基于机载小光斑全波形LIDAR的作物高度反演.pdf

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1、第26卷2010年第8期8月农业工程学报TransactionsoftheCSAE、b1．26No．8Aug．2010183基于机载小光斑全波形LIDAR的作物高度反演周梦维1，一，柳钦火磁，刘强1，肖青1(1．中国科学院遥感应用研究所遥感科学国家重点实验室，北京100101；2．中国科学院研究生院，北京100039)摘要：为了填补利用激光雷达反演作物冠层高度的空白，本文以全波形激光雷达发射与回波波形的高斯性为理论基础，首先通过对波形的拟合，实现作物与土壤波形的剥离，然后确定回波波形上各关键点，最后结合作物冠层

2、结构的特征获得作物冠层高度。验证结果表明：反演作物冠层高度的绝对误差在O．06m以内，相对误差小于5．2％。该方法对于反演其他植被结构参数也具有重要的借鉴意义。关键词：LIDAR，全波形，高斯分解，作物高度doi：10．3969巧．issn．1002—6819．2010．08．031中图分类号：TN959．3丈献标识码：A文章编号：1002—6819(2010)一08-0183—06周梦维，柳钦火，刘强，等．基于机载小光斑全波形LIDAR的作物高度反演[J]．农业工程学报，2010，26(8)：183—188．

3、ZhouMengwei，LiuQinhuo，LiuQiang，eta1．Inversionforcropheightbysmall-footprint-waveformAirborneLIDAR[J]．TransactionsoftheCSAE，2010，26(8)：183—188．(inChinesewithEnglishabstract)0引言自20世纪70年代美国和加拿大最先开发航空激光雷达测量系统以来，这项技术发展十分迅速【11。20世纪80年代，机载激光雷达(ALS．AirborneLIDARSyst

4、em)开始出现一些试验系统，到90年代中后期逐渐成熟【2】。离散激光雷达系统(光斑直径小于2m)只能记录若干次(≤5次)回波。Wagner将脉冲检测应用到后向散射波形，检测器的任务就是从连续波形得到离散的表明目标位置的时间点，这些时间点可以用来计算扫描系统和地物间的距离，结果表明：探测和量化方法不同，会引起这些时间点的误差口J。解决卜述问题的途径是将发射信号和回波信号均以很小的采样间隔进行采样并记录，而不仅仅是记录若干次离散回波信号，这样的采样记录方式即所谓的全波形数字化记录，这种类型的激光雷达系统称为Wave

5、form．DigitizingLIDAR。用户可以根据应用需求，对波形数据进行分析和处理，这将比使用离散回波获得更丰富的地物信息。该技术被奥地利的RIEGL公司应用到机载小光斑商业激光雷达系统，其开发出的LiteMapper5600系统在农业和森林应用优势明型41。目前波形数字化技术已经成为商业机载激光雷达中的一种标准配置。作物的结构参数在很多生态和农业模型中具有非常收稿口期：2009．1l一30修订日期：2010-04412基金项目：中国科学院西部行动计划项目(KzCX2．XB2．09)：国家自然科学基金重点

6、项目(40730525)；国家重点基础研究发展规划项目(2007CB714400)作者简介：周梦维，博士研究生，从事定量遥感研究。北京市朝阳区大屯路中国科学奥运村科技科学园，100101。Emaihmengweizhou@hotmail．conl※通信作者：柳钦火，研究员。博士生导师，中国科学院遥感应用研究所遥感科学国家重点实验室副毛任，主要从事定量遥感研究。北京市朝阳区大屯路中国科学奥运村科技科学园。100101。Email：qhliu@il'$乱aC．面重要的作用，作物的冠层高度就是其中之一。以前，地面测量

7、作为获取作物高度的主要方法不仅费时费力，而且只能获取离散点的数据，无法得到面上的数据。激光雷达采集数据的空间密度大、精度高，能够提供植被高度以及其他植被垂直结构信息，具有传统遥感数据无法比拟的优势。最早公开发表应用激光雷达进行森林参数测量的是前苏联p】，结果表明激光雷达估测的树高与摄影测量估测结果的均方根误差为14cnl。随后，机载激光雷达系统成功地用于大范围的森林资源清杏和精准林业测量中1酬，研究者发展了许多用激光雷达数据反演重要森林参数的方法，如林冠高度、林分平均树高、郁闭度、林间空地、地上生物量、平均胸径

8、、森林蓄积量、重建冠层垂直分布f7。13】。但是对于作物而言，其高度往往较矮，离散回波激光雷达很难记录到冠层顶部信息：全波形激光雷达的作物与土壤回波信号会受到垂直分辨率的影响产生叠加，所以还未见利用激光雷达数据提取作物结构参数的报道。本文依据全波形激光雷达发射和回波能量的高斯性，提出一套针对作物高度反演的机载小光斑全波形数据的处理方法，并用地面测量数据进行了验证。1原理与方法1．1波形