[發(fā)明專利]基于激光雷達(dá)綜合波形模型反演森林生物物理特性的方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201410362870.3
• 申請(qǐng)日: 2014-07-28
• 公開（公告）號(hào): CN104180754B
• 公開（公告）日: 2017-02-01
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 曹林;代勁松
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 南京林業(yè)大學(xué)
• 主分類號(hào): G01B11/02
• 分類號(hào): G01B11/02;G01B11/28;G01S17/89
• 代理公司: 南京鐘山專利代理有限公司32252
• 代理人: 戴朝榮

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明可應(yīng)用在小尺度和中等尺度的森林資源調(diào)查、碳匯估算以及森林生態(tài)學(xué)研究的監(jiān)測(cè)領(lǐng)域，本發(fā)明涉及一種利用機(jī)載小光斑全波形激光雷達(dá)傳感器獲取的波形數(shù)據(jù)計(jì)算森林生物物體特性的方法，具體地說，是指一種在數(shù)據(jù)校正的基礎(chǔ)上，通過提取激光脈沖返回信號(hào)中波形的幾何和能量信息并結(jié)合單木分割方法用以建模估算如Lorey’s樹高、胸高斷面積和蓄積量這樣的典型森林生物物體特性的方法。

背景技術(shù)

機(jī)載小光斑激光雷達(dá)(small-footprint?airborne，LiDAR)是通過發(fā)射激光脈沖至地物表面并分析其返回信號(hào)的一種主動(dòng)遙感技術(shù)。在林業(yè)應(yīng)用中，可以通過該技術(shù)獲得豐富的森林冠層三維結(jié)構(gòu)和強(qiáng)度返回信息，在精確估算森林生物物理特性及結(jié)構(gòu)參數(shù)方面具有很大的潛力。研究表明，在某些結(jié)構(gòu)較單一的森林類型內(nèi)，通過機(jī)載小光斑LiDAR技術(shù)獲取的高度信息精度甚至高于地面實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)。

在機(jī)載小光斑LiDAR技術(shù)的近20年發(fā)展歷程中，絕大多數(shù)LiDAR系統(tǒng)獲取的是每束發(fā)射脈沖的多個(gè)返回信號(hào)(n≤5)，并以“離散點(diǎn)云”的形式來反映和記錄物體(如森林)的三維結(jié)構(gòu)及返回信號(hào)強(qiáng)度。該類LiDAR技術(shù)被成功應(yīng)用于森林參數(shù)的高精度提取，其代表研究為2002年在《Remote?Sensing?of?Environment》第80卷上發(fā)表“Predicting?forest?stand?characteristics?with?airborne?scanning?laser?using?a?practical?two-stage?procedure?and?field?data”，文中提出了基于高度百分位數(shù)，冠層密度參數(shù)等“小光斑”離散點(diǎn)云特征變量反演北寒帶森林生物物理特性的方法。以及Lim等在《Canadian?Journal?of?Remote?Sensing》第29卷上發(fā)表“Lidar?remote?sensing?of?biophysical?properties?of?tolerant?northern?hardwood?forests”，文中使用了最大激光高度、平均激光高度以及通過強(qiáng)度信息篩選過的平均激光高度等特征變量反演了加拿大東部溫帶森林的生物物理特性。然而，由于電子器件的限制，該LiDAR系統(tǒng)只能區(qū)分垂直距離大于“最小脈沖區(qū)分距離”的地物。

近年來，機(jī)載小光斑“全波形”LiDAR傳感器逐步商用化并開始應(yīng)用于林業(yè)研究中(2004年奧地利Riegl公司推出了世界上第一臺(tái)商業(yè)機(jī)載小光斑全波形LiDAR數(shù)字測(cè)量系統(tǒng))。該技術(shù)可獲得物體(如森林冠層)完整的后向散射信號(hào)，并記錄了更為詳細(xì)的幾何和物理能量信息，從而一定程度上彌補(bǔ)了“離散點(diǎn)云”技術(shù)的弱點(diǎn)。理論上，借助特定的波形信號(hào)處理及信息提取方法，可從“全波形”數(shù)據(jù)中挖掘更為豐富的森林冠層描述特征變量。近年來為數(shù)不多的基于機(jī)載小光斑“全波形”LiDAR技術(shù)反演森林生物物理特性的研究為Kronseder等發(fā)表在《International?Journal?of?Applied?Earth?Observation?and?Geoinformation》第18卷的“Above?ground?biomass?estimation?across?forest?types?at?different?degradation?levels?in?Central?Kalimantan?using?LiDAR”，該研究首先從原始“波形”數(shù)據(jù)上直接提取“點(diǎn)云”，再利用點(diǎn)云特征變量來估算森林生物物理特性。由于基于LiDAR點(diǎn)云的特征變量提取技術(shù)已較為成熟，故此方法相對(duì)簡(jiǎn)單快捷。但是由于舍棄了原始波形數(shù)據(jù)中記錄豐富的森林連續(xù)垂直分布信息，大大降低了波形數(shù)據(jù)的應(yīng)有價(jià)值。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明提供一種基于激光雷達(dá)綜合波形模型反演森林生物物理特性的方法，通過進(jìn)行樹冠分割和單木范圍內(nèi)的波形信息匯總(然后再匯總林分尺度上)，使得反演尺度變換更為靈活合理；借助數(shù)字地形(DTM)和高度誤差閾值來判斷地面返回脈沖，從而間接提升冠層返回脈沖的判別效果；從多個(gè)維度上提取綜合波形特征信息，從而更加深入挖掘了波形數(shù)據(jù)中豐富的森林冠層信息。借助以上自主開發(fā)技術(shù)及創(chuàng)新內(nèi)容，本發(fā)明在提升森林生物物理特性估算精度的同時(shí)也為其在機(jī)理上解釋提供了理論及方法支撐。有效地避免了由于舍棄了原始波形數(shù)據(jù)中記錄豐富的森林連續(xù)垂直分布信息從而大大降低了波形數(shù)據(jù)的應(yīng)有價(jià)值的缺陷。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案為：

一種基于激光雷達(dá)綜合波形模型反演森林生物物理特性的方法，步驟如下：