激光雷達(dá)技術(shù)在葉面積指數(shù)提取中的研究進(jìn)展

丁銘銘 包廣道 劉婷 禹東彬 林燦 姜雪菲 翟暢

摘要 葉面積指數(shù)（LAI）是觀測植被生態(tài)的重要參數(shù)之一，快速、精準(zhǔn)獲取大尺度的LAI對發(fā)展精準(zhǔn)林業(yè)至關(guān)重要。激光雷達(dá)技術(shù)（LiDAR）能夠準(zhǔn)確探測植被空間和地形的三維結(jié)構(gòu)，特別是對植被垂直信息分布的獲取，具有傳統(tǒng)光學(xué)遙感技術(shù)無法比擬的優(yōu)勢，在森林參數(shù)的測量與反演上已經(jīng)取得了成功的應(yīng)用。介紹了激光雷達(dá)技術(shù)原理、傳統(tǒng)測量LAI的技術(shù)方法及LiDAR反演LAI的優(yōu)勢，重點(diǎn)分析了LiDAR反演LAI的關(guān)鍵技術(shù)研究和LiDAR在反演LAI應(yīng)用中的研究進(jìn)展，并對LiDAR存在的問題和未來的發(fā)展趨勢進(jìn)行了分析總結(jié)。

關(guān)鍵詞 葉面積指數(shù)；星載激光雷達(dá)；機(jī)載激光雷達(dá)；地基激光雷達(dá)；激光雷達(dá)處理技術(shù)

中圖分類號 S771.8? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A? 文章編號 0517-6611（2023）13-0001-07

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2023.13.001

Research Progress of Lidar Technology in Leaf Area Index Extraction

DING Ming-ming1，2，BAO Guang-dao2，LIU Ting2 et al

（1.Changchun University，Changchun，Jilin 130022;2.Jilin Academy of Forestry Science，Changchun，Jilin 130031）

Abstract Leaf area index （LAI） is one of the important parameters for observing vegetation ecology，how to quickly and accurately obtain large-scale LAI is crucial to the development of precision forestry. Light Detection And Ranging （LiDAR） can accurately detect the three-dimensional structure of vegetation space and terrain，especially the acquisition of vertical information distribution of vegetation， has incomparable advantages over traditional optical remote sensing technology，it has been successfully applied in the measurement and inversion of forest parameters.This paper introduces the principle of lidar technology， traditional measurement LAI techniques and advantages of LiDAR LAI inversion，the key techniques of LiDAR LAI inversion and research progress of LiDAR in LAI inversion were analyzed.Finally， the existing problems and future development trends of LiDAR are analyzed and summarized.

Key words Leaf area index；Terrestrial laser scanning；Airborne laser scanning；Spaceborne laser scanning；Lidar technology

基金項(xiàng)目 吉林省自然科學(xué)基金項(xiàng)目（YDZJ202201ZYTS446）；吉林省發(fā)改委創(chuàng)新能力建設(shè)項(xiàng)目（2021C044-9）；吉林省科技發(fā)展計劃項(xiàng)目（YDZJ202102CXJD046）；吉林省自然科學(xué)基金項(xiàng)目（202201-01315JC）；吉林省科技廳重點(diǎn)研發(fā)項(xiàng)目（20230202098NC）；吉林省科技發(fā)展計劃項(xiàng)目（20200602006ZP）。

作者簡介 丁銘銘（1998—），男，吉林四平人，碩士研究生，研究方向：森林生態(tài)。

通信作者，講師，從事森林生態(tài)研究。

收稿日期 2022-12-30；修回日期 2023-02-21

葉面積指數(shù)（leaf area index，LAI）是定量表征植物冠層結(jié)構(gòu)的重要參數(shù)，在衡量宏觀森林健康狀態(tài)、估算森林生態(tài)參量等方面具有關(guān)鍵作用［1］。研究表明，LAI對植被的光合、呼吸以及碳循環(huán)等生物物理過程存在決定影響［2］，通過LAI的異質(zhì)性差異及變化規(guī)律，能夠反映森林的生態(tài)條件，植物的生長趨勢、狀態(tài)，并以此評價森林光照、水分、土壤、植物之間能量的平衡狀況。因此，準(zhǔn)確、快速、宏觀地獲取森林LAI空間分布格局及其周期性變化態(tài)勢，對準(zhǔn)確還原森林碳水循環(huán)過程、探測擾動因子位置及程度、評估森林生態(tài)服務(wù)功能具有重大意義。

葉面積指數(shù)這一概念最早由英國作物學(xué)家Watson在20世紀(jì)40年代提出［3］，當(dāng)時被定義為“單位面積土地上單面植被光合作用的綜合”［4］。但由于只考慮了葉片平整的情況，對葉片特性描述欠缺合理性，難以體現(xiàn)葉片的結(jié)構(gòu)作用，局限性較大［5］。在此之后的近80年里，很多學(xué)者提出了新的定義，大致可以分為4種：①地表單位面積上冠層葉片垂直投影到水平面上的面積總和［6］。但這一定義忽略了植被冠層葉傾角不同的問題。②地表單位面積上冠層葉片垂直投影到水面上的最大投影面積［7］。該定義會因消光系數(shù)而使結(jié)果受影響。③單位地面面積總截面積的一半［8］。該定義只適合非平面的葉子。④地表單位面積上總?cè)~片表面積的一半［9］。該定義考慮了多個方面，可以用于各種樹種，包括針葉的不規(guī)則形狀，是目前接受度最高、應(yīng)用最廣泛的定義。值得注意的是，以上不同的定義都有其本身意義，所以使用不同的定義去計算LAI會導(dǎo)致計算結(jié)果存在著較大差異［2］，應(yīng)用者需依據(jù)研究目的選擇合適的定義。

目前，針對葉面積指數(shù)的測定方法很多［10-11］，但均受不同條件的限制。仍然沒有一項(xiàng)技術(shù)可以在無損的情況下實(shí)現(xiàn)對LAI的精準(zhǔn)測量，而激光雷達(dá)作為一種新型的主動遙感技術(shù)，不僅能夠直接、快速、精準(zhǔn)地獲取研究對象的三維結(jié)構(gòu)坐標(biāo)信息，還具備對植被的空間結(jié)構(gòu)和地形的偵測功能，尤其是對森林高度和垂直結(jié)構(gòu)的檢測能力，是傳統(tǒng)光學(xué)遙感無法比擬的［12］。因此，通過激光雷達(dá)獲取森林結(jié)構(gòu)的精確三維點(diǎn)云信息，再對點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、分析，可以有效地估測森林的垂直結(jié)構(gòu)信息以及植被的冠層信息等，既提高了葉面積指數(shù)估算的準(zhǔn)確性，也避免了葉面積指數(shù)估測中存在的飽和效應(yīng)。

該研究通過整理國內(nèi)外激光雷達(dá)技術(shù)的發(fā)展及分類、LAI的測量方法、激光雷達(dá)數(shù)據(jù)的處理方法，梳理了激光雷達(dá)技術(shù)在葉面積指數(shù)反演研究中的發(fā)展脈絡(luò)，包括現(xiàn)有的點(diǎn)云的去噪、分類技術(shù)等，并在此基礎(chǔ)上，歸納了當(dāng)前仍存在的技術(shù)問題，對未來激光雷達(dá)技術(shù)在LAI測量方面的應(yīng)用提出了展望，旨在對未來開展高精度LAI測定研究以及區(qū)域高分辨率葉面積指數(shù)產(chǎn)品生產(chǎn)提供參考。

1 激光雷達(dá)技術(shù)

激光雷達(dá)技術(shù)（light detection and ranging，LiDAR）是一種新型主動探測與測距技術(shù)。相比于傳統(tǒng)雷達(dá)，它結(jié)合了激光技術(shù)和雷達(dá)技術(shù)，具有分辨率高、易攜帶、探測能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。而且不受地面回波的影響，具有微小物體探測能力［13］。自20世紀(jì)60年代問世以來，已經(jīng)被諸多領(lǐng)域廣泛應(yīng)用［5］。直到20世紀(jì)80年代，有研究人員嘗試將LiDAR用于獲取三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)上，結(jié)果達(dá)到了傳統(tǒng)技術(shù)難以達(dá)到的高度，尤其是對目標(biāo)細(xì)節(jié)的獲取更是傳統(tǒng)技術(shù)無法比擬的［10］。此后，LiDAR也成為諸多行業(yè)的熱門研究。

1.1 激光雷達(dá)技術(shù)的原理

由圖1可知，激光雷達(dá)由激光發(fā)射器、接收器、時間計數(shù)器等組成［12］。與傳統(tǒng)的雷達(dá)發(fā)射器不同，激光雷達(dá)主要是通過激光探頭發(fā)射激光光束到被測物體表面，然后由接收器接收被測物體的反射光束，再經(jīng)過時間計數(shù)器記錄發(fā)出與接受的時間，結(jié)合方位角與俯仰角即可算出被測目標(biāo)的三維空間［14］。

激光雷達(dá)測距公式：

S=12×c×Δt（1）

式中，S為距離，c為速度，Δt為時間。

1.2 激光雷達(dá)的分類

根據(jù)激光雷達(dá)探測范圍及承載平臺的不同，可以將激光雷達(dá)分為3類：地基激光雷達(dá)（terrestrial laser scanning，TLS）、機(jī)載激光雷達(dá)（airborne laser scanning，ALS）和星載激光雷達(dá)（spaceborne laser scanning，SLS）［15］。

1.2.1 星載激光雷達(dá)。

SLS是激光雷達(dá)技術(shù)與衛(wèi)星結(jié)合的產(chǎn)物，能夠大范圍的獲取地球表面上的信息。早在2003年，美國發(fā)射了攜帶GLAS星載激光雷達(dá)的ICESat衛(wèi)星［16］。該衛(wèi)星上的GLAS是一個能夠?qū)Φ厍虼竺娣e觀測的大光斑星載激光雷達(dá)系統(tǒng)。它最早被用于監(jiān)測冰川以及雪量的變化［17］；隨后又被用于測量海面、海水、陸地表面的高程、冰塊和陸地表面的粗糙度以及云層和氣溶膠層的高度［15］。2005年，GLAS被發(fā)現(xiàn)可以應(yīng)用到林業(yè)的參數(shù)提取中，如測量植物冠層的高度［18］。Tang等［19］也提出了可以從GLAS中導(dǎo)出葉面積指數(shù)的想法，隨后有學(xué)者提出GLAS能夠利用激光脈沖的穿透性來獲取全波形數(shù)據(jù)，在對全波形數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理后，可以進(jìn)一步得到大面積的森林冠層高度、森林郁密度等信息，這使GLAS在林業(yè)上的應(yīng)用逐漸開闊。

1.2.2 機(jī)載激光雷達(dá)。

ALS是目前主流的一種主動遙感技術(shù)，它是由激光、全球定位系統(tǒng)（GPS）以及慣性導(dǎo)航系統(tǒng)（INS）組成的［20］。它不僅能夠快速、精準(zhǔn)地獲取地面上的三維信息，并且還具有穿透性，可以穿透林分冠層并獲得高精度的森林冠層以及林分內(nèi)部結(jié)構(gòu)信息。與傳統(tǒng)攝影相比，ALS不受日光條件的限制，即使在夜晚也能不停作業(yè)，因此，在20世紀(jì)末迅速發(fā)展起來，并已經(jīng)被應(yīng)用到地形考察、林業(yè)調(diào)查、道路規(guī)劃等各個領(lǐng)域［21］，進(jìn)入21世紀(jì)，在林業(yè)上的應(yīng)用也逐漸變得成熟、完整，龐勇等［22］利用機(jī)載激光雷達(dá)提取出林分的平均樹高；付甜等［23］利用機(jī)載激光雷達(dá)估測出森林生物量等。

1.2.3 地基激光雷達(dá)。

TLS技術(shù)產(chǎn)生于20世紀(jì)90年代［2］，是傳統(tǒng)雷達(dá)與現(xiàn)代激光技術(shù)結(jié)合的產(chǎn)物，通過位置、距離、角度等觀測數(shù)據(jù)直接獲取目標(biāo)表面點(diǎn)的三維坐標(biāo)［5］，使其在高精度三維冠層信息的實(shí)時獲取方面有極大的優(yōu)勢，并且可以高效地建立起被測物的三維模型。TLS起初更多地被應(yīng)用于地形的勘測、文物保護(hù)、建筑物建模等方面［24］，而在2002 年，Lefsky等［25］首次提出地基激光雷達(dá)可無破壞地獲取森林的三維結(jié)構(gòu)，尤其是垂直結(jié)構(gòu)信息，TLS在林業(yè)內(nèi)得到飛速地發(fā)展。

2 傳統(tǒng)的葉面積指數(shù)測定

近年來，隨著國際社會對全球變暖的關(guān)注度不斷提升，針對植被碳水循環(huán)模型的研究逐漸深入，作為定量刻畫植被冠層特征的關(guān)鍵指數(shù)之一，準(zhǔn)確獲取不同尺度LAI具有重要意義，使得針對LAI測定的研究逐漸增加，推進(jìn)了LAI測定的發(fā)展。由于LAI的重要性及準(zhǔn)確獲取的困難性，使如何高精準(zhǔn)地測定LAI成為研究的熱門。傳統(tǒng)的葉面積指數(shù)的測量方法大致可分為直接法與間接法［2］。

2.1 直接測量法

直接測量法是一種經(jīng)典成熟的測量LAI的方法，主要是指通過測量儀器與手動測量目標(biāo)對象部分葉片的表面積，在根據(jù)公式計算出葉面積指數(shù)。直接測量法具體分為：

①直接收獲法，該方法是直接收獲植物的葉片，并將其烘干稱重，在通過測量出葉片的表面積，最后計算得出LAI［6］。

②異速生長方程法，該方法是2003年Bréda［26］提出的，主要通過建立 LAI 與樹高、胸徑的關(guān)系，再根據(jù)葉的比葉面積來估算 LAI。

③凋落物法，在針闊混交林樣地中放收集網(wǎng)收集落葉，并稱其葉片的干重，再通過測量其表面積，計算得出LAI［27］。

④破壞性采樣法，此方法是典型的破壞性收集葉片的方法，它通過選取目標(biāo)樣地中有代表性的樹木，對其葉片進(jìn)行分層采樣、計算LAI，以代表整個樣地［20］。

直接測量的各個方法雖然有所差異，但本質(zhì)上都是完全的人工測量，過程煩瑣而且復(fù)雜，所以只適合用在單株或樣地水平上的測量。而且在測量的過程中不僅需要耗費(fèi)大量的人力物力，對植物更具有一定的破壞性，所以直接測量法更多是被用于間接方法的驗(yàn)證［28］。

2.2 間接測量法

間接測量法指的是無破壞地收集目標(biāo)數(shù)據(jù)，再根據(jù)收集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、計算，進(jìn)而推出葉面積指數(shù)的一種方法。該方法不僅可以高效、無破壞地獲取LAI，而且還能夠用于檢測不同類型森林的LAI的季節(jié)動態(tài)變化［8］。光學(xué)儀器法是目前使用最廣泛的間接測量LAI的方法，主要分為：

①半球攝影法，半球攝影法是通過數(shù)碼相機(jī)從底向上拍攝植被，對得到的圖像進(jìn)行處理、計算，得到冠層的間隙率，進(jìn)而計算LAI的一種方法。該方法的關(guān)鍵在于提取的間隙率精度，精度越高，LAI越準(zhǔn)確［28］。

②LAI-2200c植物冠層分析法，LAI-2200c通過測量冠層上下方的太陽輻射強(qiáng)度可以直接獲取冠層的間隙率信息，這種方法相比于半球攝影速度更快，但受天氣的影響較大［27］。

③TRAC冠層輻射分析儀，它通過記錄太陽光線穿過植被冠層的過程，得出冠層孔隙率以及分布，進(jìn)而計算出LAI［1］。

④HemiView 冠層分析儀，該方法與半球攝影法的原理相似，不同的是該方法可以收集彩色圖像進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，進(jìn)而得到LAI［29］。

然而，間接測量法雖然可以快速獲取LAI，但是由于天頂角、木質(zhì)部、聚集指數(shù)等因素的影響［30］，導(dǎo)致測量結(jié)果會產(chǎn)生一定的誤差，如羅光浪等［20］采用半球攝影與LAI-2200c對不同林齡的馬尾松人工林估測LAI，結(jié)果顯示半球攝影法測定的LAI平均低估50%，LAI-2200測定值低估41%，所以間接測量結(jié)果不能被定義為實(shí)際值，而是有效值［31］。

傳統(tǒng)測量方法固然有很多，但卻始終無法滿足LAI測定的需求，而激光雷達(dá)的出現(xiàn)使LAI的測量有了新的方向。激光雷達(dá)技術(shù)作為一種主動的遙感技術(shù)，也屬于間接測量法中的一種，它通過獲取植被的精準(zhǔn)三維信息，可以有效地評估樹冠特征、植被的垂直結(jié)構(gòu)信息，不僅提高了葉面積指數(shù)估算的準(zhǔn)確性，也避免了葉面積指數(shù)較高樹冠的飽和效應(yīng)。

3 激光雷達(dá)反演葉面積指數(shù)的關(guān)鍵技術(shù)

在使用激光雷達(dá)收集數(shù)據(jù)時，特別是在野外的天然林，森林中有很多的昆蟲、鳥類和其他非目標(biāo)物也會被收集，同時林中的地形不一也會影響最終結(jié)果。因此，有必要對采集的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，以獲得高精度的模型。在激光雷達(dá)的發(fā)展進(jìn)程中，點(diǎn)云數(shù)據(jù)的處理方法不斷更新和改進(jìn)，旨在更快、更準(zhǔn)確地提取森林參數(shù)。其中最為關(guān)鍵的就是點(diǎn)云的配準(zhǔn)、去噪以及分類技術(shù)。

3.1 點(diǎn)云的配準(zhǔn)

在激光雷達(dá)掃描樣地的過程中，由于植被之間相互遮擋以及掃描儀器掃描范圍的限制，會造成掃描信息的缺失。因此，為了獲得完整的目標(biāo)樣地，需要從不同的角度對樣地進(jìn)行多次掃描，然后將多次掃描的數(shù)據(jù)進(jìn)行組合，形成完整的目標(biāo)樣地，該過程就被稱作配準(zhǔn)（圖2）。點(diǎn)云的配準(zhǔn)尤為關(guān)鍵，匹配不準(zhǔn)確會直接影響最終的結(jié)果。Besl等［32］在1992年首次提出了一種高層次的基于自由形態(tài)曲面的配準(zhǔn)方法，即迭代最近點(diǎn)法（iterativeclosestpoint，ICP），它是一種精確配準(zhǔn)算法。該算法的配準(zhǔn)精度和運(yùn)行速度取決于點(diǎn)云的初始位姿和數(shù)量大小，在初始位姿相近且點(diǎn)數(shù)數(shù)量少時，ICP的算法就越精準(zhǔn)和快速，反之，則計算時間較長。隨后又有一些學(xué)者在此基礎(chǔ)上相繼提出了EM-ICP算法［33］、基于特征點(diǎn)的ICP算法［34］、基于主成分分析法的ICP算法等［35］，使ICP算法不斷發(fā)展與優(yōu)化，但配準(zhǔn)速率與精度仍有不足。直到2020年，楊玉澤等［36］提出了基于特征直方圖的初始配準(zhǔn)與正態(tài)分布變換（normal distributions transform，NDT）精確配準(zhǔn)相結(jié)合的配準(zhǔn)方法，并與ICP、NDT、FPFH-ICP做比較，結(jié)果顯示FPFH-ICP精確度最高，NDT算法運(yùn)行速度最快，F(xiàn)PFH-NDT綜合情況最優(yōu)。

3.2 點(diǎn)云的去噪

在使用激光雷達(dá)對目標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集的過程中，由于環(huán)境和自身的影響，如激光雷達(dá)掃描儀的聲音、天空中突然飛過來的鳥、森林中昆蟲的叫聲等因素，都會成為掃描過程中不可控的噪聲點(diǎn)，噪聲點(diǎn)一般為孤立點(diǎn)，通常會明顯高于地面或者物體。這些噪聲點(diǎn)的存在會極大地影響試驗(yàn)的結(jié)果，因此為了保證后續(xù)三維點(diǎn)云的建模，需要對這些不應(yīng)該存在的噪聲點(diǎn)進(jìn)行處理。這個過程也稱為點(diǎn)云去噪或點(diǎn)云濾波（圖3）。

學(xué)者提出了不同的點(diǎn)云去噪方法，以便能夠更好地處理點(diǎn)云數(shù)據(jù)。有研究者提出了中值濾波的去噪算法，該方法是通過影像的處理技術(shù)來實(shí)現(xiàn)點(diǎn)云的去噪，但只適用于有序點(diǎn)云的去噪，并且在去噪的同時，對點(diǎn)云的有用信息也會造成丟失。此后，越來越多的學(xué)者進(jìn)行了試驗(yàn)，但點(diǎn)云噪聲點(diǎn)的自動識別和完全去除還沒有取得很大的進(jìn)展，肖國新等［37］提出了一種自適應(yīng)雙邊濾波點(diǎn)云去噪算法，該方法不僅能保留更多的細(xì)節(jié)特征，處理噪聲點(diǎn)也更加精準(zhǔn)，此后，去噪技術(shù)迅速發(fā)展。2012年，駱社周［38］提出數(shù)學(xué)形態(tài)濾波算法；2018年，Han等［39］提出了導(dǎo)向?yàn)V波算法；2019年，李宏宇［40］又提出了二次導(dǎo)向?yàn)V波算法。點(diǎn)云的去噪方法已經(jīng)逐漸發(fā)展成熟，無論是去噪的精度還是速率都得到了質(zhì)的飛躍。

3.3 點(diǎn)云的分類技術(shù)

為了在復(fù)雜點(diǎn)云中提取目標(biāo)物體，實(shí)現(xiàn)對樹木不同器官的區(qū)分，點(diǎn)云分類是點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理中必不可少的環(huán)節(jié)，也是點(diǎn)云后期建模、提取等的重要階段。點(diǎn)云處理技術(shù)發(fā)展至今，分類的方法有很多，基本可分為兩大類，機(jī)器學(xué)習(xí)法和深度學(xué)習(xí)法。

3.3.1 機(jī)器學(xué)習(xí)法。

機(jī)器學(xué)習(xí)法分為非監(jiān)督分類法和監(jiān)督分類法。其中非監(jiān)督分類法不需要訓(xùn)練樣本，計算速度快、精度低，而監(jiān)督分類法可通過反復(fù)的檢驗(yàn)訓(xùn)練樣本，避免一定程度上的錯誤，從而提高精度，被廣泛應(yīng)用。李海亭等［41］采用支持向量機(jī)和人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)2種方法對行道樹點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行提取，點(diǎn)云分類結(jié)果顯示行道樹提取精度達(dá)到99.75%和99.25%。2020年，胡海瑛等［42］針對點(diǎn)云分類法在復(fù)雜場景下分類精度低的問題，提出了多基元特征向量融合的點(diǎn)云分類方法，并與支持向量機(jī)和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行對比，結(jié)果顯示該方法獲取的分類效果精度高于另外兩種。

3.3.2 深度學(xué)習(xí)法。

深度學(xué)習(xí)法對大數(shù)據(jù)的處理上具有高效、精準(zhǔn)的優(yōu)勢，已經(jīng)成為點(diǎn)云數(shù)據(jù)分類研究的主導(dǎo)方法。2015年，Su等［43］首次提出了多視圖卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（MVCNN）的分類方法，F(xiàn)eng等［44］在此基礎(chǔ)上提出了組視圖卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（GVCNN），該方法可以在分層的視圖中發(fā)現(xiàn)更重要的信息，使分類效果顯著增強(qiáng)。2019年，趙傳等［45］針對現(xiàn)有點(diǎn)云分類方法的缺點(diǎn)提出了遷移學(xué)習(xí)法。該方法實(shí)施起來簡單、快捷，且在分類精度提高的同時，降低了訓(xùn)練時間，使分類技術(shù)再次得到了提升。

4 激光雷達(dá)技術(shù)在葉面積指數(shù)上的應(yīng)用

LAI在森林生態(tài)中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用，但這一數(shù)據(jù)卻始終難以獲取。原因是森林中各種植被、動物、昆蟲等聚集在一起，植物葉片有卷曲不平、相互遮蓋的現(xiàn)象，導(dǎo)致LAI的測量極其困難。傳統(tǒng)的測量方法不僅測定周期長、測量數(shù)值不夠精準(zhǔn)，而且測量范圍極其有限，只能在單株或者區(qū)域水平上進(jìn)行。而激光雷達(dá)的出現(xiàn)使這一難題得到了解決，激光雷達(dá)憑借自身具有穿透性以及能夠精準(zhǔn)地探測出被測物的三維結(jié)構(gòu)信息而在這一領(lǐng)域迅速出圈，得到了快速地發(fā)展。目前，利用不同的激光雷達(dá)儀器來獲取不同尺度上的LAI已經(jīng)取得了一定的進(jìn)展。

4.1 星載激光雷達(dá)（SLS）

SLS又叫大光斑激光雷達(dá)，能夠大面積獲取被測物的信息數(shù)據(jù)。目前，LAI的估算由于技術(shù)的缺乏以及設(shè)備的限制，導(dǎo)致測量范圍受到很大限制，僅能夠在單株或林分水平上進(jìn)行LAI的測量，而星載激光雷達(dá)的出現(xiàn)，恰好滿足了大尺度LAI的反演要求。其原理是根據(jù)衛(wèi)星原始波形確定信號的起止點(diǎn)，利用坡度自適應(yīng)法模擬地面回波，再基于高度閾值將地面回波與冠層回波分離，最后通過計算冠層的間隙分?jǐn)?shù)來推出LAI［2］，如式（2）所示：

LAI=-1kln（I/I0）（2）

式中，I為冠層下邊的光強(qiáng)，I0為冠層上邊的光強(qiáng)，k為消光系數(shù)，I/I0為冠層間隙率。

2014年，Tang等［19］開發(fā)了一種基于物理的方法來探測LAI，此次研究證明了星載GLAS可以大范圍地提取LAI，還發(fā)現(xiàn)了在提取LAI過程中容易出現(xiàn)飽和效應(yīng)以及影響葉面積指數(shù)的其他因素，為后續(xù)大范圍估算LAI提供了基礎(chǔ)。2015年，駱社周等［46］總結(jié)了大量研究者的經(jīng)驗(yàn)，首次提出利用星載GLAS聯(lián)合光學(xué)遙感反演LAI。他利用星載激光雷達(dá)能夠高精度地獲取植物的三維結(jié)構(gòu)信息以及光學(xué)遙感高精確的LAI反演優(yōu)點(diǎn)，探索出了高精度大尺度反演LAI的新思路以及新方法?；诖罅繉W(xué)者的研究，星載GLAS數(shù)據(jù)已經(jīng)被作為估算LAI的有效數(shù)據(jù)源，但是估算受地形的影響卻一直存在。2020年，汪垚等［16］針對這一影響提出了坡度自適應(yīng)方法，以此減少地形對SLS估算LAI的影響。此研究證明了該方法可以有效提高LAI的精度，但仍受地形坡度的限制，并且使用SLS測定LAI的數(shù)據(jù)離散、值高飽和，缺乏時空連續(xù)LAI產(chǎn)品。但SLS仍是目前能夠大范圍精確測量LAI的有效工具，所以未來需對使用SLS測量LAI的算法加以研究改進(jìn)，以提高LAI的準(zhǔn)確性。

4.2 機(jī)載激光雷達(dá)（ALS）

ALS是目前被應(yīng)用到葉面積指數(shù)反演最多的一項(xiàng)主動技術(shù)。機(jī)載激光雷達(dá)又稱小光斑激光雷達(dá)，與星載激光雷達(dá)不同的是，它能夠忽視地形，更加準(zhǔn)確地收集目標(biāo)數(shù)據(jù)，并且能夠穿過冠層，獲得更精準(zhǔn)地目標(biāo)三維結(jié)構(gòu)，雖然范圍相比有所限制，但是能夠更加準(zhǔn)確地反演出LAI（圖4）。機(jī)載激光雷達(dá)通過發(fā)射激光掃描植被信息，在穿過冠層時，一部分激光能量反射回來，另一部分激光能量會通過冠層間隙直至地面，進(jìn)而計算出間隙率［47］，從而推算出LAI。其中間隙率是由比爾朗伯定律表示的：

P（θ）=e-G（θ）·LAI/cosθ（3）

式中，P（θ）為天頂角θ的冠層間隙率，G（θ）為單位植物面積投影到垂直于角度θ方向。

2016年，劉婷等［48］嘗試機(jī)載激光雷達(dá)應(yīng)用于農(nóng)業(yè)上的LAI測定，以玉米為研究對象，成功研究出了適用于中等高度的農(nóng)作物的LAI反演的方法，并將結(jié)果與實(shí)際值做對比，誤差均小于10%。2021年，Song等［49］使用機(jī)載激光雷達(dá)成功精準(zhǔn)地測定出溫帶混交林的LAI，并且精度達(dá)到了傳統(tǒng)間接法難以達(dá)到的高度。機(jī)載激光雷達(dá)發(fā)展至今，大量的研究都表明了它在LAI反演中的實(shí)用性與準(zhǔn)確性，不過目前的反演方法與技術(shù)還存在諸多的爭議，例如，很多研究者發(fā)現(xiàn)在使用機(jī)載激光雷達(dá)反演LAI時，冠層以下的結(jié)構(gòu)信息會獲取不全，并且結(jié)果的精度也會受飛行的高度、掃描的范圍、角度的影響［47］。而且不同的林分、農(nóng)作物等LAI的反演方法也有所不同，目前機(jī)載激光雷達(dá)反演葉面積指數(shù)的方法包括2種，一種是經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ头囱莘?，一種方法是基于比爾朗博定律物理模型法［30］，后者是在經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ头囱莸幕A(chǔ)上實(shí)現(xiàn)的，它不僅彌補(bǔ)了經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ头ǖ谋锥耍€被挖掘出了巨大的潛力，所以該方法也被廣泛應(yīng)用，但需要注意的是，不同的林分仍然不可以通用該方法［23］。

4.3 地基激光雷達(dá)（TLS）

TLS近年才開始應(yīng)用到LAI的反演當(dāng)中，相比星載激光雷達(dá)、機(jī)載激光雷達(dá)，地基激光雷達(dá)最適用于LAI的反演，原因在于它能夠準(zhǔn)確探測林分的三維結(jié)構(gòu)以及垂直結(jié)構(gòu)，尤其是在森林的垂直結(jié)構(gòu)的探測上具有巨大的優(yōu)勢［25］，機(jī)載雖然也能穿過樹冠探測到垂直結(jié)構(gòu)，但遇到樹干、聚集葉片等遮擋，垂直結(jié)構(gòu)仍有缺失，地基激光雷達(dá)則在很大程度上避免了該問題（圖5）。TLS中最常用是手持激光雷達(dá)和背包激光雷達(dá)，兩者不同于其他TLS，如在采20 m×20 m的數(shù)據(jù)時，單人5～10 min就能夠完成，并且無須后續(xù)拼接就能形成完整的地塊［50］，是其他TLS無可比擬的。利用TLS提取LAI是根據(jù)計算激光束與植被冠層的接觸頻率，公式為：

N（s）=n1（s）/na（s）（4）

式中，N（s）為第s層激光的接觸頻率，n1為第s層的激光點(diǎn)的網(wǎng)格數(shù)量，na為第s層的三維網(wǎng)格數(shù)量。然后再根據(jù)第s層的接觸頻率計算該層的LAI：

L（s）=α（θ）×N（s）（5）

式中，α（θ）為葉片傾斜度校正因子，一般為1.1。最后將所有層的LAI進(jìn)行累加，即得到區(qū)域內(nèi)的LAI：

LAI=ss=1L（s）=1.1×ss=1n1（s）na（s）（6）

自2002年Lefsky等［25］首次發(fā)現(xiàn)了地基激光雷達(dá)在LAI反演中具有巨大優(yōu)勢以來，大量的學(xué)者也投入到了地基激光雷達(dá)反演LAI的研究當(dāng)中，截至目前，地基激光雷達(dá)在LAI的測定中也有了一定的研究成果，同時在研究過程中也發(fā)現(xiàn)了諸多問題。巴比爾江·迪力夏提等［9］使用地基激光雷達(dá)測定胡楊的LAI，研究證明地基激光雷達(dá)能夠?qū)崿F(xiàn)快速獲取植被的三維以及垂直結(jié)構(gòu)信息，但由于葉片間的相互遮擋，獲取的點(diǎn)云信息仍會出現(xiàn)缺失；2021年，黃蘭鷹等［5］利用地基激光雷達(dá)對毛竹林LAI進(jìn)行提取，并且評估了噪音與體元大小對LAI的影響，試驗(yàn)最終表明，有效的去噪以及合適的體素大小會提高LAI的精度；楊玉澤［36］利用地基激光雷達(dá)對常綠樹種的LAI進(jìn)行反演，并使用不同的算法來計算LAI，結(jié)果發(fā)現(xiàn)不同的算法得到LAI不盡相同，因此，不同樹種選擇合適的算法來計算LAI更加準(zhǔn)確。地基激光雷達(dá)在LAI的反演中雖然存在很多問題，但對目標(biāo)物的數(shù)據(jù)采集卻是現(xiàn)代技術(shù)的前沿，隨著研究的推進(jìn)，后期點(diǎn)云數(shù)據(jù)的一些處理問題將得以有效解決，未來TLS將會被更加廣泛地應(yīng)用于LAI的反演。

5 存在問題

激光雷達(dá)技術(shù)已經(jīng)越來越成熟，尤其是在LAI反演的應(yīng)用上，學(xué)者們早以不再局限于傳統(tǒng)的方法，而是進(jìn)入了三維時代，激光雷達(dá)技術(shù)不僅能夠滿足LAI指數(shù)提取的需要，而且相比于傳統(tǒng)測量，完全不需要特定的時間以及特定的天氣就能夠收集大量精準(zhǔn)的森林三維數(shù)據(jù)。但在激光雷達(dá)技術(shù)的處理上，目前仍存在很多難點(diǎn)。例如，大量的研究［9，23-24，38］發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)在的技術(shù)仍不能滿足激光雷達(dá)收集的點(diǎn)云數(shù)據(jù)后期的處理，并且，在LAI反演中的葉傾角、聚集指數(shù)以及體素大小等影響因素也難以徹底解決，雖然激光雷達(dá)技術(shù)是目前最先進(jìn)的探測技術(shù)，但在LAI的反演中受木質(zhì)部及葉片間相互遮擋的影響仍會出點(diǎn)云丟失的現(xiàn)象。

5.1 點(diǎn)云的分類體系有待完善

目前的點(diǎn)云分類技術(shù)有很多種方法，但大都是種類間的區(qū)分（表1），植物、街道、建筑物的區(qū)分，更細(xì)化也只能達(dá)到植物中低矮植物與高等植被的區(qū)分，而對于需要更加細(xì)化的分類卻難以達(dá)到，如木質(zhì)部與葉片的區(qū)分、不同樹種的區(qū)分等。

5.2 點(diǎn)云的去噪精度有待提高

點(diǎn)云的去噪方法在不斷更新、優(yōu)化，去噪的效果也更加精細(xì)化，但值得注意的是目前仍然沒有一個完整而統(tǒng)一的去噪體系可以應(yīng)用于各種林型。

5.3 自動化木質(zhì)部的提取技術(shù)有待研發(fā)

如今的木質(zhì)部的提取都建立在單木的基礎(chǔ)上，對于細(xì)枝的處理仍不完全，尤其是針葉樹種，更是無法準(zhǔn)確地提取出一棵樹的完整木質(zhì)部。而對于區(qū)域植被木質(zhì)部的提取更加不準(zhǔn)確，并且只能提取出有缺失的樹干。

5.4 區(qū)域森林參數(shù)的提取精度有待提升

在區(qū)域水平上，利用一些點(diǎn)云處理軟件在對點(diǎn)云進(jìn)行預(yù)處理以后，針對大范圍的樹木參數(shù)的提取結(jié)果誤差仍然與實(shí)際差值較大，不能夠應(yīng)用到實(shí)際。

6 激光雷達(dá)技術(shù)在LAI測量中的展望

6.1 促進(jìn)多平臺LiDAR數(shù)據(jù)整合優(yōu)化

受不同LiDAR平臺獲取信息角度及激光傳統(tǒng)能力的限制，無論是使用SLS、ALS還是TLS，對目標(biāo)物的掃描信息都有丟失的現(xiàn)象發(fā)生。對此通過整合地基與機(jī)載激光雷達(dá)的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，并打通SLS與其他2種平臺的尺度壁壘，能夠使目標(biāo)的三維結(jié)構(gòu)信息得到有效互補(bǔ)，取得針對森林冠層的多尺度、高精度空間細(xì)節(jié)特征，這種SLS、TLS、ALS的結(jié)合將會給未來森林LAI的獲取帶來新的思維模式。

6.2 探索光譜特征與雷達(dá)點(diǎn)云數(shù)據(jù)融合

與其他地物不同，植被的生長所依賴的光合作用導(dǎo)致植被葉片具有獨(dú)特的光譜特征，并且在光學(xué)遙感領(lǐng)域得到了深度的應(yīng)用，但目前針對LiDAR點(diǎn)云的研究多集中在三維空間內(nèi)的位置信息的整合與提取。隨著攜帶RGB相機(jī)的新型激光雷達(dá)出現(xiàn)［10］，空間點(diǎn)云已經(jīng)能夠攜帶XYZ以外的少量光譜特征，研發(fā)融合空間和光譜特征的點(diǎn)云分類技術(shù)，獲取更為精細(xì)的樹木各類型器官的空間信息，將對林學(xué)和生態(tài)方向的科學(xué)研究產(chǎn)生重要影響。

6.3 建立LiDAR在林業(yè)領(lǐng)域標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)

目前LiDAR技術(shù)在國內(nèi)尚處于新興階段，雖然已經(jīng)涌現(xiàn)了諸多應(yīng)用的成功案例［12］，但距產(chǎn)生行業(yè)影響仍有巨大差距。其原因除LiDAR設(shè)備成本較高外，規(guī)范化的作業(yè)流程和完善的技術(shù)細(xì)節(jié)要求缺失均影響著LiDAR的大規(guī)模應(yīng)用，未來隨著LiDAR設(shè)備普及程度提高，林業(yè)工作中豐富的應(yīng)用場景和長周期標(biāo)準(zhǔn)化的數(shù)據(jù)需求，勢必會推動相關(guān)技術(shù)規(guī)范和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的出臺，并繼續(xù)推動LiDAR技術(shù)在林業(yè)行業(yè)中的深入發(fā)展。

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