國產星載激光雷達全鏈路森林回波仿真及森林結構參數反演研究

蔡龍濤

桂林電子科技大學電子工程與自動化學院,廣西 桂林 541214

全波形星載激光雷達測距作為主動遙感技術,在估測森林結構參數方面具有其他森林資源調查方法無可比擬的優越性。如ICESat激光測高衛星在森林類型識別、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。為進一步提高森林結構參數估測精度,對全國乃至全球碳儲量進行高精度估測,我國發射了一顆全波形星載激光雷達測高衛星,該衛星的投入和使用將為全國甚至全球森林資源動態監測提供一種新的數據和技術支撐。

為定量探究國產星載激光雷達回波波形在森林結構參數估測方面的應用潛力。首先,需建立全鏈路回波仿真系統,并選用應用較為成熟的回波波形數據對該系統的有效性進行驗證;然后,利用該仿真系統,結合國產星載激光雷達載荷參數與實地調查數據,對國產星載激光雷達回波波形進行模擬仿真;最后,基于國產星載激光雷達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行識別和估測研究。主要研究內容如下。

(1) 為構建光斑內地面信息三維模型,結合有限元原理,聯合林地地形無規律起伏及不同單木冠幅結構特征,分別建立了隨機地形和單木三維仿真模型,完成了林分內實際地形的高精度三維建模?？紤]星載激光雷達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,實現了星載激光雷達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的有效性,選用應用較為成熟的GLAS波形數據作為驗證數據,與GLAS仿真波形進行相關性分析。研究結果顯示:GLAS發射波仿真波形與實測發射波波形皮爾遜相關性系數均值為0.96;GLAS回波仿真波形與實測回波波形皮爾遜相關性系數最大值為0.95,平均值為0.77。

(3) 為提高國產星載激光雷達回波波形在森林類型識別方面的精度,結合回波仿真原理與林分冠層特征對國產星載激光雷達回波波形進行了理論分析,論文提出了與森林類型相關的波形特征參數R_cafit1-47、K1-47,并與其他森林類型相關的波形特征參數AGS、SGS聯合,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構特征,對激光雷達回波波形進行分析,提取與森林冠層高相關的波形特征參數并建立多種最樹高估測模型。研究結果顯示:W1、TS參數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,論文結合林分冠層結構特征對國產星載激光雷達回波波形進行分析,提取與地上森林生物量相關的冠層回波能量值參數E,并利用該參數建立地上森林生物量線性估測模型。研究結果顯示: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。