一種新的星載激光雷達(dá)樹(shù)高提取方法
【專利摘要】星載激光雷達(dá)GLAS的波形數(shù)據(jù)可以分解為兩個(gè)混合廣義高斯波形，分別代表激光光斑森林冠層部分和地面部分。利用這些地面部分波形的波峰位置精確確定地面的位置，然后根據(jù)GLAS波形開(kāi)始位置可以確定森林冠層頂部的位置，最終得到森林冠層高度。但是森林冠層高度受到光斑形狀、大小以及坡度、坡向的影響，提出一種新的樹(shù)高幾何物理改正模型。該模型充分考慮上述因素對(duì)樹(shù)高的影響，并考慮發(fā)射脈沖寬度對(duì)樹(shù)高的影響，最終精確提取森林冠層高度。該發(fā)明專利利用GLAS數(shù)據(jù)精確提取森林冠層高度，彌補(bǔ)了以往遙感方法在森林植被高度研究上的不足，提高了森林冠層高度估測(cè)精度，為全球碳循環(huán)和全球氣候變化研究開(kāi)辟了新的途徑。
【專利說(shuō)明】一種新的星載激光雷達(dá)樹(shù)高提取方法 所屬技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明專利是一種對(duì)地觀測(cè)領(lǐng)域的技術(shù)，涉及一種利用星載激光雷達(dá)數(shù)據(jù)提取森 林冠層高度的方法。該方法具有一定的普適性，是一項(xiàng)具有理論研究和實(shí)際應(yīng)用價(jià)值的方 法。
【背景技術(shù)】
[0002] "碳"不僅是環(huán)境問(wèn)題，而且蘊(yùn)含著更多的經(jīng)濟(jì)和政治問(wèn)題。全球碳循環(huán)研究是氣 候變化的核心研究?jī)?nèi)容之一，碳儲(chǔ)量的時(shí)空變化依然是世界各國(guó)需要解決的共性問(wèn)題。搞 清中國(guó)在全球碳循環(huán)中的碳源/碳匯問(wèn)題，關(guān)系到我國(guó)未來(lái)能源政策的制定以及如何履行 聯(lián)合國(guó)氣候變化框架公約。
[0003] 森林高度是反映碳儲(chǔ)量的重要參數(shù)，傳統(tǒng)獲取森林冠層高度的方法是實(shí)地測(cè)量， 采用測(cè)高儀器對(duì)單木進(jìn)行測(cè)量。該類儀器依據(jù)空間幾何原理進(jìn)行測(cè)量樹(shù)高，操作簡(jiǎn)單、結(jié)果 精度高，適用于單木森林冠層高度的精準(zhǔn)測(cè)量。但是，大范圍森林高度測(cè)量則需要投入巨大 的人力和物力，并且在一些條件苛刻的區(qū)域，人員難以到達(dá)且不易獲取大面積測(cè)量數(shù)據(jù)。隨 著遙感技術(shù)的發(fā)展，光學(xué)、微波技術(shù)成為估測(cè)森林植被高度的重要手段（Brown and Schroeder，1999)，但在測(cè)量精度上均存在一定的缺陷，激光雷達(dá)技術(shù)成為其中重要的補(bǔ)充 手段。
[0004] 激光雷達(dá)(Light Detection And Ranging，簡(jiǎn)稱LiDAR)是一種集激光、全球定位 系統(tǒng)（Global Positioning System，簡(jiǎn)稱GPS)和慣性導(dǎo)航系統(tǒng)（Intertial Navigation System，簡(jiǎn)稱INS)技術(shù)于一身的用于快速獲取地面及地面目標(biāo)三維信息的主動(dòng)式觀測(cè)系 統(tǒng)。LiDAR技術(shù)與成像光譜、合成孔徑雷達(dá)一起被列為對(duì)地觀測(cè)系統(tǒng)(E0S)計(jì)劃最核心的信 息獲取與處理技術(shù)，該技術(shù)能精確探測(cè)地物垂直方向上的信息。其中星載激光雷達(dá)(GLAS) 數(shù)據(jù)已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于森林植被結(jié)構(gòu)參數(shù)的反演（Sun et al.，2000&2008;Lefsky et al. ,2010)。但是由于GLAS為大光斑(每個(gè)光斑為70m的橢圓），而森林植被區(qū)域地形起伏較 大，影像森林冠層高度估算精度，一些情況下導(dǎo)致地形和植被波形難以分離。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明專利就是利用星載激光雷達(dá)數(shù)據(jù)(GLAS)提供的三維空間信息，提取森林在 垂直方向上的高度差即森林冠層高度。為精確提取森林冠層高度，建立基于星載激光雷達(dá) 的樹(shù)高坡度改正模型。該模型充分考慮光斑形狀、大小以及坡度、坡向?qū)?shù)高的耦合影響， 建立適用性廣的幾何物理模型。該模型能夠精確地估測(cè)森林冠層高度，為全球碳循環(huán)研究 提供基礎(chǔ)。
【附圖說(shuō)明】
[0006] 下面結(jié)合附圖和實(shí)例對(duì)本發(fā)明專利進(jìn)一步說(shuō)明。
[0007] 圖1是工作流程圖
[0008]圖2是GLAS建筑物高度計(jì)算示意圖
【具體實(shí)施方式】
[0009]本發(fā)明專利總體思路為：利用GLAS數(shù)據(jù)提取粗略的森林冠層高度，建立樹(shù)高的幾 何物理模型，該模型充分考慮光斑大小、朝向以及坡度、坡向因素對(duì)樹(shù)高的影響，并分析其 影響規(guī)律，最終得到精確的森林冠層高度(圖1)。
[0010]森林冠層高度Η通過(guò)計(jì)算激光雷達(dá)第一個(gè)冠層回波信號(hào)與最后一個(gè)回波(地面回 波)峰值的差得到（圖2)。星載GLAS波形開(kāi)始為系統(tǒng)噪聲，冠層回波從超過(guò)噪聲閾值開(kāi)始以 一定的時(shí)間間隔進(jìn)行記錄，第一個(gè)回波信號(hào)為信號(hào)的開(kāi)始，即激光雷達(dá)信號(hào)接觸冠層頂部 并反射的開(kāi)始同時(shí)也表示冠層到傳感器的距離，最后一個(gè)回波的峰值點(diǎn)表示從地面到傳感 器的距離，二者之差即為森林冠層高度。
[0011]通常情況下，GLAS回波的起始位置(最高點(diǎn)）到最后一個(gè)波峰位置(地面)之間的距 離可以代表光斑內(nèi)森林冠層高度。但是，GLAS數(shù)據(jù)為大光斑數(shù)據(jù)(直徑70m)，大光斑激光雷 達(dá)回波信號(hào)是激光脈沖與植被冠層、地面共同作用的結(jié)果，其波形受地形起伏/坡度影響顯 著，主要表現(xiàn)為波形的展寬和重疊。隨著坡度的增加，波形的展寬會(huì)增加，當(dāng)坡度增加一定 程度時(shí)，地面數(shù)據(jù)會(huì)與植被的波形數(shù)據(jù)混合，大大增加了樹(shù)高提取的難度。在這種情況下， 為了精確提取樹(shù)高，必須要能夠精確地確定地面位置和樹(shù)高改正模型。
[0012]為了精確確定地面位置，本發(fā)明專利首先提出了地面位置確定方法，通過(guò)波形模 型得知，GLAS波形分為兩個(gè)部分:植被部分和地面部分。這兩個(gè)部分都能用廣義高斯函數(shù)表 示，地面部分的廣義高斯函數(shù)波峰所在位置可以確定為地面位置。其具體表示為：
[0014] 其中ygrciund表示為地面位置。
[0015]另外，本發(fā)明專利還建立一種新的樹(shù)高的幾何物理改正模型。該模型充分考慮光 斑大小、朝向以及坡度坡向?qū)?shù)高的影響，并在此基礎(chǔ)上分析上述因素的影響規(guī)律。此外， 還需要考慮光斑發(fā)射脈沖寬度對(duì)樹(shù)高的影響，最終精確提取森林冠層高度。樹(shù)高改正模型 表示為式(2)，精確提取表達(dá)為式(3)。
[0017] H=fff start-FWHM/ 2-GroundExtent/2-ygr〇und (3)
[0018] 其中a表示為光斑長(zhǎng)半軸、b為光斑的短半軸，Θ是光斑朝向和坡向的夾角，n是地形 坡度，GroundExtent是樹(shù)高改正高度，Wf start表示森林冠層高度頂部，F(xiàn)WHM為發(fā)射脈沖寬度， Η為改正后的森林冠層高度。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 基于星載激光雷達(dá)數(shù)據(jù)精確提取森林樹(shù)高方法，其特征主要包括以下幾個(gè)步驟： (1) 將GLAS波形數(shù)據(jù)分解為兩個(gè)混合廣義高斯函數(shù)，確定地面位置； (2) 利用GLA01數(shù)據(jù)確定森林冠層頂部位置，結(jié)合地面位置得到森林冠層高度； (3) 建立樹(shù)高幾何物理改正模型，該模型充分考慮光斑大小、朝向以及坡度、坡向等對(duì) 樹(shù)尚的影響； (4) 結(jié)合樹(shù)高幾何改正模型，得到精確的森林冠層高度。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于：利用星載激光雷達(dá)GLA01、GLA05、GLA14數(shù) 據(jù)并利用廣義高斯分解計(jì)算出粗略的森林冠層高度。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于:建立樹(shù)高的幾何物理模型，分析光斑大小、 朝向以及坡度坡向因素對(duì)樹(shù)高的影響規(guī)律，并考慮發(fā)射脈沖寬度對(duì)樹(shù)高的影響，最終得到 精確的森林冠層高度。
【文檔編號(hào)】G01S17/88GK105866792SQ201610378509
【公開(kāi)日】2016年8月17日
【申請(qǐng)日】2016年5月31日
【發(fā)明人】王成, 聶勝, 習(xí)曉環(huán)
【申請(qǐng)人】中國(guó)科學(xué)院遙感與數(shù)字地球研究所