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        基于無(wú)人機(jī)激光雷達(dá)的冠層高度產(chǎn)品驗(yàn)證

        2022-07-20 08:14:28劉兵兵魏建新
        南方農(nóng)機(jī) 2022年14期
        關(guān)鍵詞:冠層激光雷達(dá)網(wǎng)格

        劉兵兵 , 魏建新,3

        (1.新疆大學(xué)地理科學(xué)學(xué)院,新疆 烏魯木齊 830017;2.新疆激光雷達(dá)應(yīng)用工程技術(shù)研究中心,新疆 烏魯木齊 830002;3.新疆維吾爾自治區(qū)自然資源信息中心(新疆維吾爾自治區(qū)自然資源檔案館),新疆 烏魯木齊 830002)

        1 研究背景

        森林冠層高度(Canopy Height, CH)的定義是森林冠層頂部與地面之間的垂直距離。作為重要的森林垂直結(jié)構(gòu)參數(shù)之一,冠層高度目前被廣泛地應(yīng)用于估算森林生物量和碳儲(chǔ)量,監(jiān)測(cè)森林退化以及衡量森林恢復(fù)狀況,對(duì)整個(gè)生態(tài)系統(tǒng)的研究有著巨大的意義[1-2]。

        傳統(tǒng)森林冠層高度測(cè)量方法主要是利用測(cè)量?jī)x器在地面進(jìn)行測(cè)量獲取,不僅費(fèi)時(shí)費(fèi)力,而且只能獲取到小的樣點(diǎn)或樣方數(shù)據(jù)。光學(xué)遙感技術(shù)的出現(xiàn),彌補(bǔ)了傳統(tǒng)測(cè)量方法的不足,但是光學(xué)衛(wèi)星遙感主要探測(cè)冠層表面信息,在森林垂直方向上得到的林分信息十分有限,利用其反演的冠層高度具有一定的不確定性。激光雷達(dá)(Light Detection and Ranging, LiDAR)作為新興的主動(dòng)遙感技術(shù),能夠快速、準(zhǔn)確地獲取植被的三維結(jié)構(gòu)信息,在森林資源調(diào)查監(jiān)測(cè)方面具有巨大的潛力和優(yōu)勢(shì),已被成功應(yīng)用于葉面積指數(shù)、冠層覆蓋度、冠層高度以及生物量等森林參數(shù)的獲取[3-6]。依據(jù)搭載平臺(tái)的不同,可以將激光雷達(dá)劃分為地基激光雷達(dá)、車載激光雷達(dá)、機(jī)載激光雷達(dá)以及星載激光雷達(dá)等。它們各有適合的應(yīng)用尺度與范圍。其中,地基激光雷達(dá)和背包激光雷達(dá)通常用于采集單木或者小尺度樣方范圍內(nèi)高精度的三維數(shù)據(jù),可實(shí)現(xiàn)三維重建;以無(wú)人機(jī)(Unmanned Aerial Vehicle, UAV)、有人機(jī)作為搭載平臺(tái)的機(jī)載激光雷達(dá)通常用于快速獲取較大面積的樣方尺度或區(qū)域尺度的三維數(shù)據(jù);而以衛(wèi)星作為搭載平臺(tái)的星載激光雷達(dá),由于其較高的運(yùn)行軌道,因此可觀測(cè)到更廣闊的范圍,適用于大尺度范圍,甚至大陸大洲級(jí)的三維信息采集[7]。

        應(yīng)用較為廣泛的星載激光雷達(dá)主要有美國(guó)國(guó)家航空航天局于2003年發(fā)射的ICESat(Ice, Cloud, and land Elevation Satellite)衛(wèi)星上搭載的地學(xué)激光測(cè)高系統(tǒng)(Geoscience Laser Altimeter System, GLAS)(已于2009年停止工作)[8];2018年發(fā)射的ICESat-2衛(wèi)星上搭載的先進(jìn)地形激光測(cè)高系統(tǒng)(Advanced Topographic Laser Altimeter System, ATLAS)[9],以及搭載在國(guó)際空間站ISS(International Space Station)上的全球生態(tài)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)調(diào)查(Global Ecosystem Dynamics Investigation, GEDI)激光雷達(dá)[10]。但是星載激光雷達(dá)均為離散采樣,無(wú)法直接獲得連續(xù)的森林垂直結(jié)構(gòu)信息,需要聯(lián)合光學(xué)衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)進(jìn)行建模外推,才能獲取連續(xù)覆蓋的冠層高度[11]。模型精度往往取決于星載激光雷達(dá)數(shù)據(jù)的可用性和質(zhì)量、光學(xué)影像數(shù)據(jù)的時(shí)空一致性以及模型應(yīng)用的地理范圍[12]。

        目前,國(guó)內(nèi)外研究人員已經(jīng)利用星載激光雷達(dá)以及光學(xué)遙感衛(wèi)星成功反演出多套全球范圍內(nèi)的冠層高度產(chǎn)品。Lefsky首次利用星載激光雷達(dá)GLAS和MODIS(Moderate-resolution Imaging Spectroradiometer)多光譜數(shù)據(jù)作為數(shù)據(jù)源,采用Cubist回歸模型繪制了全球森林冠層高度產(chǎn)品[13]。Simard等使用隨機(jī)森林模型聯(lián)合星載激光雷達(dá)GLAS數(shù)據(jù)和MODIS樹(shù)木覆蓋度數(shù)據(jù)繪制了1 km分辨率的全球森林冠層高度地圖,與全球微氣象通量觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)FLUXNET站點(diǎn)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)相比,決定系數(shù)(Coefficient of Determination, R2)達(dá)到0.5,均方根誤差(Root Mean Square Error, RMSE)為6.1 m,研究發(fā)現(xiàn)該產(chǎn)品的誤差因森林類型而異,并隨著冠層高度的增加而增加[14]。Wang等利用GLAS數(shù)據(jù)聯(lián)合氣候數(shù)據(jù)、MODIS數(shù)據(jù)等,采用隨機(jī)森林算法,繪制了全球500 m分辨率的平均森林冠層高度地圖,利用地面站點(diǎn)的平均森林高度數(shù)據(jù)對(duì)此產(chǎn)品進(jìn)行驗(yàn)證,結(jié)果顯示該產(chǎn)品精度相對(duì)較高(R2=0.63,RMSE=4.68 m),但是在一些區(qū)域,該產(chǎn)品與地面觀測(cè)值的高度差超過(guò)10 m,需要進(jìn)一步研究以確定誤差原因[15]??傊?,雖然聯(lián)合星載激光雷達(dá)以及普通光學(xué)衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)可以有效地估測(cè)全球森林冠層高度,但是這些產(chǎn)品仍存在一定的不確定性,并且還存在飽和現(xiàn)象。

        機(jī)載激光雷達(dá)憑借高精度三維信息采集的優(yōu)勢(shì),在國(guó)內(nèi)外已被廣泛應(yīng)用于森林冠層高度的提取。大量研究表明機(jī)載激光雷達(dá)點(diǎn)云的高度分位數(shù)與實(shí)測(cè)樹(shù)高具有高度相關(guān)性,利用其估測(cè)的冠層高度精度較高。龐勇等利用機(jī)載點(diǎn)云與實(shí)測(cè)林分平均高構(gòu)建統(tǒng)計(jì)模型,進(jìn)行了林分平均高度的估測(cè)。研究發(fā)現(xiàn),機(jī)載點(diǎn)云75%的高度分位數(shù)與實(shí)測(cè)平均高具有較高的相關(guān)性,且利用激光雷達(dá)點(diǎn)云數(shù)據(jù)提取的林分平均高精度較高,可滿足林業(yè)調(diào)查的需求[16]。解宇陽(yáng)等利用無(wú)人機(jī)激光雷達(dá)獲取的點(diǎn)云數(shù)據(jù)生成冠層高度模型(Canopy Height Model, CHM),然后與實(shí)測(cè)冠層高度進(jìn)行線性回歸,發(fā)現(xiàn)兩者之間高度相關(guān),3塊樣地的決定系數(shù)均為0.9左右,均方根誤差均小于1.4 m,表明點(diǎn)云提取的冠層高度具有較高的精度,可以作為冠層高度的實(shí)地測(cè)量值[17]。Potapov等研究發(fā)現(xiàn),歸一化點(diǎn)云的95%和90%分位數(shù)高度可以有效避免點(diǎn)云噪點(diǎn),最能表示真實(shí)冠層高度[18]。

        目前,由美國(guó)馬里蘭大學(xué)地理科學(xué)系Potapov等創(chuàng)造的全球森林冠層高度產(chǎn)品是空間分辨率最高的全球森林冠層高度產(chǎn)品,國(guó)內(nèi)外對(duì)該產(chǎn)品的真實(shí)性檢驗(yàn)研究還比較少。為了檢驗(yàn)該產(chǎn)品的真實(shí)性,本研究利用在塞罕壩機(jī)械林場(chǎng)收集的無(wú)人機(jī)激光雷達(dá)數(shù)據(jù)對(duì)該產(chǎn)品進(jìn)行精度驗(yàn)證。最終的驗(yàn)證結(jié)果不僅有助于改進(jìn)該產(chǎn)品的反演算法,提高產(chǎn)品精度,而且還可以為研究人員使用這套產(chǎn)品提供指導(dǎo)性建議。

        2 研究區(qū)與數(shù)據(jù)介紹

        2.1 研究區(qū)概況

        研究區(qū)位于河北省承德市的塞罕壩機(jī)械林場(chǎng),地理位置為東經(jīng)116°51′~117°39′,北緯42°02′~42°36′,海拔1 010 m~1 939.9 m。年平均氣溫為-1.3 ℃,年均降水量為479 mm,干燥多風(fēng),是典型的半干旱半濕潤(rùn)寒溫性大陸季風(fēng)氣候。林場(chǎng)林業(yè)用地面積約84 395 hm2,其中有林地面積為74 690 hm2,森林覆蓋率達(dá)到80%。塞罕壩機(jī)械林場(chǎng)植被類型多種多樣,森林主要以針葉林為主,同時(shí)還分布有針闊混交林、闊葉林、灌叢、草原與草甸等。主要樹(shù)種為落葉松、樟子松、云杉、白樺、油松等。土壤類型以山地棕壤、灰色森林土和風(fēng)沙土為主。塞罕壩機(jī)械林場(chǎng)物種組成豐富、地形條件具有代表性,是國(guó)內(nèi)最重要的綜合遙感試驗(yàn)場(chǎng)地之一。

        2.2 無(wú)人機(jī)激光雷達(dá)數(shù)據(jù)獲取與預(yù)處理

        無(wú)人機(jī)激光雷達(dá)數(shù)據(jù)由研究團(tuán)隊(duì)在2018年生長(zhǎng)季期間,利用LiAir Pro無(wú)人機(jī)激光雷達(dá)系統(tǒng)獲取。LiAir Pro無(wú)人機(jī)激光雷達(dá)系統(tǒng)傳感器為Riegl VUX-1,最大掃描頻率為550 kHz,掃描精度達(dá)10 mm。為了保證飛行安全,根據(jù)掃描區(qū)域的地形,無(wú)人機(jī)激光雷達(dá)飛行高度設(shè)置為100 m,平均飛行速度為6 m/s,旁向重疊率為50%~65%。當(dāng)天氣狀況良好、晴朗無(wú)風(fēng)時(shí),開(kāi)始飛行獲取數(shù)據(jù)。最終共采集兩塊樣地,采集面積總共約5.5 km2。最終的點(diǎn)云數(shù)據(jù)能夠反映完整的森林垂直結(jié)構(gòu)信息,兩塊樣地的點(diǎn)云密度均達(dá)到200點(diǎn)/m2以上,均能保證冠層高度的準(zhǔn)確提取。無(wú)人機(jī)激光雷達(dá)點(diǎn)云剖面圖如圖1所示。

        圖1 無(wú)人機(jī)激光雷達(dá)點(diǎn)云剖面圖

        無(wú)人機(jī)激光雷達(dá)數(shù)據(jù)預(yù)處理步驟主要包括去噪、濾波、歸一化等。無(wú)人機(jī)激光雷達(dá)在飛行過(guò)程中容易產(chǎn)生各種噪點(diǎn),為了提高點(diǎn)云質(zhì)量,本研究首先采用孤立點(diǎn)算法結(jié)合人工修正方式去除噪點(diǎn)[19]。孤立點(diǎn)算法去噪的主要步驟是首先任取一個(gè)點(diǎn)云把它作為球心,以25 m為半徑搜索周圍點(diǎn)云,假如25 m半徑的球形空間里搜索不到別的點(diǎn)云,則可把這個(gè)點(diǎn)云歸為噪點(diǎn)并進(jìn)行刪除,否則換另一個(gè)點(diǎn)云為核心繼續(xù)搜索[19]。在利用孤立點(diǎn)算法去除噪點(diǎn)后,有時(shí)還會(huì)有殘留的噪點(diǎn),需要人工去除。本研究采用Zhao等提出的改進(jìn)的漸進(jìn)三角網(wǎng)加密算法對(duì)點(diǎn)云進(jìn)行濾波處理,將所有的點(diǎn)云分成地面點(diǎn)和非地面點(diǎn)[20],相比于未改進(jìn)的漸進(jìn)三角網(wǎng)加密算法,該算法不僅效率高而且最大限度地保留了地形特征信息,濾波效果較好。濾波結(jié)束后利用不規(guī)則三角網(wǎng)插值算法將地面點(diǎn)插值生成1 m分辨率數(shù)字高程模型(Digital Elevation Model, DEM),并通過(guò)DEM提取樣地邊界作為無(wú)人機(jī)激光雷達(dá)數(shù)據(jù)的矢量范圍用于后續(xù)冠層高度產(chǎn)品裁剪。最后,采用基于DEM的歸一化方法,對(duì)點(diǎn)云進(jìn)行歸一化處理以便后續(xù)分析使用。上述預(yù)處理操作均在LiDAR360點(diǎn)云處理軟件中進(jìn)行。

        2.3 全球森林冠層高度產(chǎn)品獲取與預(yù)處理

        本研究選擇馬里蘭大學(xué)地理科學(xué)系Potapov等創(chuàng)造的2019年全球森林冠層高度產(chǎn)品(簡(jiǎn)稱GFCH)進(jìn)行驗(yàn)證[18]。GFCH產(chǎn)品是通過(guò)整合GEDI和Landsat數(shù)據(jù)基于每個(gè)像元的回歸樹(shù)算法反演的,模型校準(zhǔn)的自變量是基于Landsat的多時(shí)相數(shù)據(jù),因變量是使用機(jī)載激光雷達(dá)作為參考選擇的GEDI分位數(shù)高度。對(duì)回歸樹(shù)模型進(jìn)行校準(zhǔn)后,使用移動(dòng)窗口將其應(yīng)用到每個(gè)Landsat格網(wǎng),即可得到30 m分辨率的全球森林冠層高度產(chǎn)品。

        在這套產(chǎn)品中,整數(shù)0~60表示森林冠層高度,101表示水體,102表示冰或者雪,103表示空值。利用無(wú)人機(jī)激光雷達(dá)樣地的矢量邊界文件裁剪出對(duì)應(yīng)的冠層高度產(chǎn)品后,將代表水體、冰雪和空值的像元全部移除,然后將其進(jìn)行UTM投影(Universal Transverse Mercatol Projection)。

        3 研究方法

        3.1 無(wú)人機(jī)激光雷達(dá)冠層高度提取

        以往許多研究都是利用樣點(diǎn)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)全球森林冠層高度產(chǎn)品進(jìn)行驗(yàn)證。這種方法存在驗(yàn)證數(shù)據(jù)與產(chǎn)品像元空間尺度不匹配的問(wèn)題,導(dǎo)致驗(yàn)證結(jié)果存在一定的不確定性。本研究利用機(jī)載激光雷達(dá)數(shù)據(jù)則可以避免這一問(wèn)題。具體做法如下:首先以GFCH產(chǎn)品為基礎(chǔ),生成與產(chǎn)品像元分辨率大小一致的網(wǎng)格;然后將無(wú)人機(jī)激光雷達(dá)樣地的矢量邊界疊加到網(wǎng)格上,進(jìn)一步分析無(wú)人機(jī)激光雷達(dá)點(diǎn)云面積對(duì)網(wǎng)格的覆蓋比率。當(dāng)無(wú)人機(jī)激光雷達(dá)的面積完全覆蓋網(wǎng)格時(shí),則認(rèn)為該網(wǎng)格中無(wú)人機(jī)激光雷達(dá)數(shù)據(jù)生成的冠層高度具有代表性,可用于后續(xù)的冠層高度的提取和驗(yàn)證。將面積覆蓋比率小于100%的網(wǎng)格去除后,利用最終滿足條件的網(wǎng)格重新裁切無(wú)人機(jī)激光雷達(dá)數(shù)據(jù)。最后以各網(wǎng)格為計(jì)算單元,利用網(wǎng)格內(nèi)的點(diǎn)云數(shù)據(jù)提取冠層高度。

        利用無(wú)人機(jī)激光雷達(dá)點(diǎn)云提取冠層高度時(shí),取3 m以上植被點(diǎn)云的90%分位數(shù)高度作為冠層高度,這是由于這一產(chǎn)品將“森林冠層高度”定義為基于機(jī)載LiDAR的90%分位數(shù)高度,并只將3 m以上的植被歸為喬木[18]。

        3.2 精度驗(yàn)證方法

        基于無(wú)人機(jī)激光雷達(dá)獲取的冠層高度為觀測(cè)值,直接在像元尺度上對(duì)GFCH產(chǎn)品進(jìn)行驗(yàn)證,選取的評(píng)價(jià)指標(biāo)包括決定系數(shù)R2、偏差Bias、均方根誤差RMSE,具體計(jì)算公式如下:

        4 結(jié)果與分析

        對(duì)GFCH的驗(yàn)證結(jié)果如圖2所示,可以看到GFCH產(chǎn)品與激光雷達(dá)獲取的冠層高度相關(guān)性較弱(R2=0.24),且該產(chǎn)品精度較低(RMSE=5.58 m)。與激光雷達(dá)獲取的冠層高度相比,GFCH冠層高度整體偏高。平均偏差為4.85 m。

        圖2 無(wú)人機(jī)激光雷達(dá)獲取的冠層高度與GFCH的散點(diǎn)圖

        由圖2可知,無(wú)人機(jī)激光雷達(dá)數(shù)據(jù)獲取的樣地冠層高度范圍在3 m~18 m,在這一區(qū)間內(nèi),GFCH產(chǎn)品存在明顯高估的情況,這也與Potapov等的驗(yàn)證結(jié)果一致[18]。GFCH產(chǎn)品采用的是逐網(wǎng)格建模反演,其精度主要受每個(gè)格網(wǎng)中GEDI數(shù)據(jù)的可用量以及Landsat數(shù)據(jù)質(zhì)量的影響。與全球其他區(qū)域相比,GFCH產(chǎn)品在中國(guó)區(qū)域可用于建模的GEDI數(shù)據(jù)較少[18]。由于可用的GEDI數(shù)據(jù)量降低,其構(gòu)建的模型不能充分反映網(wǎng)格中森林冠層高度如何隨著地形、林齡等因子的變化,這可能是限制該產(chǎn)品在塞罕壩林場(chǎng)精度的主要原因。在森林稀疏的區(qū)域,由于GEDI較大的光斑尺寸,可能導(dǎo)致基于GEDI提取的冠層高度和真實(shí)冠層高度之間的巨大差異,造成反演模型的不確定性[21]。坡度的影響也不可忽略,它會(huì)影響星載激光雷達(dá)對(duì)森林冠層高度的估計(jì),可能需要對(duì)GEDI數(shù)據(jù)進(jìn)行額外校正,以減少由坡度帶來(lái)的不確定性[22]。

        5 結(jié)論

        本研究利用無(wú)人機(jī)激光雷達(dá)獲取的冠層高度,在像元尺度上對(duì)全球森林冠層高度產(chǎn)品GFCH進(jìn)行精度驗(yàn)證。研究結(jié)果表明,該產(chǎn)品精度較低(RMSE=5.58 m),這主要與反演該產(chǎn)品時(shí)輸入模型的GEDI與Landsat數(shù)據(jù)質(zhì)量有關(guān)。隨著星載激光雷達(dá)GEDI的運(yùn)行,未來(lái)可收集到更多的GEDI數(shù)據(jù)參與模型反演以提高產(chǎn)品精度。此外,有研究表明由于小光斑機(jī)載激光雷達(dá)在數(shù)據(jù)采集過(guò)程中容易錯(cuò)失樹(shù)冠頂點(diǎn),從而導(dǎo)致估測(cè)的冠層高度偏低,這也可能是GFCH產(chǎn)品相對(duì)于激光雷達(dá)獲取的冠層高度偏高的原因之一[23]。下一步將收集地面測(cè)量數(shù)據(jù)以驗(yàn)證機(jī)載激光雷達(dá)估測(cè)的冠層高度的精度,以便更加準(zhǔn)確地量化GFCH產(chǎn)品精度。

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