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机载和地基激光雷达森林垂直结构参数提取研究

刘鲁霞  
【摘要】:森林垂直结构是陆地生态系统中重要的参数,提高遥感森林垂直结构的反演精度,对于提高森林生物量、叶面积指数估测精度和开展森林演替、碳循环、初级生产力研究具有重要意义。激光雷达技术是近年来国际上发展十分迅速的主动遥感技术,具有与被动光学遥感不同的工作机理,对植被空间结构和地形具有很强的探测能力,在森林参数的定量测量和反演上取得了成功的应用,特别是对森林高度和垂直结构的探测能力,具有传统光学遥感数据难以比拟的优势。机载激光雷达具有获取大区域森林垂直结构的能力,但是对林冠下层垂直结构描述不详细;地基激光雷达可以获取精细的森林垂直结构,尤其是林冠下层垂直结构,地基激光雷达具有为机载激光雷达做训练数据的潜力,但是受数据获取范围的限制。本文围绕上述内容,利用机载激光雷达数据和地基激光雷达数据开展了以下几个方面的研究工作: (1)根据地基激光雷达数据估测单木垂直结构参数,包括胸径、树高、枝下高和树冠尺寸,建立树冠体积与其他单木垂直结构参数之间的相关关系。本文提出的树干处垂直覆盖度变化检测方法对枝下高估测结果较好(R2=0.97,RMSE=0.21m)。 (2)结合机载激光雷达数据与地基激光雷达数据估算森林样地每木胸径与树高 利用Hough变换检测算法估算森林样地每木胸径,本文根据树木形态特征设置一系列阈值去除非树干处拟合圆,提高单木识别准确度。然后利用地基激光雷达获取的树干生长方向与该方向上单木垂直结构提取单木树高,并与样地实测树高及利用机载激光雷达数据估算的单木树高进行比较。结果显示:1)利用地基激光雷达数据对森林样地单木识别与胸径估测的结果较好,即使在林下条件复杂的天然林,对树的识别率仍达到80%以上;2)地基激光雷达数据对树干形状不规则树木的树高估测结果较差;3)地基激光雷达与机载激光雷达对优势木树高的估测结果具有很高的相关性,在样地中心位置,地基激光雷达估测的树高值较大,而在样地边缘区域,机载激光雷达估测的树高值较大。 (3)本文首次结合机载与地基激光雷达数据提取森林冠层垂直剖面,并定量估算抚育区抚育前后林分下层植被所占体积变化。 本研究工作建立了结合机载和地基激光雷达数据提取森林结构参数的完整技术流程。结果表明结合两种数据能够获取高精度森林垂直结构参数,地基激光雷达具有为机载激光雷达数据提供验证的潜力并有望取代一些繁重的、需要较高人力成本的样地工作,并且能够准确、快速、省力的获取样地单木结构参数及地形信息。


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