星載激光雷達(dá)森林探測進(jìn)展及趨勢

龐 勇，李增元，陳博偉，梁曉軍

(中國林業(yè)科學(xué)研究院資源信息研究所,北京 100091)

0 引言

由于森林的重要性、森林資源分布的廣泛性和森林生態(tài)系統(tǒng)的復(fù)雜性，森林資源的監(jiān)測和評價需要遙感技術(shù)提供定性和定量數(shù)據(jù)。星載激光雷達(dá)兼具激光雷達(dá)垂直信息刻畫的優(yōu)勢和大范圍數(shù)據(jù)獲取的特點，在大區(qū)域尺度的森林參數(shù)定量反演方面優(yōu)勢較大，是世界各主要遙感機構(gòu)重點發(fā)展的森林探測傳感器之一。

星載激光雷達(dá)森林觀測的標(biāo)志是1996年和1997年美國國家航空航天局(NASA)在航天飛機上搭載的全波形激光雷達(dá)(SLA-1/2)進(jìn)行的對地觀測，展現(xiàn)了星載激光雷達(dá)反演植被參數(shù)的潛力[1]。其后在2003年發(fā)射了第1顆可用于植被觀測的ICESat(ice, cloud, and land elevation satellite)衛(wèi)星，該衛(wèi)星搭載了全波形激光雷達(dá)載荷——地球科學(xué)測高系統(tǒng)(GLAS)。2018年NASA又陸續(xù)發(fā)射了光子計數(shù)的ICESat-2 ATLAS衛(wèi)星和搭載在國際空間站(ISS)平臺上的GEDI(global ecosystem dynamics investigation)全波形激光雷達(dá)等。歐洲也論證過Carbon-3D，LEAF(lidar for earth and forests)等激光雷達(dá)為主載荷的衛(wèi)星概念，日本也在積極論證并實施基于ISS平臺的多波束激光雷達(dá)(MOLI)系統(tǒng)，我國正在實施的高分七號衛(wèi)星、陸地生態(tài)系統(tǒng)碳監(jiān)測衛(wèi)星等也將搭載適用于植被探測的全波形激光雷達(dá)載荷。

本文針對全波形、光子計數(shù)、成像觀測3種典型的森林探測激光雷達(dá)，從技術(shù)特點和林業(yè)應(yīng)用進(jìn)展方面進(jìn)行了總結(jié)分析。

1 全波形激光雷達(dá)

1.1 雷達(dá)簡介

全波形激光雷達(dá)是對目標(biāo)地物接收到激光發(fā)射脈沖后返回的能量進(jìn)行完整采樣記錄的系統(tǒng)。記錄的數(shù)據(jù)為激光雷達(dá)全波形數(shù)據(jù)，包括地物垂直方向上不同位置處返回的能量信息。波形的采樣間隔(即距離分辨率)取決于回波記錄的時間間隔(即時間分辨率)，反映了激光點內(nèi)物質(zhì)被感知的詳細(xì)程度。大光斑激光雷達(dá)森林回波波形如圖1所示。森林的激光回波波形指示從樹頂開始，通過樹冠、林下植被，最后是地面回波的森林垂直結(jié)構(gòu)。

圖1 大光斑激光雷達(dá)森林回波波形示意圖Fig.1 Schematic map of forest echowaveform of large footprint

激光回波波形是由發(fā)射脈沖和激光光斑內(nèi)的森林、地面共同決定的。前者包括工作波長、脈沖寬度、脈沖能量、光斑尺寸和記錄回波脈沖的時間間隔；后者包括激光光斑內(nèi)每棵樹的位置、高度、樹種、樹冠大小和形狀、冠層反射率，以及地表的反射率、坡度、坡向等參數(shù)。這些因素可通過構(gòu)建激光雷達(dá)的森林回波模型進(jìn)行刻畫。SUN等[2]將森林生長模型與激光雷達(dá)波形模擬模型相結(jié)合，模擬了多種情況下森林的激光雷達(dá)回波，并利用實際森林的機載激光雷達(dá)數(shù)據(jù)對模型進(jìn)行了驗證。龐勇等[3-4]在文獻(xiàn)[2]模型的基礎(chǔ)上進(jìn)行了改進(jìn)，使之可以模擬復(fù)雜地形條件下不同空間格局森林的回波波形，并進(jìn)一步研發(fā)了傾斜入射的激光雷達(dá)森林回波模型[5]。該模型充分考慮了激光發(fā)射脈沖的入射角和方位角，以及被觀測森林在山地情況下的坡度和方位角。模擬顯示：隨著入射角的增大，森林參數(shù)反演能力有所降低，方位角對回波波形也有一定影響。本文基于模擬結(jié)果提出了星載全波形激光雷達(dá)森林觀測的最優(yōu)光斑尺寸直徑為20～30 m，入射角度小于8°。

1.2 全波形激光雷達(dá)進(jìn)展及林業(yè)應(yīng)用

全波形激光雷達(dá)森林參數(shù)反演的出發(fā)點來自森林回波的波形數(shù)據(jù)，如圖1所示。通常需要進(jìn)行波形分解、地面和植被回波判識、波形指數(shù)計算，進(jìn)而基于波形指數(shù)建立森林參數(shù)的反演模型，進(jìn)行參數(shù)估計。

早期的星載波形激光雷達(dá)都是基于機載模擬系統(tǒng)進(jìn)行方法研究。LEFSKY[6]和HARDING[7]使用機載激光雷達(dá)SLICER(scanning lidar imager of canopics by echo recovery)數(shù)據(jù)重建了闊葉林的冠層垂直分布，與地面實測結(jié)果十分接近。DUBAYAH等[8]提出了星載植被激光雷達(dá)系統(tǒng)(VCL)計劃，該計劃利用機載實驗系統(tǒng)(LVIS)在美國、加拿大、澳大利亞等多個國家進(jìn)行了成功的實驗，驗證了星載大光斑波形激光雷達(dá)技術(shù)適用于各種典型的森林類型[9]。

2003年1月，NASA發(fā)射了第1顆全波形激光雷達(dá)衛(wèi)星ICESat，衛(wèi)星上搭載了GLAS，激光光斑直徑約為70 m，沿軌方向光斑間隔170 m。由于GLAS激光器的工作壽命遠(yuǎn)短于設(shè)計壽命，3個激光器觀測時采用了互備份、間歇式的工作方式。至2009年ICESat衛(wèi)星服役結(jié)束，獲取了覆蓋全球18個觀測周期的數(shù)據(jù)。表1為ICESat GLAS不同觀測周期獲取的數(shù)據(jù)。表中數(shù)字表示激光器的編號，該衛(wèi)星上有3個激光器，互為備份。每個激光器均采用間歇方式工作，每個觀測周期用激光編號+英文字母表示，英文字母代表傳感器的觀測任務(wù)順序。如1a表示第1個激光器的第1次觀測。

表1 ICESat GLAS觀測周期和時段

ICESat GLAS數(shù)據(jù)廣泛用于反演區(qū)域尺度的森林高度與生物量等參數(shù)[10-12]。LEFSKY等[13]利用GLAS和航天飛機雷達(dá)測圖計劃(SRTM)數(shù)據(jù)成功估計了亞馬遜和北美幾個試驗區(qū)的森林高度，進(jìn)一步研究提出了基于GLAS波形參數(shù)自身計算波形前沿上升速度和下沿下降速度對地形影響進(jìn)行校正的方案，使GLAS數(shù)據(jù)能更好地應(yīng)用于大范圍的森林參數(shù)反演，并與MODIS植被產(chǎn)品結(jié)合生產(chǎn)了第1個全球植被高度產(chǎn)品——IVP(ICESat vegetation product)。PANG等[14]基于GLAS數(shù)據(jù)生成全球植被高度產(chǎn)品，提出了使用機載激光雷達(dá)高密度點云數(shù)據(jù)的驗證方法，在美國西海岸的幾個常綠針葉林試驗區(qū)證實GLAS的樹高反演精度較高；隨后，在中國云南及甘肅試驗區(qū)又進(jìn)一步提出了使用低密度機載激光雷達(dá)數(shù)據(jù)進(jìn)行GLAS反演模型訓(xùn)練和檢驗的算法[15]。PANG等[16]在中國西南林區(qū)發(fā)現(xiàn)不同觀測周期GLAS波形長度與機載激光雷達(dá)反演的樹高的相關(guān)性不同，夏季的較高。這些發(fā)現(xiàn)暗示了不同物候可能對森林參數(shù)估計的影響。PANG等[17]注意到了這種現(xiàn)象會影響溫帶森林樹高的反演，并通過比較近似重復(fù)觀測的波形數(shù)據(jù)證實了中國東北落葉林在落葉期冠層反射明顯比夏季生長季低，進(jìn)一步開展的樹高反演也說明夏季GLAS數(shù)據(jù)的樹高反演精度較高，其他觀測周期的精度較低。邢艷秋等[18]在中國長白山地區(qū)研究了不同坡度等級下森林高度的反演能力。

BOUDREAU等[19]使用GLAS數(shù)據(jù)和機載剖面激光雷達(dá)掃描線數(shù)據(jù)對加拿大魁北克的森林進(jìn)行了生物量估計。BACCINI等[20]使用GLAS數(shù)據(jù)和MODIS數(shù)據(jù)對非洲熱帶地區(qū)進(jìn)行了森林生物量制圖。SAATCHI等[21]將GLAS數(shù)據(jù)與MODIS，QuikSCAT等數(shù)據(jù)相結(jié)合，對全球熱帶國家和地區(qū)進(jìn)行了森林生物量估測，并給出了生物量反演的不確定性分析圖。SIMARD等[22]將1個觀測周期的GLAS反演的樹高與MODIS、TRMM、降雨等數(shù)據(jù)結(jié)合，建立了1個統(tǒng)一的反演模型，從而得到每個像元尺度上樹高的估計。

TANG等[23]基于生物物理方法對GLAS波形作遞歸分析，改進(jìn)了由激光雷達(dá)計算的LAI(leaf area index)和垂直葉剖面(VFP)，并在美國加州成功運用，進(jìn)而將方法推廣至全美本土。王成等[24]計算了GLAS波形數(shù)據(jù)激光穿透指數(shù)(LPI)，基于LPI反演了LAI并通過機器學(xué)習(xí)與Landsat TM數(shù)據(jù)融合對區(qū)域LAI進(jìn)行反演，結(jié)果表明該方法適用性較好。

美國曾規(guī)劃了3波束激光雷達(dá)與合成孔徑雷達(dá)結(jié)合的DESDynI衛(wèi)星計劃，后來該衛(wèi)星計劃擱置，但其激光雷達(dá)部分演變?yōu)?波束的激光雷達(dá)載荷。搭載在ISS平臺上的GEDI全波形激光雷達(dá)，于2018年12月成功發(fā)射。GEDI是第1個多波束同時工作的對地觀測激光雷達(dá)，能提供位于南北緯51.6°之間(ISS地面軌道覆蓋的區(qū)域)的森林觀測數(shù)據(jù)，將開展森林高度、地上生物量、生物多樣性等方面的觀測[25]。日本也在規(guī)劃基于ISS平臺的MOLI系統(tǒng)[26]，MOLI采用雙臨近波束的觀測模式，并同時提供3通道的光學(xué)成像觀測。需要指出的是，GEDI和MOLI都是基于ISS平臺的運行性觀測計劃，標(biāo)志著ISS平臺從航天載荷實驗平臺過渡到運行性觀測平臺。歐洲也論證過Carbon-3D，LEAF等激光雷達(dá)為主載荷的衛(wèi)星概念，但沒有最終立項[27]。

近年來，國內(nèi)多家單位也開始進(jìn)行星載激光雷達(dá)的研究，我國計劃發(fā)射的陸地生態(tài)系統(tǒng)碳監(jiān)測衛(wèi)星及高分七號衛(wèi)星[28]，均計劃搭載全波形激光雷達(dá)系統(tǒng)，其中陸地生態(tài)系統(tǒng)碳監(jiān)測衛(wèi)星計劃搭載3波束的激光雷達(dá)和多角度光學(xué)相機，從而實現(xiàn)大范圍內(nèi)連續(xù)的森林高度和碳儲量估測。

2 光子計數(shù)激光雷達(dá)

2.1 簡介

微脈沖光子計數(shù)技術(shù)采用更加靈敏的探測手段，能實現(xiàn)單光子級別的探測。儀器發(fā)射脈沖的展寬小且發(fā)射頻率高，能充分利用光子信息獲取更高密度、更真實的數(shù)據(jù)，并可延長激光器壽命[29]。全波形激光雷達(dá)與光子計數(shù)激光雷達(dá)的林木信號對比如圖2所示[30]。全波形信號可分辨來自植被冠層、下木、地面的回波信號。使用光子計數(shù)激光雷達(dá)則意味著植被散射單元多的區(qū)域內(nèi)光子被記錄的概率更高。光子計數(shù)激光雷達(dá)和離散回波激光雷達(dá)的數(shù)據(jù)外觀具有很高的相似性，大量光子記錄外觀類似點云數(shù)據(jù)[30-31]。

圖2 全波形激光雷達(dá)與光子計數(shù)激光雷達(dá)的林木信號對比Fig.2 Comparison of full waveform lidar and photon counting lidar for forest signals

2.2 技術(shù)進(jìn)展及在林業(yè)中的應(yīng)用

光子計數(shù)激光雷達(dá)森林參數(shù)反演的出發(fā)點來自林區(qū)的光子點云數(shù)據(jù)，如圖3所示。通常需要進(jìn)行光子點云數(shù)據(jù)的噪聲濾波、地面光子識別、植被光子識別及植被光子指數(shù)計算?；诠庾又笖?shù)建立森林參數(shù)的反演模型，進(jìn)行參數(shù)估計，也可以將一定范圍內(nèi)的光子合成為波形數(shù)據(jù)，借用波形激光雷達(dá)的參數(shù)反演方法進(jìn)行參數(shù)估計。

NASA于2018年9月成功發(fā)射了光子計數(shù)激光雷達(dá)載荷的ICESat-2衛(wèi)星。ICESat-2采用非太陽同步軌道，飛行高度約500 km，可以觀測南北緯88°范圍內(nèi)的地球表面，重復(fù)周期為91 d。其搭載的ATLAS激光器在532 nm(綠)波段發(fā)射并接收激光信號，共發(fā)射6束能量不一的激光束，沿軌方向分3組平行排列，組間地面距離約3.3 km，光斑直徑約16 m。高達(dá)10 kHz的重復(fù)頻率可以得到約70 cm的沿軌采樣間隔，具體的激光配置如圖4所示。

圖3 3種不同光子計數(shù)激光雷達(dá)數(shù)據(jù)實例Fig.3 Data examples of three different photon counting lidar

圖4 ICESat-2衛(wèi)星ATLAS激光器示意圖Fig.4 ATLAS configuration onbroad ICESat-2

為了對衛(wèi)星上天后的數(shù)據(jù)質(zhì)量和工作性能進(jìn)行前期試驗和測試，NASA設(shè)計了機載模擬器對典型研究區(qū)進(jìn)行機載飛行實驗。其中比較典型的機載數(shù)據(jù)包括SIMPL(slope imaging multi-polarization photon-counting lidar)數(shù)據(jù)和MABEL(multiple altimeter beam experimental lidar)數(shù)據(jù)。另外基于MABEL數(shù)據(jù)模擬產(chǎn)生了MATLAS(mabel simulated atlas)數(shù)據(jù)，以更好地表征不同地形和地物條件下光子計數(shù)激光雷達(dá)的數(shù)據(jù)情況。

圖3為以上3種數(shù)據(jù)在不同林區(qū)的情況，分別是美國Howland林區(qū)SIMPL數(shù)據(jù)、美國弗吉尼亞州MABEL數(shù)據(jù)和美國弗吉尼亞州MATLAS數(shù)據(jù)。從圖中可看出，數(shù)據(jù)記錄沿飛行地面軌跡呈窄帶狀分布，屬于高程剖面點云[32-33]。

目前，針對剖面光子點云的去噪和濾波算法研究并不成熟。AWADALLAH等[34]將主動輪廓模型引入柵格化的點云影像中，算法通過對柵格影像進(jìn)行整體和局部像元信息的分析迭代，泛函分析使曲線能量最小化。結(jié)果表明：該方法能較好地包絡(luò)出包含植被和地形的信息點，但柵格化過程會損失部分點云信息。HERZFELD等[35]提出了一種基于頻數(shù)直方圖分析的算法，該方法在美國SERC林區(qū)對光子點云數(shù)據(jù)進(jìn)行高噪聲模擬，然后從模擬數(shù)據(jù)中分離地面點、植被點和噪聲點。ZHANG等[36]提出了一種基于改進(jìn)橢圓搜索形狀的DBSCAN密度聚類算法，對于MABEL數(shù)據(jù)和不同地形下的模擬數(shù)據(jù)取得了較好的結(jié)果。GWENZI等[37]針對稀疏植被地區(qū)采用了一種基于點云高程統(tǒng)計的密度切割方法。CHEN等[38]提出了一種基于橢圓局部離群因子的光子計數(shù)激光雷達(dá)林區(qū)信號提取自動算法，并能應(yīng)用于強噪聲復(fù)雜地形條件。

由于目前尚缺乏森林目標(biāo)的星載光子計數(shù)激光雷達(dá)數(shù)據(jù)源，有關(guān)森林參數(shù)反演的相關(guān)研究工作主要針對NASA發(fā)布的ICESat-2原型機機載實驗數(shù)據(jù)進(jìn)行。MONTESANO等[39]利用FLIGHT模型對SIMPL數(shù)據(jù)進(jìn)行模擬，并根據(jù)模擬的場景詳細(xì)探究了光子計數(shù)激光雷達(dá)數(shù)據(jù)在針葉林生物量估測方面的應(yīng)用及不確定性的度量，50 m(長度)尺度為光子計數(shù)激光雷達(dá)模型擬合的最佳水平分辨率，此時生物量間隔單位為20 mg/hm2，估測誤差為20%～50%(95%置信區(qū)間)。GWENZI等[37]利用機載實驗數(shù)據(jù)探究了光子計數(shù)激光雷達(dá)應(yīng)用于稀樹草原生態(tài)系統(tǒng)的潛力，結(jié)果表明：得出的高度指標(biāo)與離散型激光雷達(dá)計算得到的高度具有較好的相關(guān)性。GLENN等[40]分析了結(jié)合Landsat 8衛(wèi)星光學(xué)數(shù)據(jù)和ICESat-2原型機機載實驗數(shù)據(jù)協(xié)同反演樹高的潛力，參考傳統(tǒng)小光斑激光雷達(dá)數(shù)據(jù)點云特征構(gòu)造了適合于光子點云的特征變量并用于建模反演，初步展現(xiàn)了光子計數(shù)激光雷達(dá)在參數(shù)反演方面的潛力。

3 成像激光雷達(dá)

隨著激光探測器件的發(fā)展，具有一定面陣觀測能力的星載成像激光雷達(dá)也顯示出林業(yè)應(yīng)用潛力。面陣激光雷達(dá)突破了單點探測、掃面成像的限制，為獲取高分辨率連續(xù)覆蓋的植被三維信息提供了一種全新的技術(shù)手段。

2007年發(fā)布的《美國國家地球科學(xué)十年規(guī)劃》中提出了全球地形和植被三維測量的LIST(lidar surface topography)衛(wèi)星計劃，計劃使用成像激光雷達(dá)技術(shù)實現(xiàn)全球5 m空間分辨率的地形和植被三維結(jié)構(gòu)觀測，其中激光器的指標(biāo)是1 000束的激光器件，實現(xiàn)地面5 m(直徑)光斑大小的分辨率，并陸續(xù)開展了一些機載樣機研制[41-42]。KRAINAK等[41]采用Geiger模式的雪崩光電二極管測距單點模塊構(gòu)建雪崩光電二極管測距陣列的方式，實現(xiàn)了4×4陣列單元的探測器研制。RAMOND等[42]采用電子可調(diào)諧的面陣激光器(ESFL)方式，實現(xiàn)了128×128陣列單元的探測器研制，且每個單元都可接收全波形的激光雷達(dá)數(shù)據(jù)。DUONG等[43]用ESFL系統(tǒng)進(jìn)行了機載飛行實驗，研究結(jié)果表明：ESFL的全波形成像觀測數(shù)據(jù)在地形探測和植被參數(shù)估計方面與機載小光斑激光雷達(dá)的探測能力具有較好的一致性。

張秀達(dá)等[44]研制了基于高速增益-距離映射原理的雙通道面陣成像系統(tǒng)，2個通道經(jīng)過像素級匹配后，能以較快的速度對選通距離內(nèi)的目標(biāo)物體同時成像，并利用距離-時間、增益-時間的映射關(guān)系實現(xiàn)場景內(nèi)的距離細(xì)分。李丹[45]用該系統(tǒng)在我國青島進(jìn)行了森林郁閉度反演實驗，結(jié)果表明：郁閉度的估測精度為70.22%。周國清等[46]研制了基于光纖耦合的5×5陣列單元雪崩光電二極管成像激光雷達(dá)系統(tǒng)。

由于激光器能量和發(fā)射頻率的綜合限制，目前成像模式的星載激光雷達(dá)仍然處于原理樣機研究階段，尚無確定的衛(wèi)星計劃。

4 結(jié)束語

綜合國內(nèi)外森林探測激光雷達(dá)系統(tǒng)的發(fā)展可以看到，全波形激光雷達(dá)應(yīng)用于森林探測的技術(shù)較為成熟，未來面向植被探測的星載全波形激光雷達(dá)載荷發(fā)展趨勢會由單波束探測逐漸過渡到多波束探測，考慮到空間覆蓋的觀測能力，將逐步加大一定范圍內(nèi)空間側(cè)擺的能力，實現(xiàn)衛(wèi)星壽命期內(nèi)盡可能密集的空間光斑采樣。目前星載光子計數(shù)激光雷達(dá)在森林參數(shù)方面的反演和預(yù)測尚處于研究探索階段，如何從強背景噪聲中提取信號點，以及如何利用輻射傳輸模型對信號進(jìn)行模擬仿真等，需要從機理層面理解噪聲產(chǎn)生的形態(tài)及分布規(guī)律，有待深入研究。隨著ICESat-2 ATLAS數(shù)據(jù)的發(fā)布，光子計數(shù)激光雷達(dá)有望得到較快的發(fā)展。成像激光雷達(dá)是一種獲取大范圍連續(xù)森林垂直參數(shù)的有效手段，但距離衛(wèi)星發(fā)射仍有較遠(yuǎn)的距離。未來一段時間內(nèi)，激光雷達(dá)(全波形或光子計數(shù))數(shù)據(jù)提供的大范圍離散觀測數(shù)據(jù)，仍然需要與其他成像遙感數(shù)據(jù)(光學(xué)或微波)協(xié)同實現(xiàn)空間連續(xù)覆蓋的森林觀測。

作為有源、主動的遙感技術(shù)，星載激光雷達(dá)載荷對穩(wěn)定性、器件壽命要求很高。在其發(fā)展過程中，國際上的載人航天平臺發(fā)揮了很大作用(美國航天飛機的SLA-1/2，近幾年國際空間站平臺的GEDI和MOLI)，建議我國也充分發(fā)揮空間站平臺的優(yōu)勢，建設(shè)更加靈活、可靠的星載激光雷達(dá)森林探測系統(tǒng)。國外已發(fā)射的星載激光雷達(dá)多為單一載荷，這樣可以在波束數(shù)量、備份激光器方面有更大的余量，觀測時段也更加靈活，而且夜晚觀測往往能提供信噪比更高的激光回波數(shù)據(jù)。隨著我國衛(wèi)星姿控能力的提升，也可有選擇地借鑒這種模式，以獲取更多高質(zhì)量的激光雷達(dá)觀測數(shù)據(jù)。