一种新的星载激光雷达树高提取方法
【专利摘要】星载激光雷达GLAS的波形数据可以分解为两个混合广义高斯波形，分别代表激光光斑森林冠层部分和地面部分。利用这些地面部分波形的波峰位置精确确定地面的位置，然后根据GLAS波形开始位置可以确定森林冠层顶部的位置，最终得到森林冠层高度。但是森林冠层高度受到光斑形状、大小以及坡度、坡向的影响，提出一种新的树高几何物理改正模型。该模型充分考虑上述因素对树高的影响，并考虑发射脉冲宽度对树高的影响，最终精确提取森林冠层高度。该发明专利利用GLAS数据精确提取森林冠层高度，弥补了以往遥感方法在森林植被高度研究上的不足，提高了森林冠层高度估测精度，为全球碳循环和全球气候变化研究开辟了新的途径。
【专利说明】一种新的星载激光雷达树高提取方法 所属技术领域
[0001] 本发明专利是一种对地观测领域的技术，涉及一种利用星载激光雷达数据提取森 林冠层高度的方法。该方法具有一定的普适性，是一项具有理论研究和实际应用价值的方 法。
【背景技术】
[0002] "碳"不仅是环境问题，而且蕴含着更多的经济和政治问题。全球碳循环研究是气 候变化的核心研究内容之一，碳储量的时空变化依然是世界各国需要解决的共性问题。搞 清中国在全球碳循环中的碳源/碳汇问题，关系到我国未来能源政策的制定以及如何履行 联合国气候变化框架公约。
[0003] 森林高度是反映碳储量的重要参数，传统获取森林冠层高度的方法是实地测量， 采用测高仪器对单木进行测量。该类仪器依据空间几何原理进行测量树高，操作简单、结果 精度高，适用于单木森林冠层高度的精准测量。但是，大范围森林高度测量则需要投入巨大 的人力和物力，并且在一些条件苛刻的区域，人员难以到达且不易获取大面积测量数据。随 着遥感技术的发展，光学、微波技术成为估测森林植被高度的重要手段（Brown and Schroeder，1999)，但在测量精度上均存在一定的缺陷，激光雷达技术成为其中重要的补充 手段。
[0004] 激光雷达(Light Detection And Ranging，简称LiDAR)是一种集激光、全球定位 系统（Global Positioning System，简称GPS)和惯性导航系统（Intertial Navigation System，简称INS)技术于一身的用于快速获取地面及地面目标三维信息的主动式观测系 统。LiDAR技术与成像光谱、合成孔径雷达一起被列为对地观测系统(E0S)计划最核心的信 息获取与处理技术，该技术能精确探测地物垂直方向上的信息。其中星载激光雷达(GLAS) 数据已经被广泛应用于森林植被结构参数的反演（Sun et al.，2000&2008;Lefsky et al. ,2010)。但是由于GLAS为大光斑(每个光斑为70m的椭圆），而森林植被区域地形起伏较 大，影像森林冠层高度估算精度，一些情况下导致地形和植被波形难以分离。
【发明内容】
[0005] 本发明专利就是利用星载激光雷达数据(GLAS)提供的三维空间信息，提取森林在 垂直方向上的高度差即森林冠层高度。为精确提取森林冠层高度，建立基于星载激光雷达 的树高坡度改正模型。该模型充分考虑光斑形状、大小以及坡度、坡向对树高的耦合影响， 建立适用性广的几何物理模型。该模型能够精确地估测森林冠层高度，为全球碳循环研究 提供基础。
【附图说明】
[0006] 下面结合附图和实例对本发明专利进一步说明。
[0007] 图1是工作流程图
[0008]图2是GLAS建筑物高度计算示意图
【具体实施方式】
[0009]本发明专利总体思路为：利用GLAS数据提取粗略的森林冠层高度，建立树高的几 何物理模型，该模型充分考虑光斑大小、朝向以及坡度、坡向因素对树高的影响，并分析其 影响规律，最终得到精确的森林冠层高度(图1)。
[0010]森林冠层高度Η通过计算激光雷达第一个冠层回波信号与最后一个回波(地面回 波)峰值的差得到（图2)。星载GLAS波形开始为系统噪声，冠层回波从超过噪声阈值开始以 一定的时间间隔进行记录，第一个回波信号为信号的开始，即激光雷达信号接触冠层顶部 并反射的开始同时也表示冠层到传感器的距离，最后一个回波的峰值点表示从地面到传感 器的距离，二者之差即为森林冠层高度。
[0011]通常情况下，GLAS回波的起始位置(最高点）到最后一个波峰位置(地面)之间的距 离可以代表光斑内森林冠层高度。但是，GLAS数据为大光斑数据(直径70m)，大光斑激光雷 达回波信号是激光脉冲与植被冠层、地面共同作用的结果，其波形受地形起伏/坡度影响显 著，主要表现为波形的展宽和重叠。随着坡度的增加，波形的展宽会增加，当坡度增加一定 程度时，地面数据会与植被的波形数据混合，大大增加了树高提取的难度。在这种情况下， 为了精确提取树高，必须要能够精确地确定地面位置和树高改正模型。
[0012]为了精确确定地面位置，本发明专利首先提出了地面位置确定方法，通过波形模 型得知，GLAS波形分为两个部分:植被部分和地面部分。这两个部分都能用广义高斯函数表 示，地面部分的广义高斯函数波峰所在位置可以确定为地面位置。其具体表示为：
[0014] 其中ygrciund表示为地面位置。
[0015]另外，本发明专利还建立一种新的树高的几何物理改正模型。该模型充分考虑光 斑大小、朝向以及坡度坡向对树高的影响，并在此基础上分析上述因素的影响规律。此外， 还需要考虑光斑发射脉冲宽度对树高的影响，最终精确提取森林冠层高度。树高改正模型 表示为式(2)，精确提取表达为式(3)。
[0017] H=fff start-FWHM/ 2-GroundExtent/2-ygr〇und (3)
[0018] 其中a表示为光斑长半轴、b为光斑的短半轴，Θ是光斑朝向和坡向的夹角，n是地形 坡度，GroundExtent是树高改正高度，Wf start表示森林冠层高度顶部，FWHM为发射脉冲宽度， Η为改正后的森林冠层高度。
【主权项】
1. 基于星载激光雷达数据精确提取森林树高方法，其特征主要包括以下几个步骤： (1) 将GLAS波形数据分解为两个混合广义高斯函数，确定地面位置； (2) 利用GLA01数据确定森林冠层顶部位置，结合地面位置得到森林冠层高度； (3) 建立树高几何物理改正模型，该模型充分考虑光斑大小、朝向以及坡度、坡向等对 树尚的影响； (4) 结合树高几何改正模型，得到精确的森林冠层高度。2. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于：利用星载激光雷达GLA01、GLA05、GLA14数 据并利用广义高斯分解计算出粗略的森林冠层高度。3. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于:建立树高的几何物理模型，分析光斑大小、 朝向以及坡度坡向因素对树高的影响规律，并考虑发射脉冲宽度对树高的影响，最终得到 精确的森林冠层高度。
【文档编号】G01S17/88GK105866792SQ201610378509
【公开日】2016年8月17日
【申请日】2016年5月31日
【发明人】王成, 聂胜, 习晓环
【申请人】中国科学院遥感与数字地球研究所