地面植被的主被動同步觀測實驗方法

羅　欣，許文波，李世華

(電子科技大學(xué)　資源與環(huán)境學(xué)院，成都　611731)

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地面植被的主被動同步觀測實驗方法

羅欣，許文波，李世華

(電子科技大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，成都611731)

摘要針對植被冠層結(jié)構(gòu)參數(shù)主被動遙感協(xié)同反演的問題，開展了不同地形、不同植被覆蓋類型的地面觀測實驗，獲取了典型植被不同方位、不同角度的地面激光雷達(dá)和成像光譜數(shù)據(jù)，同時，測量了多種冠層結(jié)構(gòu)參數(shù)，構(gòu)成了與飛行數(shù)據(jù)配套的地面同步觀測數(shù)據(jù)集。該文介紹了實驗中樣地選擇，觀測站點設(shè)置，主被動數(shù)據(jù)獲取，輔助數(shù)據(jù)測量等過程的具體目標(biāo)和設(shè)計；總結(jié)了實驗中獲得的主要經(jīng)驗，對遙感類專業(yè)的實踐教學(xué)及科研實驗均具有指導(dǎo)意義。

關(guān)鍵詞激光雷達(dá); 成像光譜儀; 地面觀測; 植被結(jié)構(gòu); 植被光譜

植被影響著能量平衡、氣候、水文和生物地球化學(xué)循環(huán)，是氣候和人文因素對環(huán)境影響的敏感指標(biāo)[1]。植被冠層結(jié)構(gòu)參數(shù)的提取不僅能夠用于研究植被生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能，還能夠為植被冠層能量交換的描述提供結(jié)構(gòu)化定量信息。因此，提取植被冠層結(jié)構(gòu)參數(shù)對于生態(tài)系統(tǒng)的研究具有重要意義[2]。此外，通過多期靜態(tài)的地面觀測可以實現(xiàn)復(fù)雜地表植被參數(shù)高精度的反演，提高信息提取效率并降低遙感監(jiān)測評估應(yīng)用的成本，同時還能對研究區(qū)域植被遙感信息進(jìn)行時空連續(xù)擴(kuò)展，進(jìn)而開展復(fù)雜地表植被參數(shù)的多模式遙感信息動態(tài)分析與建模理論研究及驗證。

目前，利用單一的被動光學(xué)遙感數(shù)據(jù)提取植被冠層結(jié)構(gòu)參數(shù)的各種方法，均存在一定的局限性[3]。盡管高光譜遙感能提供精細(xì)的地物目標(biāo)光譜信息，在植被種類識別和生化組分反演方面有著一定的優(yōu)勢[4-6]，但在植被結(jié)構(gòu)參數(shù)的估測方面仍存在一些問題。主動光學(xué)遙感提取植被結(jié)構(gòu)參數(shù)是近年來出現(xiàn)的方法，如利用LiDAR測量植被的幾何結(jié)構(gòu)，可以獲得植被精確的形態(tài)、高度及一定精度的冠層信息[7-8]。因此，主被動方法相結(jié)合的植被結(jié)構(gòu)參數(shù)協(xié)同反演技術(shù)，將是一種提高遙感反演精度的有效途徑[9]。

1地面同步觀測實驗的目標(biāo)

在飛行遙感實驗進(jìn)行期間，激光雷達(dá)和成像光譜儀地面同步觀測就是在飛行實驗區(qū)域內(nèi)確定多個不同的野外數(shù)據(jù)采集樣地，架設(shè)地面激光雷達(dá)和成像光譜儀，利用多角度觀測設(shè)備獲取不同角度、不同位置的三維激光點云數(shù)據(jù)和成像光譜數(shù)據(jù)，為植被結(jié)構(gòu)參數(shù)反演提供地面數(shù)據(jù)支持，具體目標(biāo)有：1)探索利用地面設(shè)備獲取地面植被結(jié)構(gòu)參數(shù)(單株及冠層)的新方法，為遙感反演提供高質(zhì)量的驗證數(shù)據(jù)；2)獲取更細(xì)致的植被三維結(jié)構(gòu)，結(jié)合衛(wèi)星影像和機(jī)載數(shù)據(jù)及地面測量的輔助數(shù)據(jù)，實現(xiàn)不同類型植被場景真實結(jié)構(gòu)的模擬[10-11]；3)針對不同地形，驗證適用于復(fù)雜地表的參數(shù)化模型及遙感反演方法。

2地面實測數(shù)據(jù)獲取方案

根據(jù)衛(wèi)星過境時間以及飛行時間確定地面實驗時間，進(jìn)行同步實驗。為了反映植被參數(shù)在水平空間上的連續(xù)變化特征，在重點實驗區(qū)內(nèi)靠近中部區(qū)域設(shè)置一條核心樣帶區(qū)。樣帶的布設(shè)考慮了地面調(diào)查的可及性，地形及植被類型的代表性等因素。樣地獲取數(shù)據(jù)將為三維場景模擬獲取輸入?yún)?shù)，并為遙感反演獲取可靠的真值。因此，樣地的選擇應(yīng)滿足：

1)每個樣區(qū)需要達(dá)到一定的面積，通常以遙感衛(wèi)星影像空間分辨率為參考；

2)選擇不同大小且植被類型多樣的多個樣區(qū)進(jìn)行觀測，覆蓋不同生長狀況的植被；

3)可以獲取不同地形上的植被信息，以便研究地形對植被結(jié)構(gòu)參數(shù)反演的影響；

4)可以對不同分布密度的植被進(jìn)行觀測，獲取不同稀密狀態(tài)下的觀測數(shù)據(jù)。

2.1實驗樣地與儀器設(shè)備

實驗樣地均位于飛行區(qū)域內(nèi)，覆蓋了飛行實驗區(qū)的主要地表類型、山區(qū)的陰陽坡面(不含陰影區(qū)域)，并具有配套星載圖像。實際觀測目標(biāo)包括森林、農(nóng)田等。

1)農(nóng)田區(qū)域。樣地選擇多種單一作物類型成片分布的農(nóng)田，農(nóng)田面積一般達(dá)到50 m×50 m以上。

2)森林區(qū)域。選擇多處單一植被類型成片分布的森林樣地，森林基本為純林如針葉林、闊葉林等，長勢良好，無砍伐現(xiàn)象，盡量避免了多種植被類型混合。每個樣地的面積一般達(dá)到15 m×15 m左右。此外，還特別選擇一些植被分布稀疏的區(qū)域，以便對單木進(jìn)行地面觀測。

通過對整個飛行區(qū)域的實地考察，并根據(jù)地形等實際情況，考慮植被類型、長勢等因素分別設(shè)計了兩種樣地：一種是代表不同林分類型的大樣地，大小為45 m×45 m左右，利用地面激光雷達(dá)進(jìn)行林分尺度的大場景激光點云數(shù)據(jù)獲取，為驗證植被參數(shù)多模式協(xié)同反演模型獲取輸入?yún)?shù)和驗證真值；另一種是進(jìn)行精細(xì)化測量的小樣地，用于典型樹種和林分場景的三維重建，以及利用多角度數(shù)據(jù)開展植被方向性反射特性和復(fù)雜地表對參數(shù)反演影響的研究。

實驗中采用的儀器設(shè)備有：便攜式激光雷達(dá)、便攜式成像光譜儀、高精度RTK、全站儀、植物冠層分析儀、手持GPS、激光測高儀和卷尺等。其中，利用RTK可以測量架站點位的WGS-1984坐標(biāo)值，從而進(jìn)行地面數(shù)據(jù)的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，實現(xiàn)地面數(shù)據(jù)與機(jī)載數(shù)據(jù)的配準(zhǔn)；卷尺用于丈量樣地大??；全站儀用于測定站點的局部精確坐標(biāo)值；冠層分析儀等用于測量樣地內(nèi)的LAI值和其他基本輔助參數(shù)。

表1給出了地面同步觀測實驗中使用的主要儀器。

表1　地面觀測實驗使用的主要儀器

2.2激光雷達(dá)數(shù)據(jù)獲取方法

根據(jù)樣地范圍和實際觀察情況在樣地內(nèi)選擇適當(dāng)架站位置架設(shè)激光雷達(dá)，保證兩個相鄰站點能互相通視，同時為了后期能對各站點點云數(shù)據(jù)進(jìn)行精確拼接，在各樣地內(nèi)部還另外選擇了一個全站儀架設(shè)點，該站點與所有觀測站點均能通視。

對于大樣地選擇了10個觀測站點，分別命名為ScanPos01～ScanPos10，位置如圖1(a)所示。利用羅盤初步定位，用卷尺進(jìn)行站點的粗測量，再利用全站儀進(jìn)行站點位置的精確測量，并建立獨立坐標(biāo)系。最后，利用地面激光雷達(dá)以“后視點已知”的方式在各站點進(jìn)行順序掃描，掃描分辨率為“高精度”，即100 m處的激光點距為0.05 m。對于樣地外的站點，水平視角以兩站之間的視場有較小的重疊為準(zhǔn)，垂直視角范圍為0°～270°；對于樣地內(nèi)的站點，水平和垂直最大視角分別為360°和270°，每個站點的掃描時間約為20 h。

(a)大樣地

(b)小樣地圖1　樣地掃描站點架設(shè)位置

對于每個小樣地，分別從4個方向和一定距離設(shè)置4個站點進(jìn)行觀測，分別命名為ScanPos 01～ScanPos 04，位置如圖1(b)所示。此外，各站點還設(shè)置了特征明顯的標(biāo)志物，便于后期不同站點數(shù)據(jù)的拼接。地面激光雷達(dá)在4個站點以“超高精度”(即100 m處的激光點距為0.02 m)模式進(jìn)行掃描，水平視角范圍仍以兩站之間的視場有較小的重疊為準(zhǔn)，垂直視角范圍為0～270°，每個站點的掃描時間約為1 h。

每個站點掃描完成后，必須檢查點云數(shù)據(jù)的質(zhì)量，確定是否是對應(yīng)目標(biāo)樣區(qū)的激光點云數(shù)據(jù)，否則就應(yīng)調(diào)整水平視角范圍重新進(jìn)行掃描。圖2為獲取坡地茶樹地面激光雷達(dá)數(shù)據(jù)的場景。

對于單株植被的觀測，為了獲取單木的三維全景點云數(shù)據(jù)，在距離植被約5 m的圓周上以120°為間隔架設(shè)了A，B，C共3個站點進(jìn)行掃描，如圖3所示。掃描分辨率為“高精度”，各站位的位置也使用全站儀進(jìn)行精確測量。

圖2　坡地茶樹地面激光雷達(dá)數(shù)據(jù)的獲取

圖3　單木觀測站點示意圖

2.3成像光譜數(shù)據(jù)獲取方法

成像光譜數(shù)據(jù)是在獲取各樣地激光雷達(dá)數(shù)據(jù)的同時，利用地面成像光譜儀采集的。掃描站點的具體架設(shè)方案與激光雷達(dá)相同，站點的精確位置仍舊通過全站儀進(jìn)行坐標(biāo)測量獲得。對于低矮植被還選擇了一個典型的垂直觀測點，進(jìn)行垂直觀測。最后，利用成像光譜儀在每個站點從不同水平和垂直角度進(jìn)行掃描成像。水平方向從左至右每次增加15°，保證樣方內(nèi)的所有區(qū)域都能夠被掃描；垂直方向選擇水平位置及固定俯仰角，以確保植被冠層全部位于其成像范圍內(nèi)。每次掃描前應(yīng)先通過查看預(yù)覽圖來進(jìn)行對焦和取景，保證被掃描場景的完整性和清晰度。每景成像光譜數(shù)據(jù)獲取后，也必須檢查數(shù)據(jù)質(zhì)量，對存在光譜飽和的數(shù)據(jù)，需調(diào)整儀器曝光參數(shù)對相應(yīng)場景重新進(jìn)行掃描。此外，實驗完畢后還應(yīng)對數(shù)據(jù)進(jìn)行備份。圖4為獲取針葉林地面成像光譜數(shù)據(jù)的場景。

圖4　針葉林地面成像光譜數(shù)據(jù)的獲取

2.4輔助數(shù)據(jù)獲取

除激光雷達(dá)和成像光譜數(shù)據(jù)外，根據(jù)衛(wèi)星過境時間以及航空飛行時間，還需通過地面快速測量獲取植被結(jié)構(gòu)相關(guān)輔助參數(shù)的觀測值，包括葉面積指數(shù)、株高、胸徑、冠幅和單木精確的地理位置等，以及各樣地的實景照片。

1)葉面積指數(shù)(LAI)測量。在樣地內(nèi)選擇具有代表性的區(qū)域，使用冠層分析儀測量植被LAI，在每個樣地分散測量3～5次取平均值作為該樣地的LAI，并將GPS記錄的測量位置標(biāo)記在圖件上。

2)植被光譜測量。使用野外光譜儀測量葉片光譜。對于森林，其冠層光譜在有條件的情況下可以進(jìn)行測量，在不能測量的情況下，利用采集到的葉片光譜進(jìn)行模擬。

3)其他基本結(jié)構(gòu)參數(shù)測量。使用測高儀測量植被高度，每個樣地分散測量5次，取平均值作為該樣地的植被高度，用卷尺測量植被胸徑和冠幅，植被相間程度也用卷尺進(jìn)行測量。

4)輔助信息測量。利用手持氣象站記錄氣象要素等信息；使用數(shù)碼相機(jī)對樣地場景和植被冠層總體形態(tài)進(jìn)行記錄；此外，還需記錄植被類型、行距、坡度、坡向、壟向、拍攝高度信息等信息。

3結(jié)束語

目前，地面觀測實驗獲取的同步數(shù)據(jù)已在一定程度上滿足了植被結(jié)構(gòu)參數(shù)反演科學(xué)問題研究的需求。但是，由于實驗區(qū)部分農(nóng)作物植株較高，株間間距較小，而地面激光雷達(dá)的架設(shè)高度有限，導(dǎo)致樣地內(nèi)部點云數(shù)據(jù)密度分布不均勻。離儀器近的區(qū)域點云密度高，離儀器遠(yuǎn)的區(qū)域點云密度低，甚至存在數(shù)據(jù)空洞的現(xiàn)象，在后期處理時應(yīng)考慮這種數(shù)據(jù)的不均勻性；在激光雷達(dá)掃描期間，由于實驗區(qū)天氣條件變化，不時存在陣風(fēng)的影響。導(dǎo)致相鄰站點間部分重疊區(qū)域的點云有錯位情況，對后期多站數(shù)據(jù)拼接有一定的影響；由于某些實驗區(qū)域樹木密集，林下植被多樣，草甸松軟，在某些站點激光雷達(dá)無法與全站儀測定的站點位置嚴(yán)格對準(zhǔn)，影響了不同站點間點云數(shù)據(jù)的拼接精度。另外，由于某些實驗區(qū)植被覆蓋茂密，光照條件相對不足，導(dǎo)致成像光譜數(shù)據(jù)也存在少量的模糊。同時，實驗區(qū)氣候因素多變，特別是在不確定的陣風(fēng)和光照條件影響下，某些成像光譜數(shù)據(jù)存在一定的畸變，在后期處理時也應(yīng)注意。

未來將通過架設(shè)觀測塔或?qū)к壍姆绞?，對較高的植被冠層進(jìn)行地面垂直觀測；在有條件的情況下，對小范圍的植被進(jìn)行長期多時相觀測，研究植被垂直結(jié)構(gòu)參數(shù)主被動協(xié)同提取的時空擴(kuò)展問題。同時，擴(kuò)大觀測地物的類型，實現(xiàn)對山地、水體、道路以及人工建筑物等覆蓋的復(fù)雜區(qū)域的多方位、多角度立體觀測。

參 考 文 獻(xiàn)

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Experimental Method for Acquiring Active-Passive Synchronous Data from Vegetation on the Ground

LUO Xin，XU Wenbo，LI Shihua

(School of Resources and Environment，University of Electronic Science and Technology of China,Chengdu 611731，China)

AbstractFor researching active-passive synergic retrievals of vegetation canopy structure parameters，a ground-based observation has been carried out on different topography and different vegetation types，in which the light detection and ranging(LiDAR)and hyperspectral data of typical vegetation are collected from different locations and angles. Meanwhile，a variety of canopy structure parameters are measured. The overall results of this experiment form a synchronous observation data set on the ground，corresponding to the flight data. The specific objectives and experimental design are introduced，including sampling plot selection，observation station setting，active-passive data acquisition，and auxiliary data measurement. The main experimental experience is also summarized，which is of important guiding significance for professional research and educational practices in the field of remote sensing.

Key wordslaser radar；imaging spectrometer;ground-based observation;vegetation structure;vegetation spectrum

收稿日期:2015-04-10；修改日期: 2015-06-25

基金項目：國家973計劃項目(2013CB733400)；中國博士后科學(xué)基金(20100471664)；中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)項目(ZYGX2013J120)；電子科技大學(xué)本科教育教學(xué)研究項目(2015XJYYB088)。

作者簡介：羅欣(1977-)，女，博士，副教授，主要從事光學(xué)遙感與應(yīng)用，圖像處理與模式識別方面的研究。

中圖分類號P237

文獻(xiàn)標(biāo)志碼A

doi:10.3969/j.issn.1672-4550.2016.02.010