)樣地范圍內(nèi)所有激光返回脈沖的全波形激光穿透指數(shù)∑LPIfi求取平均值作為該樣地體元激光穿透指數(shù),如公式(6)所示。

        (6)

        式中,LPIf-mean表示樣地體元激光穿透指數(shù),N表示樣地內(nèi)全波形激光脈沖個(gè)數(shù),i=1,2…N。

        根據(jù)以上LPIfi和LPIf-mean的最終計(jì)算公式可知,在進(jìn)行森林樣地LAI反演模型構(gòu)建之前,需要確定公式內(nèi)部的地面層與植被冠層反射率比值系數(shù)a。由于考慮到不同目標(biāo)物在同一束脈沖內(nèi)光斑大小近似相等而使全波形激光脈沖的返回脈沖能量減少作用面積產(chǎn)生的影響[23],可以認(rèn)為反射率比值系數(shù)近似等于樣地的地面層與植被冠層返回脈沖能量之比,即a=∑Eg/∑Ec,從而確定值。

        2.4 LAI模型構(gòu)建與精度評(píng)價(jià)

        本研究采用統(tǒng)計(jì)模型對(duì)森林樣地LAI進(jìn)行分析和驗(yàn)證,從LAI與LPI的定義上可知,LAI和LPI兩者間具有線性關(guān)系,因此本研究擬建立如公式(7)所示的模型對(duì)LAI進(jìn)行估測(cè)。

        LAI=α×LPI+e

        (7)

        式中,α表示線性回歸系數(shù),LPI表示LPIfi或LPIf-mean,e表示誤差項(xiàng)。

        從野外采集的80個(gè)樣地?cái)?shù)據(jù)中隨機(jī)選取60個(gè)用于模型構(gòu)建,余下20個(gè)用于模型驗(yàn)證。建模精度用決定系數(shù)R2評(píng)價(jià),其值越大,說(shuō)明模型構(gòu)建結(jié)果越好;模型預(yù)測(cè)精度用RMSE(Root mean square error,RMSE)進(jìn)行評(píng)價(jià),其值越小,說(shuō)明模型預(yù)測(cè)效果越好。

        3 結(jié)果與分析

        3.1 全波形數(shù)據(jù)讀取與后處理結(jié)果

        本研究實(shí)現(xiàn)了研究區(qū)機(jī)載LiDAR Leica ALS60 LAS1.3格式的原始返回脈沖波形的處理。某條原始返回脈沖波形的讀取結(jié)果見(jiàn)圖2,不僅順利讀取了原始返回脈沖波形數(shù)據(jù),還獲取了與其相關(guān)的參數(shù),如采樣起始與結(jié)束時(shí)間、采樣間隔、采樣個(gè)數(shù)、坐標(biāo)位置參數(shù)等。這些參數(shù)為后續(xù)的全波形數(shù)據(jù)后處理提供了基礎(chǔ),波形預(yù)處理和波形分量高斯擬合等后處理結(jié)果,與該原始返回脈沖波形的對(duì)比分別見(jiàn)圖3、圖4。

        圖2 Leica ALS60系統(tǒng)的原始返回脈沖波形

        圖3 波形數(shù)據(jù)預(yù)處理結(jié)果與原始返回脈沖波形的比較

        全波形LiDAR系統(tǒng)主要在光斑大小、脈沖能量和脈沖重復(fù)頻率(pulse repetition frequency,PRF)方面有所不同[14],大多數(shù)商業(yè)應(yīng)用系統(tǒng)是具有較高PRF的小光斑(直徑0.2~0.3 m,取決于飛行高度和光束發(fā)散角),它們?cè)谏⑸涿}沖內(nèi)提供高點(diǎn)密度和準(zhǔn)確測(cè)高描述,以使全波形LiDAR系統(tǒng)的每個(gè)返回脈沖基本上都可以通過(guò)波形分解來(lái)檢測(cè)到。因此,可以分離沿脈沖方向上具有最小距離vgt/2的相鄰目標(biāo),其中vg是激光脈沖在大氣中的群速度,t是機(jī)載激光掃描(airborne laser scanner,ALS)系統(tǒng)脈沖持續(xù)時(shí)間,例如,Leica ALS60掃描器5 ns的脈沖持續(xù)時(shí)間可以分離0.75 m的最小距離,此外由于記錄的全波形數(shù)據(jù)具有128次采樣且采樣的時(shí)間間隔為1 ns,因此完整的全波形對(duì)應(yīng)了約19.2 m的脈沖方向距離。當(dāng)然,也容易求得樣地內(nèi)全波形數(shù)據(jù)原始返回脈沖波形分量的振幅、寬度、位置等重要波形特征信息,并可以按照公式(1),計(jì)算相應(yīng)返回脈沖的首末次高斯波形分量的能量信息。

        圖4 波形分量高斯擬合結(jié)果與原始返回脈沖波形的比較

        3.2 樣地反射率比值系數(shù)計(jì)算結(jié)果

        通過(guò)計(jì)算全波形激光脈沖的地面返回脈沖能量和冠層返回脈沖能量,得到采集的80個(gè)外業(yè)樣地的地面層與植被冠層反射率比值系數(shù)的基本統(tǒng)計(jì)結(jié)果(表2)。

        表2 外業(yè)樣地反射率比值系數(shù)基本統(tǒng)計(jì)量

        3.3 模型構(gòu)建結(jié)果與精度分析

        經(jīng)回歸分析得知,通過(guò)機(jī)載LiDAR全波形數(shù)據(jù)波形特征信息求出的樣地體元激光穿透指數(shù)LPIf-mean與實(shí)測(cè)LAI有較好的相關(guān)性(R2=0.815,RMSE=0.105),模型構(gòu)建結(jié)果見(jiàn)圖5,建模結(jié)果比較理想且實(shí)測(cè)LAI與全波形樣地體元激光穿透指數(shù)LPIf-mean具有明顯的負(fù)相關(guān)關(guān)系:LAI隨著LPIf-mean的增大而減小,即當(dāng)葉面積指數(shù)越大時(shí)激光脈沖的穿透率反而越小,這與森林樣地實(shí)際情況基本吻合。

        為了驗(yàn)證該模型的預(yù)測(cè)精度,用余下的20個(gè)野外地面實(shí)測(cè)LAI值對(duì)預(yù)測(cè)LAI值進(jìn)行了評(píng)價(jià)。從模型的驗(yàn)證結(jié)果圖6來(lái)看,實(shí)測(cè)值與預(yù)測(cè)值之間的決定系數(shù)R2=0.864,均方根誤差RMSE=0.139,可以得知實(shí)測(cè)LAI值與預(yù)測(cè)LAI值很接近,但也有些LAI預(yù)測(cè)值比實(shí)測(cè)值偏大。出現(xiàn)這種情況可能是因?yàn)樵谝巴鉁y(cè)量LAI時(shí)使用的儀器受到操作者采集時(shí)間及操作方式等因素的影響,導(dǎo)致實(shí)測(cè)LAI值偏小。但總體來(lái)說(shuō),基于機(jī)載LiDAR全波形數(shù)據(jù)波形特征信息求出的樣地體元激光穿透指數(shù)LPIf-mean反演森林LAI的結(jié)果比較理想。

        圖5 實(shí)測(cè)LAI與LPIf-mean的回歸關(guān)系

        圖6 實(shí)測(cè)LAI與預(yù)測(cè)LAI的回歸關(guān)系

        另外,將模型構(gòu)建結(jié)果與機(jī)載LiDAR離散回波點(diǎn)云數(shù)據(jù)反演的森林LAI模型結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比[8]。發(fā)現(xiàn)在同等樣地尺度下,通過(guò)全波形激光返回脈沖能量信息反演森林LAI的精度(R2=0.815,RMSE=0.105)要高于離散回波點(diǎn)云數(shù)據(jù)的(R2=0.720,RMSE=0.140)。因此,比較而言,全波形樣地體元激光穿透指數(shù)LPIf-mean在實(shí)現(xiàn)高精度森林LAI反演中更準(zhǔn)確客觀占有優(yōu)勢(shì)。

        4 結(jié)論與討論

        本研究以白樺林為研究對(duì)象,通過(guò)對(duì)全波形數(shù)據(jù)進(jìn)行讀取和波形特征信息提取處理,在傳統(tǒng)激光穿透指數(shù)(LPI)計(jì)算的基礎(chǔ)上推演出全波形返回脈沖能量信息LPI計(jì)算模型,之后求得樣地體元激光穿透指數(shù)(LPIf-mean)用于估測(cè)森林林分LAI,并以地面實(shí)測(cè)LAI數(shù)據(jù)對(duì)模型進(jìn)行了驗(yàn)證。通過(guò)對(duì)結(jié)果進(jìn)行分析,得出以下主要結(jié)論。

        實(shí)現(xiàn)了LAS1.3全波形文件的讀取,且采用的波形處理方法,能夠較為準(zhǔn)確地提取出振幅、寬度、位置等重要波形特征信息,進(jìn)而獲得各波形分量的能量信息,比徐光彩[24]等的研究提取速度較快且避免了過(guò)分解現(xiàn)象,有效波形的提取是波形分析領(lǐng)域里的一個(gè)難點(diǎn)問(wèn)題,這方面技術(shù)的改進(jìn),將使森林LAI的反演精度大大提高。

        所有樣地反射率比值系數(shù)a基本相同,約為1.2,表明林下地面返回脈沖能量值稍大于森林冠層返回脈沖能量值。邢艷秋[8]等研究的結(jié)果較本研究的大,主要原因是他們使用了整個(gè)研究區(qū)內(nèi)的地面單次離散回波強(qiáng)度值和冠層單次離散回波強(qiáng)度值來(lái)計(jì)算a,未避免樣地外較多非林地(如稀疏林甚至空地)范圍內(nèi)較強(qiáng)地面離散回波強(qiáng)度值,導(dǎo)致得到的a值較本研究的大。這是由于全波形數(shù)據(jù)記錄了完整的亞米級(jí)森林幾何結(jié)構(gòu)和密集的物理能量垂直返回信息,以使機(jī)載LiDAR全波形數(shù)據(jù)在林分特征信息高精度提取上潛力更大。

        通過(guò)機(jī)載LiDAR全波形數(shù)據(jù)提取的樣地體元激光穿透指數(shù)LPIf-mean能夠精確提高森林林分LAI估算。通過(guò)LPIf-mean建立的機(jī)載LiDAR全波形數(shù)據(jù)與森林LAI的模型的預(yù)測(cè)精度R2=0.864,RMSE=0.139,說(shuō)明該新參數(shù)提高了森林冠層LAI的反演精度,同時(shí)在同等樣地尺度下,全波形激光返回脈沖能量信息反演森林LAI的精度(R2=0.815,RMSE=0.105)要高于離散回波點(diǎn)云數(shù)據(jù)的(R2=0.720,RMSE=0.140),此外,駱社周[7]等通過(guò)離散回波強(qiáng)度值對(duì)森林LAI進(jìn)行了估測(cè),預(yù)測(cè)精度僅為R2=0.825,RMSE=0.165。這是因?yàn)樵陔x散回波LiDAR系統(tǒng)中,一般通過(guò)閾值法存儲(chǔ)記錄返回脈沖波形上的多個(gè)波峰位置點(diǎn),并將其振幅值拉伸到0~255作為其強(qiáng)度值,數(shù)值越大表示強(qiáng)度值越大,然而發(fā)射脈沖波形能量并不穩(wěn)定,嚴(yán)格來(lái)說(shuō)離散回波點(diǎn)云強(qiáng)度值是不準(zhǔn)確的。由此也反映出機(jī)載LiDAR全波形數(shù)據(jù)本身具有的優(yōu)勢(shì),能夠?yàn)楦呔榷抗浪闵諰AI提供優(yōu)質(zhì)的數(shù)據(jù)源和新的參數(shù)。

        本研究所提取的全波形機(jī)載LiDAR樣地體元激光穿透指數(shù),雖然可以避免離散回波點(diǎn)云數(shù)據(jù)歸納完整回波次數(shù)能力上的不足,以及由于點(diǎn)云密度導(dǎo)致垂直結(jié)構(gòu)細(xì)致程度刻畫(huà)不一致的問(wèn)題,提高了森林葉面積指數(shù)反演精度,但仍存在一定不足。如:全波形數(shù)據(jù)預(yù)處理與波形特征信息提取方法的選擇和優(yōu)化,不能更準(zhǔn)確地獲得森林冠層和地面的返回脈沖信息,進(jìn)而影響了LPIf-mean的計(jì)算精度;同時(shí)野外采集數(shù)據(jù)時(shí)在樣地范圍多尺度方面(5、15 m等)和樣地林分密度多樣性方面(密集林地、稀疏林地、空地等)欠缺了考慮。因此,未來(lái)研究應(yīng)從上述兩個(gè)方面對(duì)反演模型進(jìn)行完善和評(píng)價(jià),以提高統(tǒng)計(jì)模型的理論性和可推廣性。

        [1] WATSON D J.Comparative physiological studies on the growth of field crops:I.variation in net assimilation rate and leaf area between species and varieties,and within and between years[J].Annals of Botany,1947,11(1):41-76.

        [2] YONGHEE S,SEGUCHI M,KORIYAMA M,etal.Estimation ofLAIin the forested watershed using ASTER data based on Price's model in summer and winter[J].European Journal of Forest Research,2010,129(6):1237-1245.

        [3] HABOUDANE D,MILLER J R,PATTEY E,etal.Hyperspectral vegetation indices and novel algorithms for predicting greenLAIof crop canopies:modeling and validation in the context of precision agriculture[J].Remote Sensing of Environment,2004,90(90):337-352.

        [4] 郭慶華,劉瑾,陶勝利,等.激光雷達(dá)在森林生態(tài)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)模擬中的應(yīng)用現(xiàn)狀與展望[J].科學(xué)通報(bào),2014(6):459-478.

        GUO Q H,LIU J,TAO S L,etal.Perspectives and prospects of Li DAR in forest ecosystem monitoring and modeling[J].China Scieuce Bulletin,2014,59:459-478.(in Chinese)

        [5] 李增元,劉清旺,龐勇.激光雷達(dá)森林參數(shù)反演研究進(jìn)展[J].遙感學(xué)報(bào),2016,20(5):1138-1150.

        LI Z Y,LIU Q W,PANG Y.Review on forest parameters inversion using LiDAR[J].Journal of Remote Sensing,2016,20(5):1138-1150.(in Chinese)

        [6] SASAKI T,IMANISHI J,IOKI K,etal.Estimation of leaf area index and gap fraction in two broad-leaved forests by using small-footprint airborne LiDAR[J].Landscape and Ecological Engineering,2016,12(1):117-127.

        [7] 駱社周,王成,張貴賓,等.機(jī)載激光雷達(dá)森林葉面積指數(shù)反演研究[J].地球物理學(xué)報(bào),2013,56(5):1467-1475.

        LUO S Z,WANG C,ZHANG G B,etal.Forest leaf area index (LAI) inversion using airborne LiDAR data[J].Chinese J.Goephys,2013,56(5):1467-1475.(in Chinese)

        [8] 邢艷秋,霍達(dá),尤號(hào)田,等.基于機(jī)載LiDAR單束激光穿透指數(shù)的白樺林LAI估測(cè)[J].應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào),2016,27(11):3469-3478.

        XING Y Q,HUO D,YOU H T,etal.Estimation of birch forestLAIbased on single laser penetration index of airborne LiDAR data[J].Chinese Journal of Applied Ecology,2016,27(11):3469-3478.(in Chinese)

        [9] 焦義濤,邢艷秋,霍達(dá),等.機(jī)載全波形LiDAR數(shù)據(jù)處理及林業(yè)應(yīng)用研究綜述[J].世界林業(yè)研究,2015,28(3):42-46.

        JIAO Y T,XING Y Q,HUO D,etal.A review on full-waveform airborne LiDAR data processing and it application to forestry[J].World Forestry Research,2015,28(3):42-46.(in Chinese)

        [10] 周夢(mèng)維,柳欽火,劉強(qiáng),等.機(jī)載激光雷達(dá)的作物葉面積指數(shù)定量反演[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào),2011,27(4):207-213.

        ZHOU M W,LIU Q H,LIU Q,etal.Inversion of leaf area index based on small-footprint waveform airborne LiDAR[J].Transactions of the CSAE,2011,27(4):207-213.(in Chinese)

        [11] 蘇偉,展郡鴿,張明政,等.基于機(jī)載LiDAR數(shù)據(jù)的農(nóng)作物葉面積指數(shù)估算方法研究[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào),2016,47(3):272-277.

        SU W,ZHAN J G,ZHANG M Z,etal.Estimation method of crop leaf area index based on airborne LiDAR data[J].Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery,2016,47(3):272-277.(in Chinese)

        [12] 駱社周,王成,習(xí)曉環(huán),等.星載激光雷達(dá)GLAS與TM光學(xué)遙感聯(lián)合反演森林葉面積指數(shù)[J].紅外與毫米波學(xué)報(bào),2015,34(2):243-249.

        LUO S Z,WANG C,XI X H,etal.Forest leaf area index estimation using combined ICESat/GLAS and optical remote sensing image[J].Journal of Infrared Millimeter Waves,2015,34(2):243-249.(in Chinese)

        [13] 霍達(dá),邢艷秋,田昕,等.基于機(jī)載LiDAR的四次多項(xiàng)式擬合法估測(cè)單木冠幅[J].西北林學(xué)院學(xué)報(bào),2015,30(3):164-169.

        HUO D,XING Y Q,TIAN X,etal.Estimating individual tree crown diameter using fourth degree polynomial fitting method based on airborne LiDAR[J].Journal of Northwest Forestry University,2015,30(3):164-169.(in Chinese)

        [14] MALLET C,BRETAR F.Full-waveform topographic lidar:State-of-the-art[J].Isprs Journal of Photogrammetry & Remote Sensing,2009,64(1):1-16.

        [15] REITBERGER J,SCHN?RR C,KRZYSTEK P,etal.3D segmentation of single trees exploiting full waveform LiDAR data[J].Isprs Journal of Photogrammetry & Remote Sensing,2009,64(6):561-574.

        [16] 劉春,姚銀銀,吳杭彬.機(jī)載激光掃描(LiDAR)標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)格式(LAS)的分析與數(shù)據(jù)提取[J].遙感信息,2009(4):38-42.

        LIU C,YAO Y Y,WU H B.Analysis of LiDAR standard data format (LAS) and data extraction[J].Remote Sensing Information,2009(4):38-42.(in Chinese)

        [17] 趙自明,史兵,田喜平,等.LAS格式解析及其數(shù)據(jù)的讀取與顯示[J].測(cè)繪技術(shù)裝備,2010,12(3):17-20.

        [18] 王蕊,邢艷秋,尤號(hào)田,等.基于星載LiDAR波形數(shù)據(jù)的森林胸高斷面積估測(cè)研究[J].西北林學(xué)院學(xué)報(bào),2014,29(5):156-162.

        WANG R,XING Y Q,YOU H T,etal.Forest basal area estimation based on spaceborne LiDAR waveform data[J].Journal of Northwest Forestry University,2014,29(5):156-162.(in Chinese)

        [19] 王愛(ài)娟,邢艷秋,邱賽,等.基于窗函數(shù)的林區(qū)ICESat-GLAS波形數(shù)據(jù)消噪研究[J].西北林學(xué)院學(xué)報(bào),2016,31(1):214-220.

        WANG A J,XING Y Q,QIU S,etal.Denoising of forest ICESat-GLAS waveform data based on window function[J].Journal of Northwest Forestry University,2016,31(1):214-220.(in Chinese)

        [20] 劉麗麗,刁建鵬,姜華根,等.機(jī)載激光雷達(dá)全波形數(shù)據(jù)快速讀取方法研究[J].?dāng)?shù)字技術(shù)與應(yīng)用,2013(3):116-116.

        [21] 楊群.在VB利用內(nèi)存映射文件讀取大數(shù)據(jù)量原始遙感影像圖[J].計(jì)算機(jī)工程與應(yīng)用,2003,39(6):135-137.

        YANG Q.Processing and displaying remote sensing image file by using memory mapping file in VB[J].Computer Engineering and Applications,2003,39(6):135-137.(in Chinese)

        [22] VAUGHN N R,MOSKAL L M,TURNBLOM E C.Tree species detection accuracies using discrete point lidar and airborne waveform lidar[J].Remote Sensing,2012,4(2):377-403.

        [23] WAGNER W,ULLRICH A,DUCIC V,etal.Gaussian decomposition and calibration of a novel small-footprint full-waveform digitising airborne laser scanner[J].Isprs Journal of Photogrammetry & Remote Sensing,2006,60(2):100-112.

        [24] 徐光彩.機(jī)載LIADR波形數(shù)據(jù)處理及分類(lèi)研究[D].南京:南京林業(yè)大學(xué),2010.

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