一种区域尺度森林冠层高度遥感反演方法
【专利摘要】本发明公开了一种区域尺度森林冠层高度遥感反演方法，包括以下步骤：1）野外样地设置及参数调查；2）基于面向对象分类方法的森林类型信息提取；3）叶面积指数遥感估算；4）郁闭度遥感反演；5）激光雷达完整波形数据、相应地理位置及高程信息的提取与标准化；6）波形数据的傅里叶变换与低通滤波；7）波形数据的噪声估计；8）波形数据信号始末位置判断；9）波形数据峰值位置的确定，包括地面回波位置、冠层顶部位置与质心位置；10）平缓地区（坡度<5°）森林冠层高度计算方法；11）坡地地形条件下的GLAS森林冠层高度提取模型构建；12）融合激光雷达冠层高度数据与多光谱信息进行区域反演。
【专利说明】一种区域尺度森林冠层高度遥感反演方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及融合光学与激光雷达等多源遥感数据进行区域尺度森林冠层高度反演的方法，属于定量遥感反演的【技术领域】。
【背景技术】
[0002]森林垂直结构参数的定量获取，如树高，对森林生态系统功能、物质与能量交换，尤其是森林碳储量及全球碳循环研究具有至关重要的作用。当前，光学遥感技术已广泛应用于森林类型、分布与结构特征的监测，但其主要获取冠层的水平信息，对垂直信息的获取则有很大的局限性。以激光雷达为代表的新技术由于具有很强的穿透能力，在获取森林垂直结构参数方面具有无可比拟的优势。但其在空间上采样不连续，无法达到无缝覆盖，在大尺度应用上同样存在着局限。因此，本方法提出融合激光雷达与多光谱遥感数据进行区域尺度森林冠层高度反演，实现其无缝估算。
【发明内容】
[0003]本发明目的是针对当前利用单一遥感数据源无法准确获取区域尺度森林冠层高度信息，而考虑融合激光雷达与多光谱数据实现大尺度森林冠层高度反演。
[0004]本发明在实现大光斑激光雷达波形数据处理算法的基础上，提出并建立能适应复杂地形条件下的森林冠层高度估算模型，而后融合多光谱信息反演区域尺度森林冠层高度，具体步骤如下:
[0005]步骤一野外样地设置及参数调查
[0006]I)野外调查样地应尽量涉及所有的森林生态系统类型，调查内容主要包括地理位置、群落类型、胸径、树高、郁闭度、叶面积指数等，同时还要考虑ICESat/GLAS激光光斑数据的地理位置信息，选取并设置若干个与之相对应的圆形样地进行实地调查，为定量遥感反演提供数据基础。
[0007]步骤二多光谱TM数据的获取及专题信息提取
[0008]下载获取覆盖研究区的Landsat/TM数据，依次进行辐射校正、大气校正、正射校正及几何精校正等处理，获得地表真实反射率。
[0009]2)基于面向对象分类方法的森林类型信息提取。根据建模需要，将森林分为针叶林、阔叶林与针阔混交林。
[0010]3)叶面积指数遥感估算。基于光谱信息及生成的一系列植被指数，选用多元线性回归及偏最小二乘法估算区域各森林类型叶面积指数。
[0011]4)基于植被指数的像元二分模型对针叶林、阔叶林及针阔混交林郁闭度分别进行遥感反演。
[0012]步骤三基于ICESat/GLAS完整波形数据的森林冠层高度估算
[0013]利用ICESat/GLAS的GLAOl波形数据和GLA14陆地/植被高度数据。由GLAOl记录的完整波形数据反映了对应地面激光光斑内的地形信息，用于森林结构参数的估算；与波形数据相应的地理位置和高程信息由GLA14记录。
[0014]5)激光雷达完整波形数据、相应地理位置及高程信息的提取与标准化。
[0015]6)傅里叶变换与低通滤波。基于傅里叶变换辅助于低通滤波，消除高频噪声，从而使数据得到平滑，同时进行波形拟合，其谐波个数由公式(I)确定:
[0016]ω =2 Ji /T
[0017]ω表示单位频率信号强度，2 =360，T为持续时间。
[0018]7)噪声估计。取信号开始前15帧数据及信号结束前最后15帧数据分别计算噪声平均值及其标准偏差。
[0019]8)信号始末位置判断。在噪声估计的基础上，确定起始信号的阈值为信号起始噪声的均值加上其4倍标准偏差；相应的信号结束阈值为结束噪声的均值与其4倍标准偏差之和。
[0020]9)峰值位置的确定。地面回波位置是从信号结束位置逐帧开始后向搜索，查找附近的最大峰值位置，接着再判断其与信号结束位置的间距，如果小于激光脉冲半宽，弃之，反之视其为地面回波位置；冠层顶部位置取信号开始位置前的波谷处；质心位置又称为波形半能量高度位置。
[0021]10)平缓地区(坡度<5。)森林冠层高度提取由冠层顶部位置(Canopy_top)与地面回波位置(Ground)之间的波形长度L确定，Binsize为0.15m:
[0022]L= (Ground-Canopy_top) XBinsize (2)
[0023]11)坡地条件下，由于仅依靠波形长度很难准确把握森林冠层高度信息，构建了融合波形长度、地形指数与质心位置信息的多元线性回归模型，从而实现复杂地形条件下的GLAS森林冠层高度提取。
[0024]步骤四融合激光雷达冠层高度与多光谱数据进行区域反演
[0025]基于各森林类型GLAS获取的最大森林冠层高度与原始光谱、各植被指数、叶面积指数及郁闭度之间的相关性分析，同时考虑地形因素的影响，基于多光谱数据对GLAS森林冠层高度进行空间扩展的可行性建立相应的最佳遥感反演模型，对区域尺度各森林类型冠层闻度进行估算。
[0026]本发明的优点:
[0027]本发明能够克服利用单一遥感数据源无法准确获取区域尺度森林冠层高度信息的缺陷，而融合激光雷达与多光谱数据各自的优势实现大尺度森林冠层高度反演。
【专利附图】
【附图说明】
[0028]图1为野外调查样地分布图；
[0029]图2为森林覆被类型图；
[0030]图3为森林LAI分布图；
[0031]图4为森林郁闭度分布图；
[0032]图5为标准化后的波形数据；
[0033]图6为截止频率为0.125,0.025,0.01对波形数据的平滑效果；
[0034]图7为主要波形参数示意图；
[0035]图8为森林冠层高度分布图。【具体实施方式】
[0036]长白山林区是我国重要的森林储备库，是世界上森林景观保存最完整、生长最良好的原始温带森林生态系统之一。下面以位于长白山北坡的吉林省安图县为例进行分析:
[0037]步骤一野外样地设置及调查方法
[0038]I)两次野外调查样地分布如图1所示。
[0039]步骤二多光谱TM数据的获取及专题信息提取
[0040]2)基于面向对象分类方法的森林类型信息提取，如图2所示。
[0041]3)叶面积指数遥感估算。基于TM遥感影像6个波段反射率及RV1、NDV1、SLAV1、EV1、VI1、MSR、NDVIc、B1、GV1、WI 等 10 个植被指数，并辅助于 DEM、ASPECT、SLOPE 等地形信息，在相关性分析的基础上，基于偏最小二乘法，构建了各森林类型叶面积指数遥感反演最佳模型，并进行区域扩展，如图3所示:
[0042]4)基于植被指数的像元二分模型对针叶林、阔叶林及针阔混交林郁闭度分别进行遥感反演，结果如图4所示:
[0043]步骤三基于ICESat/GLAS完整波形数据的森林冠层高度估算
[0044]5)激光雷达完整波形数据、相应地理位置及高程信息的提取与标准化。如图5所示为标准化后的波形数据。
[0045]6)傅里叶变换与低通滤波。
[0046]图6对比了截止频率为0.125,0.025,0.01对波形数据的平滑效果。随着截止频率的减小，傅里叶变换拟合谐波数量显著减少，虽然平滑效果更好，但是忽略了原始波形数据的细节信息，信号始末位置明显扩展，甚至峰值位置也发生了明显的位移，给波形参数提取及波形长度估算带来严重偏差。
[0047]7)噪声估计。
[0048]8)信号始末位置判断。
[0049]9)峰值位置的确定。
[0050]Canopy_top为冠层顶部位置；Ground为地面回波位置；Centroid为质心位置；L为波形长度；Signalbeg与Signalend分别为信号始末位置。
[0051]10)平缓地区(坡度<5。)森林冠层高度提取由冠层顶部位置(Canopy_top)与地面回波位置(Ground)之间的波形长度L直接获取。对于例子数据，由公式(2)估算获取的森林冠层高度为28.35m，而野外样地实测高度为28.8m，可见激光雷达获取森林冠层高度的能力还是相当高的。
[0052]11)坡地条件下，由于仅依靠波形长度很难准确把握森林冠层高度信息，构建了融合波形长度、地形指数与质心位置信息的多元线性回归模型，从而实现复杂地形条件下的GLAS森林冠层高度提取。如表I所示。
[0053]各森林类型RMSE以多元线性回归模型为佳，介于2.021?2.674之间，整体而言针阔混交林偏差优于针叶林优于阔叶林。
[0054]表I坡地条件下森林冠层高度模型的建立
[0055]
【权利要求】
1.一种区域尺度森林冠层高度遥感反演方法，具体步骤如下: 步骤一、设置野外样地及调查参数: 1)样地调查内容主要包括地理位置、群落类型、胸径、树高、郁闭度、叶面积指数等，同时考虑ICESat/GLAS激光光斑数据的地理位置信息； 步骤二、获取多光谱TM数据及提取专题信息: 2)提取基于面向对象分类方法的森林类型信息； 3)遥感估算叶面积指数； 4)遥感反演郁闭度； 步骤三、估算基于ICESat/GLAS完整波形数据的森林冠层高度: 5)提取激光雷达完整波形数据、相应地理位置及高程信息，并将其标准化； 6)对所述波形数据进行傅里叶变换与低通滤波； 7)对波形数据进行噪声估计； 8)判断波形数据信号始末位置； 9)确定波形数据峰值位置，所述波形数据峰值位置包括地面回波位置、冠层顶部位置和质心位置； 10)计算平缓地区森林冠层高度； 11)构建适应复杂地形条件下的GLAS森林冠层高度提取模型； 步骤四融合激光雷达冠层高度数据与多光谱信息进行区域反演。
2.根据权利要求1所述的一种区域尺度森林冠层高度遥感反演方法，其特征在于，步骤二之4)应用基于植被指数的像元二分模型对针叶林、阔叶林及针阔混交林郁闭度分别进行遥感反演。
3.根据权利要求1所述的一种区域尺度森林冠层高度遥感反演方法，其特征在于，步骤三之6)应用傅里叶变换对波形进行低通滤波。
4.根据权利要求1所述的一种区域尺度森林冠层高度遥感反演方法，其特征在于，步骤三之11)坡地条件下构建融合波形长度、地形指数与质心位置信息的多元线性回归模型，从而提取复杂地形条件下的GLAS森林冠层高度。
【文档编号】G01S17/00GK103760565SQ201410046762
【公开日】2014年4月30日 申请日期:2014年2月10日 优先权日:2014年2月10日
【发明者】汤旭光, 李恒鹏 申请人:中国科学院南京地理与湖泊研究所