国产星载激光雷达全链路森林回波仿真及森林结构参数反演研究

蔡龙涛

桂林电子科技大学电子工程与自动化学院,广西 桂林 541214

全波形星载激光雷达测距作为主动遥感技术,在估测森林结构参数方面具有其他森林资源调查方法无可比拟的优越性。如ICESat激光测高卫星在森林类型识别、树高估测和地上森林生物量估测等方面都取得了一定成果。为进一步提高森林结构参数估测精度,对全国乃至全球碳储量进行高精度估测,我国发射了一颗全波形星载激光雷达测高卫星,该卫星的投入和使用将为全国甚至全球森林资源动态监测提供一种新的数据和技术支撑。

为定量探究国产星载激光雷达回波波形在森林结构参数估测方面的应用潜力。首先,需建立全链路回波仿真系统,并选用应用较为成熟的回波波形数据对该系统的有效性进行验证;然后,利用该仿真系统,结合国产星载激光雷达载荷参数与实地调查数据,对国产星载激光雷达回波波形进行模拟仿真;最后,基于国产星载激光雷达仿真波形分别对森林类型、森林最大冠层高和地上森林生物量进行识别和估测研究。主要研究内容如下。

(1) 为构建光斑内地面信息三维模型,结合有限元原理,联合林地地形无规律起伏及不同单木冠幅结构特征,分别建立了随机地形和单木三维仿真模型,完成了林分内实际地形的高精度三维建模。考虑星载激光雷达激光脉冲受大气散射、吸收和折射影响,加入了激光脉冲辐射传输模型,实现了星载激光雷达回波波形高精度模拟仿真。

(2) 为验证论文所建全链路回波仿真系统的有效性,选用应用较为成熟的GLAS波形数据作为验证数据,与GLAS仿真波形进行相关性分析。研究结果显示:GLAS发射波仿真波形与实测发射波波形皮尔逊相关性系数均值为0.96;GLAS回波仿真波形与实测回波波形皮尔逊相关性系数最大值为0.95,平均值为0.77。

(3) 为提高国产星载激光雷达回波波形在森林类型识别方面的精度,结合回波仿真原理与林分冠层特征对国产星载激光雷达回波波形进行了理论分析,论文提出了与森林类型相关的波形特征参数R_cafit1-47、K1-47,并与其他森林类型相关的波形特征参数AGS、SGS联合,得到针叶林和阔叶林森林类型总体识别精度为96.43%,针叶林、阔叶林和混交林森林类型总体识别精度为81.08%。

(4) 为提高森林最大树高估测精度,论文基于森林冠层结构特征,对激光雷达回波波形进行分析,提取与森林冠层高相关的波形特征参数并建立多种最树高估测模型。研究结果显示:W1、TS参数组合森林最大树高建模精度最高,0～10°、0～20°和0～30°条件下估测精度Adj.R2分别为0.88、0.83和0.73,RMSE分别为1.04、1.76和1.62 m。针叶林、阔叶林和混交林树高估测精度Adj.R2分别为0.79,0.83和0.80,RMSE分别为1.60、1.07和0.92 m。

(5) 为提高地上森林生物量估测精度,论文结合林分冠层结构特征对国产星载激光雷达回波波形进行分析,提取与地上森林生物量相关的冠层回波能量值参数E,并利用该参数建立地上森林生物量线性估测模型。研究结果显示:0～10°、0～20°和0～30°坡度下地上森林生物量估测精度Adj.R2分别为0.94、0.92和0.91,RMSE分别为9.53、11.50和13.66 t/hm2;针叶林、阔叶林和混交林估测精度Adj.R2分别为0.92、0.96和0.93,RMSE分别为11.26、5.8和13.61 t/hm2。