MOLI天基激光雷达系统进展及展望

精确测量森林生物量对分析全球碳循环有重要意义,星载激光雷达能大范围、高精度获取森林冠层结构和林下地形信息,为森林生物量和碳汇估算提供支撑。日本宇宙航空研究开发机构(Japan Aerospace Exploration Agency, JAXA)最新提出多足印观测激光雷达和成像仪计划(Multi-footprint Observation LiDAR and Imager, MOLI),旨在结合激光测高仪和光学相机准确估算全球碳储量。本文对MOLI系统的研制计划、任务目标、仪器参数、数据产品等方面进行了详细梳理,并根据其特点对我国后续激光测高载荷提出若干建议。     

封面说明

正无人机激光雷达林业资源参数提取Application of UAV lidar technology in forest resources inventory封面图片为美国加州内华达山脉森林区域的无人机激光雷达数据及其单木分割结果。无人机激光雷达数据由北京大学郭庆华团队自主研发的八悬翼无人机激光雷达系统采集,该系统集成了长距离激光雷达扫描仪、GNSS和IMU定位定姿系统,可实时、动态地采集海量高精度点云数据。利用该团队自主研发的点云滤波、归一化和单木分割等激光雷达数据处理算法,可实现森林点云中每木点云的分割,及树位置、树高、胸径、树冠表面积及体积等森林结构参数的自动提取。     

机载激光雷达系统的应用与数据后处理技术

综述了机载激光雷达系统的组成、工作原理、应用和数据后处理技术,着重介绍机载激光雷达数据中的信息提取的有关算法,这些算法包括DEM、DTM提取、房屋提取与房屋几何模型的3D重建、道路网提取、森林参数的获取等。     

激光雷达数据在山区特高压输电线路中的应用

机载激光雷达技术是一种利用激光对地表三维坐标精确信息进行采集的新型遥感技术,在我国地形测绘中具有广阔应用前景。综述了机载激光雷达系统的组成、工作原理及优势,介绍了机载激光雷达数据在山区特高压线路工程中的应用,包括DEM提取、工程线路路径走向优化调整以及塔基断面生成等。结合实际山区特高压工程,激光雷达数据为设计专业优化选线、终勘定位路径规划提供了高精度的地理信息数据,所提出的利用激光雷达数据与实测数据相结合生成塔基断面的方法在山区特高压线路中能够有效缩短工期,提高工作效率,节省开支,应用效果显著。     

林木空间格局对大光斑激光雷达波形的影响模拟

激光雷达是近年来国际上发展十分迅速的主动遥感技术，在森林参数的定量测量和反演上取得了成功应用。激光雷达具有与被动光学遥感不同的成像机理，对植被空间结构和地形的探测能力很强。大光斑激光雷达系统一般指光斑直径在8—70m、连续记录激光回波波形的激光雷达系统。由于大光斑连续回波的激光雷达的光斑尺寸通常大于林木冠幅，波形中往往包含了森林冠层和许多森林元素的信息而不仅仅是单株树的信息。对于搭载在ICESAT卫星上的GLAS而言，光斑直径为70m，因此光斑对应着一片森林，包括很多棵树，在GLAS的激光光斑内树木的空间分布会有一定变化。同时激光雷达发射的脉冲信号在激光光斑内的分布也不均匀，而是从中心到边缘呈递减的分布。因此树木空间分布模式的变化对波形会产生一定的影响。通过对几种典型的树木空间格局进行模拟（包括规则分布、均匀（随机）分布和集群分布），假定激光光斑内能量呈高斯分布，模拟了各种树木分布模式林分的激光雷达信号。从模拟结果可见，森林的空间分布模式对大光斑激光雷达波形有明显的影响，对于波形面积（AWAV）和波形半能量高度（HOME），规则分布〉随机分布〉团状分布。其中对于HOME而言，规则分布和随机分布十分接近，而对于AWAV而言，聚集中心的变动不太敏感。     

从实景三维到智能测绘——中国地质大学(北京)康志忠教授谈激光雷达技术发展

<正>近年来,随着星载激光雷达陆续升空,轻小型机载、车载和地基激光雷达系统的日趋成熟,三维空间数据迎来爆发式增长。如今,无论是在实景三维中国应用场景、智慧城市建设路线,还是在无人驾驶、遗产保护等应用领域的技术实施方案中,都可见激光雷达技术的身影。激光雷达以其快速获取高精度三维空间数据的技术优势,成为科研和应用市场的“宠儿”。在测绘地理信息领域,激光雷达也迅速在地形测绘、基础设施运维等场景中受到追捧,成为助推测绘地理信息服务从二维走向三维的重要技术力量。有业内人士认为,激光雷达技术在测绘地理信息领域的应用,有助于推动测绘行业从数字化向信息化、智能化转变。     

面向森林植被的星载大光斑激光雷达回波仿真

利用星载激光雷达的大光斑全波形数据估测植被结构参数、监测森林生态已受到广泛关注。为了更准确地理解森林植被的结构参数和光学特性对激光雷达回波波形的影响,利用实测森林植被数据提取植被空间分布的统计规律,考虑地形坡度变化和植被冠层反射特性的影响,生成参数化的森林植被空间轮廓反射模型,结合星载激光雷达的回波理论,建立了面向植被的星载激光雷达波形仿真器。由大兴安岭地区的实测植被数据提取的统计规律生成的森林目标仿真波形与地球科学激光测高仪系统（Geoscience Laser Altimeter System,GLAS）真实回波波形具有较好的一致性,平均相关系数R2达到0.91。通过波形仿真分析发现,光斑尺寸减小有利于大坡度地形的森林信息反演,研究成果对中国未来研制星载激光雷达载荷的系统参数设计具有参考意义。     

电力巡检轻小型激光雷达系统的特点及若干注意事项

详细介绍了一种适用于电力巡检的轻小型激光雷达系统,可解决地形复杂的偏远地区的电力巡检难题。首先依据电力线巡检应用需求,阐述了该激光雷达系统在高精度、大视场、高度集成、轻小型、自动巡航等方面的特点,提出了激光雷达在电力巡检中的若干注意事项;最后,进一步分析和展望了激光雷达系统在电力巡检中的优势和应用前景。     

移动三维激光雷达系统在带状测区的应用和展望

正Mobile LiDAK System移动三维激光雷达系统(MLS)之所以成为测绘界的新宠并大行其道,其关键在于这种新型的测量方式能够在正常的单位时间投入内高效采集全方位的高分辨率空间三维地形数据。当激光雷达在一条长廊里扫描的时候,它不仅获取到了周边物体的坐标信息,还能     

GLAS星载激光雷达和Landsat/ETM+数据的森林生物量估算

基于大脚印激光雷达数据和野外观测数据,该文提出一种获取脚印点内森林生物量的新思路,并结合陆地卫星数据应用于长白山地区森林地上生物量估算。首先,基于3种森林类型(针叶林、阔叶林和针阔混交林),采用多元逐步回归方法建立激光雷达波形指数与脚印点内实测平均树高的回归模型,估算全部脚印点内的平均树高;然后根据脚印点内样方的野外观测数据(平均树高和平均胸径)以及它们与样方生物量的拟合方程估算没有野外调查数据对应的脚印点的生物量;最后对3种森林类型的脚印点森林生物量在各森林覆盖度条件下进行分层分区统计得到生物量等级图。验证比较遥感估算的生物量与野外调查数据推算的生物量,总体误差在0~30(t·hm~(-2))之间,均方根误差为14.66(t·hm~(-2))。     

激光雷达森林参数反演研究进展

激光雷达通过发射激光能量和接收返回信号的方式,来获取高精度的森林空间结构和林下地形信息。全波形激光雷达通过记录返回信号的全部能量,得到亚米级植被垂直剖面;离散回波激光雷达记录的单个或多个回波,表示来自不同冠层的回波信号。星载激光雷达一般采用全波形或光子计数激光剖面系统,仅能获取卫星轨道下方的单波束或多波束数据,用于区域/全球范围的森林垂直结构及变化观测。机载激光雷达多采用离散回波或全波形激光扫描系统,能够获取飞行轨迹下方特定视场范围内的扫描数据,用于林分/区域范围的森林结构观测。地基激光雷达多采用离散回波激光扫描系统,获取以测站为中心的球形空间内扫描数据,用于单木/样地范围的森林结构观测。激光雷达单木因子估测方法可分为CHM单木法、NPC单木法和体元单木法3类。CHM单木法通过局部最大值识别树冠顶点,采用区域生长或图像分割算法识别树冠边界或树冠主方向,NPC单木法一般通过空间聚类或形态学算法识别单木,体元单木法在3维体元空间采用区域生长或空间聚类算法识别树冠。根据激光雷达冠层高度分布可以估测林分因子,冠层高度分布特征来自于离散点云或全波形。多时相激光雷达可用于森林生长量、生物量变化等监测,以及森林采伐、灾害等引起的结构变化监测。随着激光雷达技术的发展,它将在森林调查、生态环境建模等生产与科学研究领域中得到更为广泛的应用。     

利用无人机激光雷达提取玉米叶面积密度

叶面积密度可以表征冠层内部叶面积的垂直分布,是作物生长发育、营养诊断和育种研究的重要结构参数。激光雷达通过发射多脉冲和接收多回波信号可以探测到作物冠层内部信息。首先基于无人机激光雷达获取60个小区多航线的玉米点云数据,采用基于接触频率的体素法对叶面积密度进行估算,再对多个体素大小进行分析得到最优体素大小(0.2 m);其次对各航线以及航线叠加效果进行对比,得到无人机激光雷达获取点云数据的最优激光脉冲入射角(-30°～52°);然后结合玉米叶倾角和激光脉冲入射角对叶面积密度估算模型进行校正,从而提高叶面积密度估算精度;最后通过对不同种植密度和不同品种的玉米叶面积密度分布进行分析,得到不同品种玉米的发育快慢、株型特点以及最合理的种植密度。以上结果可为基于无人机激光雷达数据估算叶面积密度提供指导,并为玉米育种和科学管理提供参考。     

机载LiDAR数据估算样地和单木尺度森林地上生物量

利用机载激光雷达点云数据,结合大量实测单木结构信息,分别从样地和单木尺度估算了森林地上生物量AGB。首先,利用局部最大值单木提取算法提取了每个样地内的单木结构参数,并针对样地和单木尺度分别计算了一组激光雷达变量。然后,利用激光雷达变量和地上生物量及其两者的对数形式,从样地和单木尺度分别构建了估算模型。最后,针对两种尺度估算过程中存在的不确定性进行了详细讨论。结果表明:(1)样地和单木尺度模型估算的森林地上生物量与地面实测值都具有明显的相关性,且对数模型估算效果要优于非对数模型;(2)样地尺度模型估算效果(R2=0.84,rRMSE=0.23)明显优于单木尺度模型(R2=0.61,rRMSE=0.46);(3)按树木类型分别进行估算可以提高单木地上生物量的估算精度;(4)不论是样地还是单木尺度地上生物量估算都存在一定的不确定性,与样地尺度相比,单木尺度估算过程的不确定性更大,这种不确定性主要来自单木识别过程。     

机载Lidar系统在地形图测绘中的应用

本项目研究机载激光雷达系统辅助地形图绘制,该系统由激光雷达系统、DGPS/IMU惯性导航系统和高分辨率相机[1]组成,可获得激光数据、POS数据和数码数据,通过DEM、DOM的制作,提取等高线,采集地物数据,人工调绘隐蔽区,最后修饰整改,提交成果。测得的地形图精度高,测绘时间短,通过验证,成果满足规范标准。     

激光雷达回波模型辅助的坡地森林冠层高度反演

大光斑激光雷达数据已广泛应用于森林冠层高度提取,但通常仅限于地形坡度小于20°的平缓地区。在地形坡度大于20°的陡峭山区,地形引起的波形展宽使得地面回波和植被回波信息混合在一起,给森林冠层高度提取带来巨大挑战。本文利用激光雷达回波模型和地形信息,提出了一种模型辅助的坡地森林冠层高度反演算法。该方法以激光雷达回波信号截止点为参考,定义了波形高度指数H50和H75,使用激光雷达回波模型与已知地形信息模拟裸地的激光雷达回波,将裸地回波信号截止点与森林激光雷达回波信号截止点对齐,利用裸地回波计算常用的波形相对高度指数RH50和RH75,对森林冠层高度进行反演。并与高斯波形分解法和波形参数法的反演结果进行了比较。研究结果表明:(1)利用所提取的波形指数RH50和RH75对胸高断面积加权平均高(Lorey’s height)进行了估算,在坡度小于20°时,高斯波形分解法、波形参数法和模型辅助法的估算结果与实测值线性拟合的相关系数(R2)分别为0.70,0.78和0.98,对应的均方根误差(RMSE)分别为2.90 m,2.48 m和0.60 m,模型辅助法略优于其他两种方法;(2)在坡度大于20°时,高斯波形分解法、波形参数法和模型辅助法的R2分别为0.14,0.28和0.97,相应的RMSE分别为4.93 m,4.53 m和0.81 m,模型辅助法明显优于其他两种方法;(3)在0°—40°时,模型辅助法对Lorey’s height估算结果与实测值的R2为0.97,RMSE为0.80 m。本研究提出的模型辅助法具有更好的地形适应性,在0°—40°的坡度范围内具备对坡地森林冠层高度反演的潜力。     

基于GLAS激光雷达反演森林生物量北大核心CSCD

森林生物量是森林生态系统监测的重要指标。GLAS大光斑回波信息与森林结构参数存在较强的相关性,适用于森林生物量的反演。本文简要介绍了GLAS激光雷达系统及其特点,利用GLAS的9波形参数对小兴安岭部分地区进行针叶林与阔叶林的生物量估算,结果显示,引入纠正参数后生物量估测模型的决定系数R2由0.657提高到0.806,均方根误差(RMSE)减小为35 Mg/ha,表明利用GLAS进行森林地上生物量估测时,需要考虑地形因素对反演精度的影响。     

基于GLAS激光雷达反演森林生物量

森林生物量是森林生态系统的重要指标。GLAS大光斑回波信息与森林结构参数存在较强的相关性,适用于森林生物量的反演。本文简要介绍了GLAS激光雷达系统及其特点,利用GLAS的9波形参数对小兴安岭部分地区进行针叶林与阔叶林的生物量估算,结果显示,引入纠正参数后生物量估测模型的决定系数R²由0.657提高到0806,均方根误差（RMSE）减小为35 Mg/ha,表明利用GLAS进行森林地上生物量估测时,需要考虑地形因素对反演精度的影响。     

中国南方森林冠顶高度Lidar反演—以江西省为例

激光雷达(Lidar)与光学遥感的有效结合对中国南方区域森林冠顶高度反演意义重大,而国产卫星将为中国森林生态研究提供新的数据源。本文联合利用大脚印激光雷达GLA和国产MERSI数据,在实现GLAS波形数据处理和不同地形条件下森林冠顶高度反演算法基础上,建立了区域尺度不同森林类型林分冠顶高度GLAS+MERSI联合反演关系模型,进行了江西地区森林冠顶高度反演。总体上,GLAS激光雷达森林冠顶高度估算精度较高;且在与MERSI 250 m数据的联合反演模型中,针叶林模型精度较好(R²=0.7325);阔叶林次之(R²=0.6095);混交林较差(R²=0.4068)。分析发现,考虑了光学遥感生物物理参数的GLAS+MERSI联合关系模型在区域森林冠顶高度估算中有较高精度,且在空间分布上与土地覆盖数据分布特征非常一致。     

激光雷达扫描技术在1∶500地籍测绘中的应用

传统的1∶500地籍测绘主要采用全站仪或RTK人工测量的方法,成本高、作业效率低。激光雷达扫描技术具有效率高、灵活可靠、精度高等优点,激光雷达扫描为面测量,能够满足传统测量方式难以完成的作业和工期要求。本文结合项目实际,通过激光雷达扫描技术在1∶500地籍测绘的应用研究,建立了完整的技术流程,使用多平台移动激光雷达系统,结合立体测图软件,快速完成地籍图绘制,点云数据满足1∶500地籍测图精度。     

高分二号异轨立体数据的森林高度提取

森林植被碳储量的空间分布格局及其动态变化是陆地生态系统碳收支核算的基础。作为森林地上生物量的重要指示因子,森林高度的精确估算是提高森林植被碳储量估算精度的关键。现有研究已证明,由专业星载摄影测量系统获取的立体观测数据可用于森林高度提取,但光学遥感数据最大的问题是受云雨等天气因素的影响严重。区域森林地上生物量产品的生产需要充分挖掘潜在数据源。国产高分二号卫星(GF-2)虽然不是为获取立体观测数据而设计的专业星载摄影测量系统,但其获取的图像空间分辨率可达0.8 m,且具备±35°的的侧摆能力,在重复观测区域可构成异轨立体观测。本文以分别获取于2015年6月20日和2016年7月19的GF-2数据作为立体像对,其标称轨道侧摆角分别为0.00118°和20.4984°,以激光雷达数据获取的林下地形(DEM)和森林高度(CHM)为参考,对利用GF-2立体观测数据进行森林高度提取进行了研究。通过对立体处理得到的摄影测量点云的栅格化得到DSM,以激光雷达数据提供的DEM作为林下地形,得到了GF-2的CHM。结果表明GF-2提取的CHM与激光雷达CHM空间分布格局较为一致,两者之间存在明显的相关性,像素对像素的线性相关性(R2)达到0.51,均方根误差(RMSE)为3.6 m。研究结果表明,在林下地形已知的情况下,GF-2立体观测数据可用于森林高度估算。