机载激光雷达的作物叶面积指数定量反演.pdf

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1、第27卷2011笠第4期4月农业工程学报TransactionsoftheCSAE、，01．27No．4Apr．2011207机载激光雷达的作物叶面积指数定量反演周梦维1’2，柳钦火Ⅸ，刘强1，尚青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：为了进一步挖掘激光雷达在植被垂直结构探测上的潜力，通过引入Kuusk的多层均匀冠层方向反射模型的单次散射部分，基于激光雷达发射和回波波形的高斯特征，模拟作物激光雷达回波，建立了作物叶面积体密度和叶面积指数

2、的反演方法。模型输入参数的敏感性分析显示：G函数对反演结果的影响比土壤和叶片反射率大。最后利用“黑河综合遥感联合试验”的数据对反演方法进行了验证：反演的作物叶面积体密度与实测数据基本一致，叶面积指数反演的相对误差为12．5％。结果表明该方法可以有效反演作物叶面积体密度和叶面积指数，为作物结构参数反演提供了新的途径。关键词：作物，激光，雷达装置，全波形，叶面积体密度，叶面积指数doi：10．3969／j．issn．1002—6819．2011．04．036中图分类号：TN959．3文献标志码：A文章编号：1002-681

3、9(2011)-04-0207—07周梦维，柳钦火，刘强，等．机载激光雷达的作物叶面积指数定量反演[J】．农业工程学报，2011，27(4)：207—213．ZhouMengwei，LiuQinhuo，LiuQiang，eta1．Inversionofleafareaindexbasedonsmall-footprintwaveformairborneLIDAR[J]．TransactionsoftheCSAE，2011，27(4)：207—213．(inChinesewithEnglishabstract)0引言激光

4、雷达(1ightdetectionandranging，LIDAR)是近年来发展十分迅速的主动遥感技术，它具有与被动光学遥感不同的成像机理，在植被垂直结构信息获取方面具有其他遥感技术无可比拟的优势，目前LIDAR已经在森林结构参数的测量和反演上取得了成功的应用[1卅。早期利用LIDAR计算植被叶面积指数(1eafareaindex，LAJ)的方法主要建立在经验关系的基础上，例如Piano利用离散回波激光雷达通过分割点云，提取各种统计参数，如激光点云在冠层垂直方向上的百分位数、平均高度、最大高度以及冠层反射激光点占总激光

5、点的百分比等，再分别建立这些统计参数与LAI的回归模型，指出最优的LAI估算参数为冠层反射激光点占总激光点的百分ttt剐；再如利用全波形激光雷达的波形半能量高度、波形植被部分的面积等参数结合树高建立与叶面积指数的回归关系进行反演。然而这些方法构建的都是经验公式，应用范围受到限制。随后陆续有研究定量地建立了森林的LIDAR回波模型，如Sun等将森林生长模型与LIDAR波形模型相结合模拟了多种情况下森林的LIDAR回波，并利用机载LIDAR飞行试验对模型进行了验证，结果表明LIDAR的波形数据很好地反映了森林的垂直结构和水

6、收稿日期：2010．06．21修订日期：2010-08-16基金项目：中国科学院西部行动计划项目(1czcx2．)(B2．09)；国家自然科学基金重点项目(40730525)：国家重点基础研究发展规划项目(2007CB714400)作者简介：周梦维(1982一)，女，湖北人，博士生，从事定量遥感研究。北京市朝阳区大屯路中国科学院奥运村科技科学园，100101。Email：mengweizhou@hotmail．corn※通信作者：柳钦火(1968一)。男，江西人，研究员，主要从事定量遥感研究。北京市朝阳区大屯路中国科学

7、院奥运村科技科学园，100101。EmaJl：qhliu@irsa．∞．cn平结构，并且利用模型可以分析冠层形状对参数反演的影响【6】。Ni等将不连续冠层的几何光学模型和辐射传输模型引入到LIDAR信号的模拟模型，模拟了不连续冠层中枝叶集群分布和林隙对LIDAR波形的影响[71。Kotchenova等将时变随机辐射传输理论用于森林的LIDAR波形模拟，通过将多次散射机制引入模型，很好地解释了林下植被的存在对LIDAR波形的影响【81。虽然有了这些模拟LIDAR植被回波的方法，但直接利用LIDAR数据进行植被LAJ的定量

8、反演仍然是一个空白，同时LIDAR应用的对象主要还是森林，尚未涉及到作物。本文针对目前的研究现状，在基于LIDAR的作物LAI定量反演方面进行了初步的探索，首先模拟了作物的LIDAR回波，然后建立了作物叶面积体密度和LAI的反演方法，并对模型输入参数进行了敏感性分析，最后利用“黑河综合遥感联合试验”的数据对该方法进行了验证。1作物