基于机载激光雷达数据的风景林参数提取方法

文献综述

1. 研究目的和意义

森林是陆地生态系统的主体，它具有净化空气、改善林区小气候、保持水土、观赏游憩和碳汇等功能。保护和经营管理具有一定景观质量和游憩功能的森林是当前林业发展的重要内容。20世纪80年代后期，人类对森林的认识发生了重大改变，森林的另一价值——游憩价值逐渐受到重视，随后产生了森林游憩业。伴随着森林游憩业的发展，森林景观作为重要的自然风景资源日益受到人类的重视。作为森林景观的主体——风景林，是森林公园、风景区的基础，它与名胜古迹融为一体，或通过陪衬、背景作用使风景增辉，在森林公园、风景区中有着不可替代的作用。对于风景林的研究已经引起了林学、景观生态学、园林美学、心理学等相关学科专家的高度关注。

遥感作为一门新兴的应用科学，已经在许多行业发挥了重要的作用，在林业领域也不例外。激光雷达(light detection and ranging, LiDAR)作为主动遥感技术可以有效穿透森林，在获取森林垂直结构参数方面有着其他光学遥感无法比拟的优势。其优势在于可以实现对目标地物的实时获取，使传统的人工单点数据获取变为连续自动数据获取，尤其在对地物的的高度探测上有着其他遥感手段无法比拟的优势，能够很好地提取地表信息和重建地表地物的三维场景。很多研究已经表明，机载激光雷达技术（Airborn Laser Scanning,ALS）的出现使得提取高精度森林树高成为可能，同时它还能够提供森林冠层上表面的水平分布和垂直结构信息等。

随着城市建设不断地发展，对于风景林参数的提取和研究与植物配置、生态问题及城市景观打造等方面有着不可分割的紧密联系。论文以紫金山国家森林公园为研究研究对象，利用LiDAR技术准确获取森林的三维结构信息，再结合地面调查数据为主要信息来源，在提取数字三维模型、数字高程模型基础上，建立激光点云特征参数与风景林胸径、树高、蓄积量的多元线性回归、支持向量机、最邻近算法、随机森林等多种经验模型，在精度验证基础上，进行风景林主要森林参数的反演和空间分析。进一步研究机载激光雷达在风景林参数提取中的应用，发挥该技术在风景林参数提取中的优势。

1. 国内外研究现状

1、国内研究现状

国外激光雷达技术用于提取森林参数的研究始于80年代中期^[1]，国内对于该技术的研究则起步较晚，于21世纪初才逐渐发展起来。国内研究中，曹林、佘光辉等人认为激光雷达技术获取的三维信息与蓄积量和生物量等植被生物物理参数有很高的相关性，有较好前景。重点分析了单木和林分两个级别的机载小光斑激光雷达系统的森林生物量获取方法及未来多源遥感数据集成及激光雷达硬件革新技术的发展趋势^[2]。

激光雷达对森林高度的探测能力，具有其他遥感数据无法比拟的优势，在反演森林参数的研究中以及激光雷达技术在林业方面的应用方面有较好的前景，虽然有数据有限等弊端，但我国在这方面已经取得了一些发展，有望突破^[3]。刘清旺、李增元等人使用重庆铁山坪林场的9个外业样地数据，验证了基于激光雷达技术提出的一种针对单木树冠特征的双正切角树冠识别算法^[4]。黄麟、张晓丽介绍了三维成像激光雷达技术的背景、发展情况及其在林业中的应用，分析了激光雷达直接测量、建模或推断及多源融合获取森林结构特征参数的方法^[5]。庞勇、赵峰、李增元等以山东省泰安市徂徕山林场为实验区，于2005年进行了机载激光雷达数据获取和外业测量。基于高程归一化的植被点云子集计算了上四分位数处的高度，与实际测量数据进行对比，结果表明试验精度较高，可以满足森林调查的需求^[6]。在另一文中详细分析了LiDAR技术定量提取树高、林分郁闭度和密度、蓄积量和生物量等森林参数的技术方法与研究进展^[7]。就我国目前的发展现状可以看出激光雷达技术在直接获取地面三维数据比传统测量方法具有高精度、高密度、高效率和低成本的优点^[3]。

高密度激光雷达数据可以得到较高精度的森林参数空间分布图，对于森林可持续经营管理以及林相图的更新等具有重要意义^[8]。冯思亮、王志刚等人提出机载激光雷达技术无法分析载机平台运动变化或雷达参数变化对整个SAR系统的影响，并针对这一点提出了二维SAR回波数据模拟的方法，给出了模拟实验结果，证明可行。并给出了这种回波数据模拟的一个应用，既通过点目标模型观察载机加速度误差对成像质量的影响^[9]。王吉斌,、刘晓双、吴见采用安徽省砀山县EO-1 Hyperion影像，通过不同树种光谱信息的差异分析，筛选光谱指标，并采用改进的BP神经网络模型完成树种信息提取^[10]。结果显示该方法可以实现较为准确的树种信息提取。