内容简介
针对激光雷达探测植被垂直结构的特点,结合森林参数反演研究与业务应用的现状,《激光雷达森林参数反演技术与方法》较为全面地介绍激光雷达技术基础、点云与波形数据处理的流程与方法,阐述机载激光雷达单木与林分因子提取、星载激光雷达区域尺度森林应用和地基激光雷达森林参数提取的技术与方法。《激光雷达森林参数反演技术与方法》综述该方向国际上主流、前沿的研究方法,并结合具体的应用,给出作者团队近年来的研究成果。
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目录
《地球观测与导航技术丛书》出版说明
序
前言
第1章激光雷达技术基础1
1.1激光雷达概述1
1.2激光雷达基本原理4
1.3激光雷达数据采集18
1.4国内外典型系统25
参考文献37
第2章激光雷达点云数据处理40
2.1点云数据特征40
2.2噪声点去除算法44
2.3地面点分类算法44
2.4植被点分类算法51
2.5点云数据栅格化52
参考文献57
第3章激光雷达波形数据处理58
3.1波形数据介绍58
3.2波形数据预处理64
3.3波形高斯分解64
3.4波形反卷积69
3.5点云和波形数据特征定量对比73
参考文献79
第4章机载激光雷达单木因子提取81
4.1国内外研究现状81
4.2冠层高度模型生成84
4.3冠层高度模型优化85
4.4冠层高度模型平滑97
4.5基于树冠几何特征的单木因子提取算法99
4.6基于形态学冠层控制和分水岭的单木因子提取算法114
参考文献126
第5章机载激光雷达林分因子提取130
5.1国内外研究现状130
5.2变量计算133
5.3林分因子反演算法136
5.4小兴安岭林分因子反演138
参考文献149
第6章星载激光雷达数据处理及林业应用151
6.1星载激光雷达林业应用研究现状151
6.2大光斑激光雷达森林回波模型156
6.3星载LiDAR波形处理及关键参数计算174
6.4基于GLAS波形数据的树高反演179
6.5基于GLAS的云南省森林地上生物量反演183
参考文献187
第7章地基激光雷达森林参数提取191
7.1地基激光雷达林业研究与应用现状191
7.2森林样地地基激光雷达数据采集193
7.3地基激光雷达点云数据预处理195
7.4森林结构参数提取201
参考文献213
本书缩略词215
索引218
精彩书摘
第1章激光雷达技术基础
激光雷达技术是一门涉及光电、机械、导航、测绘、计算机、软件等技术领域的新型测量技术,无论其硬件体制、软件设计、数据处理方法,还是行业应用均涵盖了大量的技术方法。激光雷达包含一套复杂的技术体系,属于从技术理论到工程应用都较为复杂的系统工程。本章主要介绍激光雷达的发展历史、技术特点、基本原理,以及国内外典型的激光雷达系统,针对激光雷达森林应用的技术特点,重点说明离散回波和连续回波激光雷达的数据采集与处理相关的核心内容。
1.1激光雷达概述[*2]1.1.1激光雷达简介激光(light amplification by stimulated emission of radiation, LASER)是20世纪人类最重要的发明之一,是一种通过原子受激辐射跃迁而形成主动光源的技术,具有很好的单色性、方向性和相干性,同时,具备很高的单光子辐射能量。激光雷达技术是20世纪中后期以来发展迅速的一种主动遥感传感器,最初的名称为LASER RADAR (radio detection and ranging)。激光雷达是一种与雷达类似的主动探测手段,不同之处是它使用激光作为发射源。激光雷达常被称为LiDAR(light detection and ranging),即激光探测与测距,能够充分发挥激光单色性好、发散角小、功率高的特点,具有很高的测量精度。
1.1.2激光雷达发展历史
激光雷达测量技术作为遥感手段的历史可以追溯到40多年以前。20世纪60~70年代,人们进行了多项实验,结果都表明利用激光进行遥感的巨大潜力,其中包括激光测月和卫星激光测距。激光雷达在地球科学和行星科学领域同样有着广泛应用。美国早在70年代阿波罗登月计划中就应用了激光雷达测高技术(Kaula et al., 1974)。80年代中期,美国国家航空航天局(National Aeronautics and Space Administration, NASA)研制了海洋激光雷达系统(airborne oceanographic LiDAR, AOL)以及机载地形测量系统(airborne topographic mapper, ATM)等机载激光雷达系统,但机载激光雷达直到90年代才取得了重大进展,出现了一些精确可靠的系统,包括航天飞机激光测高计(shuttle LASER altimeter, SLA)(Garvin et al., 1998)、火星观测激光测高计(Mars observer LASER altimeter, MOLA)(Smith et al., 1998)以及月球观测激光测高计(Lunar observer LASER altimeter, LOLA)(Garvin et al., 1988)等。利用这些激光雷达系统可以获取地球表面、火星表面以及月球表面的高分辨率地形信息,对于研究地球和火星等星体的真实几何形态有着重要的科学意义。航天飞机激光雷达测高计由NASA戈达德空间飞行中心(Goddard Space Flight Center, GSFC)研制,是一种安置在航天飞机上的空间飞行仪器,用于从地球低轨道高度对地进行地形测量,可为星载激光雷达测高进行科学试验。1984年,研究人员开始利用机载激光雷达进行地形测量研究并给出了测量结果(Krabill et al., 1984)。1988年,德国斯图加特大学摄影测量学院在Ackermann教授的领导下,开始研制机载激光扫描地形断面测量系统。荷兰测量部门自1988年开始利用激光雷达测量技术提取地形信息的可行性研究。加拿大卡尔加里大学于1998年进行了机载激光雷达系统的集成试验,通过对激光扫描仪与全球导航卫星系统(global navigation satellite system, GNSS)、惯性导航系统(inertial navigation system, INS)和数据通信设备进行集成,实现了一个机载激光雷达三维数据获取系统,并进行了一定规模的实验。1999年日本东京大学进行了地面固定激光扫描系统的集成与实验(Zhao and Shibasaki, 1997, 1999)。随后几年中,由于硬件技术的进步,欧美的一些发达国家先后研制出多种小型化、商业化的机载激光雷达系统,其中,包括TopScan、Optech、TopEye、TopSys、HawkEye等(Baltsavias, 1999)。商业化系统,尤其是机载激光雷达系统的发展和推广在此后十年间极大地促进了激光雷达在测绘、三维城市、林业等领域的应用。目前全球最活跃的激光雷达厂商包括Leica、Riegl和Optech等,其主流产品代表了机载激光雷达、地基激光雷达和移动激光测量技术的国际先进水平(Mallet and Bretar, 2009)。国际市场上出现的一些典型系统,如Riegl 激光测量系统LMS�睶560、Leica机载激光扫描仪ALS 40、Optech机载激光地形测量仪ALTM 3100等,为激光雷达数据处理方法和应用的研究提供了大量的数据基础,也促进了激光雷达后处理软件的发展。到2010年前后,主流的商业化激光雷达系统在脉冲重频脉冲重频、工作距离等硬件性能上已经数倍于第一代产品。学术界对激光雷达的另一重要研究方向是将激光雷达与其他多源遥感数据融合,NASA的戈达德激光雷达、高光谱和热成像仪(Goddard’s LiDAR, hyperspectral and thermal imager, G�睱iHT)项目就是一种将机载激光雷达和高光谱扫描仪、热红外成像仪等遥感技术相结合的尝试(Cook et al., 2013)。而在另一方面,以美国为中心研制的星载激光雷达技术也得到了极大的发展,NASA于2003年发射了第一代星载激光测高卫星(ice, cloud and land elevation satellite, ICESat),在两极冰盖、大气、全球地形和植被等研究领域作出了很大的贡献。
相比于国际工业界和学术界,国内在激光雷达技术领域起步稍晚,但在最近十多年中取得了很快的发展。21世纪初,我国的一些高校、研究院所和商业公司从国外引入了机载激光雷达系统,是国内最早的一批实用化、业务化的激光雷达用户。事实上,我国十分重视激光雷达技术系统的研制,科技部、电子工业部、中国科学院、航天系统等多家部门和单位已投入了相当多的科研资源研制机载或星载激光雷达系统。目前,也有一些商业公司具备了地面、机载激光雷达系统的研发能力,产品基本具有了与国际同类产品竞争的实力。值得指出的是,激光雷达技术已经在国内一些科学技术领域起到了重要作用。2013年“嫦娥三号”月球探测器着陆过程中,国产的激光测距器件和激光三维成像器件成功实现了月球车安全避障。2013年,中国林业科学研究院资源信息研究所引进了国内第一套集成了全波形激光雷达、高光谱扫描仪和电荷耦合器件(charge�瞔oupled device, CCD)相机三种传感器的机载遥感观测平台CAF�睱iCHy(Chinese Academy of Forestry, LiDAR, CCD, hyperspectral)系统(Pang et al., 2013),在我国东北、西南和中部多个森林资源丰富的省(区、市)开展了航空地面联合实验,为森林植被研究积累了大量数据,其设计理念和设备性能可与NASA的G�睱iHT等机载系统相当。
1.1.3激光雷达主要特征
相比于传统的摄影测量和光学遥感手段,目前激光雷达技术的发展和应用具有以下一些特征。
1) 三维信息特征
由于激光雷达对目标进行主动探测,故能直接获取地物的三维信息,不需要通过立体像对或多角度观测进行三维场景的建立,这是传统摄影测量和光学遥感手段所不具备的技术优势。这一特征对于地形测量、建筑物三维建模、植被垂直结构等三维信息的提取具有重要意义,也是目前激光雷达在这些领域得到广泛推广的主要原因之一。同时,激光的测距精度极高、发散角极小,加上可靠的惯性测量单元和差分GNSS技术,使得激光雷达获取的反射体坐标精度非常高,这也是传统的被动成像手段所不具备的重要技术优势。
2) 空间采样特征
目前最常见的激光雷达系统均为脉冲式离散点测量,而非面成像。对空间采样的精细程度由单位面积的点密度或脉冲密度进行刻画。提高采样密度可以减小采样间隔,从而得到更为精细的空间结构表达能力。但总的来说,目前主流激光雷达系统的空间采样率无法与摄影测量和光学遥感相提并论,不能得到连续的面状空间数据。近年来,一方面,随着硬件技术的发展,激光雷达脉冲重频不断提高,空间采样率可以在飞行高度不变甚至更高的情况下达到较高的指标;另一方面,面阵的成像激光雷达系统研制也在不断地取得进展,有望弥补空间采样率的不足。
3) 数据海量特征
激光雷达能以极高的脉冲重频对测区场景进行大范围的三维数据采集,导致激光雷达原始数据具有极大的信息量。相应地,激光雷达数据组织、管理、处理等业务流程也面临着新的挑战。激光雷达数据处理方法随着数据应用的推广而受到越来越多的重视,以点云滤波、目标识别、三维重建、特征参数提取等为目标的自动方法显得尤为突出。但由于激光雷达数据所包含的空间信息和物理信息较为复杂,目前,真正能全自动完成这些业务流程的方法很少,仍然需要大量的人工交互。同时,海量空间数据对计算能力也提出了更高的要求。
4) 辐射信息特征
激光雷达由于单色性较好,单一的激光器只能提供地物在一个狭窄的特定波谱范围的反射信号,使激光雷达不能像摄影测量和光学遥感手段一样进行多光谱甚至高光谱的成像。目前,一方面,国际上出现了一些利用两个或多个独立激光源实现的多光谱激光雷达系统,可以在不同的通道上获取地物的反射信息,从而增强激光雷达数据的目标识别和分类能力。但另一方面,由于激光雷达在较小的空间尺度上与地物发生交互,所以其辐射传输过程变得极为复杂,难以进行归一化的数据辐射标定,成为了利用激光雷达辐射信息的一大技术难点。
5) 技术成本特征
受限于硬件体制本身,激光雷达设备价格一般较为昂贵,作业时需要进行精确的航线设计和估算,耗费较大的人力成本。尽管是一种主动传感器,激光雷达仍然在一定程度上受客观天气因素的影响,这一点在机载激光雷达的数据采集中显得尤其突出,时间成本往往超出预期。同时,为了保证激光能量的有效探测,机载激光雷达的作业高度受到限制,使得航线覆盖幅宽一般小于传统摄影测量技术,增加了作业成本。但随着软硬件技术的发展,这些缺陷正在不断被弥补。
1.2激光雷达基本原理
激光雷达作为一种集激光扫描仪、GNSS、惯性测量单元(IMU)、高速率存储设备及控制计算机等多种新技术组合构成的测量技术,相较于其他被动遥感手段,具有其独特的工作机制和原理。激光雷达目前已被成功安置到多种卫星平台、航空器、地面移动平台、地面固定基站、手持式设备和可穿戴式套件中,形成了星载、机载、移动测量、地基、手持和穿戴式等多种平台和作业形式的系统。
激光雷达工作体制受不同平台的影响,如机载激光雷达、移动测量激光雷达和室外可穿戴式激光雷达工作在位置姿态时刻发生变化的平台上,故一般采用定位定姿系统(position and orientation system, POS)进行直接地理定位;地基激光雷达常采用一站或多站式的固定安置扫描方式,不需要集成IMU,仅通过地面标靶或靶球进行数据配准;工作在室内的手持式激光雷达系统由于仅对小范围目标进行三维数据采集,一般仅依靠IMU测量运动参数即可替代更为普遍的POS技术,在局部坐标系统内进行三维目标定位。
激光雷达的测距体制一般有两种:一种是脉冲式测距,即激光器发射一束持续时间很短(约几个纳秒)的高能量脉冲,而后,探测脉冲击中目标后反射的信号计算目标距离;另一种是连续波连续波(continuous wave, CW)激光测距,它通过量测激光器所发射的波和所接收的被目标反射的波
前言/序言
《遥感地物信息提取与应用研究》 一、本书内容概要 本书系统深入地探讨了遥感技术在各类地物信息提取及其应用方面的理论、方法与实践。全书共分为三个主要部分,旨在构建一个从基础理论到高级应用,再到多领域交叉融合的完整知识体系。 第一部分:遥感地物信息提取基础理论与技术 本部分将从遥感的基本原理出发,详细阐述地物光谱特性、大气辐射传输、影像几何校正与辐射定标等核心概念。在此基础上,重点介绍各类地物(包括植被、土壤、水体、裸地、建筑等)的遥感响应特征,分析影响这些特征的关键因素,如物质组分、结构、纹理、温度等。 第一章:遥感原理与地物响应 电磁波与遥感成像原理。 地物光谱反射率、透射率和吸收率的物理基础。 不同地物类型的典型光谱曲线分析(如植被的“红边效应”、水体的吸收特征、土壤的矿物吸收特征等)。 影响地物光谱响应的内在与外在因素(如叶片结构、色素含量、土壤湿度、粗糙度、大气能见度、太阳高度角等)。 地物宏观与微观尺度上的遥感响应差异。 第二章:遥感影像获取与预处理 不同类型遥感器(如光学相机、多光谱/高光谱成像仪、热红外传感器、雷达等)的工作原理与数据特点。 影像几何畸变类型及校正方法(如传感器模型、地形校正、正射纠正)。 大气对遥感信号的影响及大气校正技术(如基于物理模型、基于水汽柱含量、基于查表法等)。 辐射定标的原理与方法,将遥感信号转化为地表反射率或辐射亮度。 影像融合技术,提高空间或光谱分辨率。 第三章:地物信息提取的经典方法 光谱特征提取: 光谱指数(如NDVI, EVI, NDWI, NDBI等)的计算原理、适用性与局限性。 主成分分析(PCA)、独立成分分析(ICA)等降维技术在光谱特征提取中的应用。 光谱角度映射(SAM)等相似性度量方法。 光谱解混(Spectral Unmixing)的基本模型(线性、非线性)与算法。 纹理分析: 纹理的定义与度量方法(如灰度共生矩阵GS、局部二值模式LBP、不变量矩等)。 纹理在区分相似光谱但不同纹理的地物(如森林与灌丛、不同类型的农田、城市建成区中的不同建筑类型)中的作用。 面向对象影像分析(OBIA): OBIA与像元基础分析的区别与优势。 影像分割(Segmentation)的常用算法(如多尺度分割、合并算法)与参数选择。 基于对象的地物分类方法。 第二部分:面向特定地物的遥感信息提取与建模 本部分将聚焦于几个重要的地物类型,深入探讨针对这些地物的特异性信息提取技术和定量反演模型。 第四章:植被参数遥感反演 植被覆盖度、叶面积指数(LAI)、叶绿素含量、水分含量等关键参数的光谱响应机制。 基于经验模型(如回归模型、指数模型)的反演方法。 基于半物理模型(如PROSAIL, SLAVIR等)的反演方法,考虑了冠层结构、叶片和土壤的光谱特性。 高光谱数据在精细化植被参数反演中的优势。 植被健康状况与胁迫(病虫害、干旱)的遥感监测。 森林生物量、碳储量等生态参数的估算。 第五章:水体信息提取与水质遥感 水体反射率的特点与影响因素(如悬浮物、溶解有机质、叶绿素a浓度)。 水体边界提取方法。 叶绿素a、悬浮物浓度、可溶性有机碳(CDOM)等水质参数的遥感反演模型。 富营养化监测、水体富氧(富氧)状况评估。 内陆水体与海洋水体遥感监测的差异。 第六章:土壤特性遥感监测 土壤的光谱特性及其与土壤组分(如粘土、砂土、有机质、铁氧化物、水分)的关系。 土壤有机质含量、土壤水分、土壤盐分、土壤侵蚀状况的遥感估算模型。 利用多时相影像监测土壤裸露与覆盖变化。 土壤类型分类与制图。 第七章:城市与建筑信息提取 城市地物的多样性及其遥感响应特征(如屋顶材料、道路类型、植被、水体)。 建筑物提取的影像分割与分类技术。 城市建成区范围、城市扩张监测。 城市热岛效应的遥感监测与分析。 城市绿地、不透水面等要素的提取与分析。 第三部分:遥感信息提取的高级应用与前沿技术 本部分将进一步拓展遥感信息提取的应用领域,并介绍当前研究中的一些前沿技术。 第八章:时序遥感数据分析与应用 时序遥感数据(如MODIS, Landsat ARD, Sentinel-2 L2A)的处理与管理。 地物变化检测的技术(如图像差值法、变化向量分析、碎裂度分析)。 植被物候监测(物候期、物候事件的识别)。 土地利用/土地覆盖变化(LULC)的动态监测与模拟。 灾害(如火灾、洪水、干旱)的动态监测与影响评估。 第九章:机器学习与深度学习在地物信息提取中的应用 机器学习方法: 支持向量机(SVM)、随机森林(RF)、决策树(DT)等分类器在地物分类中的原理与实践。 面向对象分析与机器学习结合的优势。 特征工程在机器学习模型构建中的重要性。 深度学习方法: 卷积神经网络(CNN)的基本架构(如AlexNet, VGG, ResNet, U-Net)及其在遥感影像分类、分割、目标检测中的应用。 遥感影像的语义分割与实例分割。 深度学习模型的训练数据准备、模型选择与参数优化。 遥感领域深度学习模型的迁移学习与联邦学习。 第十章:多源、多尺度遥感数据融合与协同应用 不同类型遥感数据(光学、热红外、雷达、LiDAR)的特点与互补性。 数据融合的原理与技术(如基于像元、基于特征、基于对象、基于决策)。 多尺度数据(如高分辨率与低分辨率影像)的融合策略。 多源、多尺度数据融合在提高地物信息提取精度与可靠性方面的作用。 遥感数据与地理信息系统(GIS)、全球导航卫星系统(GNSS)等其他地理空间技术的集成应用。 第十一章:遥感信息提取的案例研究与未来展望 本书所介绍的技术在生态环境监测、农业生产、城市规划、资源管理、减灾防灾等领域的实际应用案例。 结合具体案例,讨论不同方法的优劣势与适用性。 遥感地物信息提取领域面临的挑战(如数据处理复杂性、模型泛化能力、计算资源需求)。 未来发展趋势,包括高光谱与高分辨率数据的融合应用、空天地一体化遥感监测网络、实时或近实时信息产品生成、AI与GIS的深度融合等。 二、本书的特色与价值 本书力求做到理论性、实践性、前沿性与综合性并重。 理论扎实: 详细阐述遥感地物信息提取背后的物理原理和数学模型,帮助读者建立坚实的理论基础。 方法全面: 涵盖了从传统的光谱、纹理分析到面向对象,再到先进的机器学习和深度学习方法,为解决不同问题提供多样化的技术选择。 应用导向: 聚焦于植被、水体、土壤、城市等重要地物类型的参数反演与信息提取,并结合大量实际应用案例,使读者能够学以致用。 前沿性: 重点介绍机器学习和深度学习在地物信息提取领域的最新进展,以及多源、多尺度数据融合等前沿技术。 条理清晰: 全书结构严谨,逻辑递进,从基础到高级,从单一地物到综合应用,便于读者循序渐进地学习和掌握。 面向读者: 本书适合遥感、地理信息科学、测绘工程、环境科学、林业、农业、城市规划等相关专业的本科生、研究生、科研人员以及从事遥感数据处理和应用工作的专业技术人员阅读。 通过本书的学习,读者将能够深入理解遥感技术在地物信息提取方面的强大能力,掌握一套完整的知识体系和分析工具,并能将其应用于解决实际的地理空间分析与监测问题。