國產(chǎn)星載激光雷達(dá)全鏈路森林回波仿真及森林結(jié)構(gòu)參數(shù)反演研究

蔡龍濤

桂林電子科技大學(xué)電子工程與自動化學(xué)院,廣西 桂林 541214

全波形星載激光雷達(dá)測距作為主動遙感技術(shù),在估測森林結(jié)構(gòu)參數(shù)方面具有其他森林資源調(diào)查方法無可比擬的優(yōu)越性。如ICESat激光測高衛(wèi)星在森林類型識別、樹高估測和地上森林生物量估測等方面都取得了一定成果。為進(jìn)一步提高森林結(jié)構(gòu)參數(shù)估測精度,對全國乃至全球碳儲量進(jìn)行高精度估測,我國發(fā)射了一顆全波形星載激光雷達(dá)測高衛(wèi)星,該衛(wèi)星的投入和使用將為全國甚至全球森林資源動態(tài)監(jiān)測提供一種新的數(shù)據(jù)和技術(shù)支撐。

為定量探究國產(chǎn)星載激光雷達(dá)回波波形在森林結(jié)構(gòu)參數(shù)估測方面的應(yīng)用潛力。首先,需建立全鏈路回波仿真系統(tǒng),并選用應(yīng)用較為成熟的回波波形數(shù)據(jù)對該系統(tǒng)的有效性進(jìn)行驗證;然后,利用該仿真系統(tǒng),結(jié)合國產(chǎn)星載激光雷達(dá)載荷參數(shù)與實地調(diào)查數(shù)據(jù),對國產(chǎn)星載激光雷達(dá)回波波形進(jìn)行模擬仿真;最后,基于國產(chǎn)星載激光雷達(dá)仿真波形分別對森林類型、森林最大冠層高和地上森林生物量進(jìn)行識別和估測研究。主要研究內(nèi)容如下。

(1) 為構(gòu)建光斑內(nèi)地面信息三維模型,結(jié)合有限元原理,聯(lián)合林地地形無規(guī)律起伏及不同單木冠幅結(jié)構(gòu)特征,分別建立了隨機(jī)地形和單木三維仿真模型,完成了林分內(nèi)實際地形的高精度三維建模。考慮星載激光雷達(dá)激光脈沖受大氣散射、吸收和折射影響,加入了激光脈沖輻射傳輸模型,實現(xiàn)了星載激光雷達(dá)回波波形高精度模擬仿真。

(2) 為驗證論文所建全鏈路回波仿真系統(tǒng)的有效性,選用應(yīng)用較為成熟的GLAS波形數(shù)據(jù)作為驗證數(shù)據(jù),與GLAS仿真波形進(jìn)行相關(guān)性分析。研究結(jié)果顯示:GLAS發(fā)射波仿真波形與實測發(fā)射波波形皮爾遜相關(guān)性系數(shù)均值為0.96;GLAS回波仿真波形與實測回波波形皮爾遜相關(guān)性系數(shù)最大值為0.95,平均值為0.77。

(3) 為提高國產(chǎn)星載激光雷達(dá)回波波形在森林類型識別方面的精度,結(jié)合回波仿真原理與林分冠層特征對國產(chǎn)星載激光雷達(dá)回波波形進(jìn)行了理論分析,論文提出了與森林類型相關(guān)的波形特征參數(shù)R_cafit1-47、K1-47,并與其他森林類型相關(guān)的波形特征參數(shù)AGS、SGS聯(lián)合,得到針葉林和闊葉林森林類型總體識別精度為96.43%,針葉林、闊葉林和混交林森林類型總體識別精度為81.08%。

(4) 為提高森林最大樹高估測精度,論文基于森林冠層結(jié)構(gòu)特征,對激光雷達(dá)回波波形進(jìn)行分析,提取與森林冠層高相關(guān)的波形特征參數(shù)并建立多種最樹高估測模型。研究結(jié)果顯示:W1、TS參數(shù)組合森林最大樹高建模精度最高,0～10°、0～20°和0～30°條件下估測精度Adj.R2分別為0.88、0.83和0.73,RMSE分別為1.04、1.76和1.62 m。針葉林、闊葉林和混交林樹高估測精度Adj.R2分別為0.79,0.83和0.80,RMSE分別為1.60、1.07和0.92 m。

(5) 為提高地上森林生物量估測精度,論文結(jié)合林分冠層結(jié)構(gòu)特征對國產(chǎn)星載激光雷達(dá)回波波形進(jìn)行分析,提取與地上森林生物量相關(guān)的冠層回波能量值參數(shù)E,并利用該參數(shù)建立地上森林生物量線性估測模型。研究結(jié)果顯示:0～10°、0～20°和0～30°坡度下地上森林生物量估測精度Adj.R2分別為0.94、0.92和0.91,RMSE分別為9.53、11.50和13.66 t/hm2;針葉林、闊葉林和混交林估測精度Adj.R2分別為0.92、0.96和0.93,RMSE分別為11.26、5.8和13.61 t/hm2。