基于激光雷达的森林高度反演
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–王永平对现有的数据滤波方法进行了分析和比 较，并提出了一种适用于森林地区LiDAR数据滤 波的算法，该方法能在中等复杂地形的林区有 效剔除粗差点、确定数目点云，并使用德国数 据进行了想关实验和分析，最终提取了森林试 验区得数字高程模型和平均树高。
国内外研究现状
• 国内研究进展
–周淑芳将LiDAR数据和与其同步获取的高分辨 率数目影像为数据源，进行了高精度的单水平 方向信息及树高信息的提取。赵峰采用植被激 光点云数据在不同高度处的分位数作为统计变 量，建立于林分平均高的关系，进行林分平均 高反演，以树冠高模型和影像分割结果为基础 进行了单木树高反演
基于激光雷达的森林高度反演
10-6 闫敏
摘要幻灯片
• 研究森林植被高度的背景及需求 • 激光雷达用于森林高度反演 • 国内外研究现状 • 激光雷达反演树高的局限性
研究森林植被高度的背景及需求
• 森林高度图可以帮助科学家们了解人类 燃烧化石燃料所释放的二氧化碳，有多 少被全球的树木吸收贮存起来。数十年 来，科学家已经通过卫星图像，绘制了 全球森林的地域分布地图。森林的地域 分布地图非常有用，解决了众多科学问 题。
–Lefsky等人对多种先进的遥感数据进行了比较研究， 包括多时相TM数据、高空间分辨率的机载ADAR数据、 机载高光谱AVIRIS数据和机载激光雷达SLICER数据， 结果表明激光雷达数据反演出的数目结构参数精度最 高并指出尽管目前激光雷达只有采样数据，但与其他 影像数据结合使用将大大提高林业遥感的精度，近来 随着星载激光雷达系统的实施，必能取得更广泛的应 用。
激光雷达反演树高的局限性
• 尽管LiDAR在很多森林参数反演上取得了很大的 成功，但目前这一技术的应用仍很局限，主要表 现为：
– 理论体系尚有待进一步完善、数据有限、数据分析处 理软件缺乏、费用相对其它遥感手段较高。
– 小光斑系统由于是离散采样，往往会错失树顶的采样 而低估树高，为了弥补这一点，需要加大采样密度， 降低飞行高度，导致大范围应用所需费用很高，大光 斑系统有效地避免了树顶的错失，但太大的光斑会受 到林下地形和树木空间结构的影响。
激光雷达用于森林高度反演
– 其测距基本原理可表示为 – 即通过处理每个脉冲返回传感器哦的时间，解
算传感器和地面不同表面之间的距离。 – 用于林业的激Biblioteka Baidu雷达主要有2类：记录完整波
形数据的大光斑雷达与仅记录少量回波的小光 斑激光雷达。前者主要通过回波波形用于反演 大范围森林的垂直结构与生物量，后者利用高 密度的激光点云进行精确的单木水平上的高度 估测等工作。
国内外研究现状
• 国外研究进展
–Nisson等通过计算冠顶和地面回波之间的距离计算了 树高，精度达90%以上。
– 马里兰大学地理系Dubayah等人与NASA-GSFC合作提 出了星载植被激光雷达系统计划，该计划的机载实验 系统在美国、加拿大、澳大利亚等多个国家进行了成 功的实验，发展了森林激光雷达回波波形处理的方法 并进行了验证。
研究森林植被高度的背景及需求
• 例如，它可以反映出森林破坏速度是在减 缓还是增快。 但是对于另一些疑问它却无 能为力，比如，哪些森林吸收了燃烧矿物 燃料所释放的大部分二氧化碳。因为科学 家需要了解森林的生物总量信息，这时就 需要同时了解森林分布和树木高度的数据。
研究森林植被高度的背景及需求
• 而对于传统的森林冠层高度获取方法不仅 成本高，且费时费力，作为一种主动式遥 感技术手段，激光雷达（LiDAR）系统在反 演森林冠层高度方面具有很大的优势及潜 力，能够快速准确地获取林地数字高程模 型和森林高度信息。
国内外研究现状
• 国外研究进展
– Kenton Todd等对小光斑LiDAR数据计算树高进 行了研究，通过剔除首次回波中的噪声点而提 取出数字表面模型，然后通过DSM减去而得到 了平均树高。
国内外研究现状
• 国内研究进展
– 庞勇等人利用较低密度的点云数据，使用分位 数法对林分平均高度进行了估计，实验精度达 到了国家二类森林调查规程的需求。
小光斑激光雷达森林回波点云示意图
激光雷达用于森林高度反演
• 树高的提取方法与DTM和DSM的生成紧密相关， 两者查分而生成的nDSM(normalized Digital Surface Model)上的高度即第五绝对高度，是树 高提取的直接依据。激光点云数据树高反演处理
的流程如下：
激光雷达用于森林高度反演
激光雷达用于森林高度反演
• 林业用激光雷达工作原理
– 激光雷达测高原理和雷达高度计相同，只是它 用的是激光，工作频段在可见光和近红外。激 光雷达以脉冲激光作为技术手段，以激光束扫 描的工作方式测量从传感器到地面上激光照射 点的距离，即通过测量地面采样点激光回波脉 冲相对于发射激光主波之间的时间延长得到传 感器到地面采样点之间的距离。
激光雷达用于森林高度反演
• LiDAR反演树高原理
– LiDAR的回波信号是从能量超过某一给定噪声 阈值开始以一定的时间间隔进行记录的，离散 回波的LiDAR系统仅记录超过某一阈值的几个 回波或一个回波。因此，对小光斑离散回波的 LiDAR系统而言，树高是来自树顶的回波与来 自地面回波高程的差。由于小光斑激光雷达的 光斑尺寸小于林木冠幅，小光斑离散回波的激 光雷达仅能对树冠的一部分进行感应。因此， 小光斑激光雷达数据是对林分的一个高密度采 样数据集，表现为高密度的林分激光点云。
国内外研究现状
• 国内研究进展
–周淑芳将LiDAR数据和与其同步获取的高分辨 率数目影像为数据源，进行了高精度的单水平 方向信息及树高信息的提取。赵峰采用植被激 光点云数据在不同高度处的分位数作为统计变 量，建立于林分平均高的关系，进行林分平均 高反演，以树冠高模型和影像分割结果为基础 进行了单木树高反演
基于激光雷达的森林高度反演
10-6 闫敏
摘要幻灯片
• 研究森林植被高度的背景及需求 • 激光雷达用于森林高度反演 • 国内外研究现状 • 激光雷达反演树高的局限性
研究森林植被高度的背景及需求
• 森林高度图可以帮助科学家们了解人类 燃烧化石燃料所释放的二氧化碳，有多 少被全球的树木吸收贮存起来。数十年 来，科学家已经通过卫星图像，绘制了 全球森林的地域分布地图。森林的地域 分布地图非常有用，解决了众多科学问 题。
–Lefsky等人对多种先进的遥感数据进行了比较研究， 包括多时相TM数据、高空间分辨率的机载ADAR数据、 机载高光谱AVIRIS数据和机载激光雷达SLICER数据， 结果表明激光雷达数据反演出的数目结构参数精度最 高并指出尽管目前激光雷达只有采样数据，但与其他 影像数据结合使用将大大提高林业遥感的精度，近来 随着星载激光雷达系统的实施，必能取得更广泛的应 用。
激光雷达反演树高的局限性
• 尽管LiDAR在很多森林参数反演上取得了很大的 成功，但目前这一技术的应用仍很局限，主要表 现为：
– 理论体系尚有待进一步完善、数据有限、数据分析处 理软件缺乏、费用相对其它遥感手段较高。
– 小光斑系统由于是离散采样，往往会错失树顶的采样 而低估树高，为了弥补这一点，需要加大采样密度， 降低飞行高度，导致大范围应用所需费用很高，大光 斑系统有效地避免了树顶的错失，但太大的光斑会受 到林下地形和树木空间结构的影响。
激光雷达用于森林高度反演
– 其测距基本原理可表示为 – 即通过处理每个脉冲返回传感器哦的时间，解
算传感器和地面不同表面之间的距离。 – 用于林业的激Biblioteka Baidu雷达主要有2类：记录完整波
形数据的大光斑雷达与仅记录少量回波的小光 斑激光雷达。前者主要通过回波波形用于反演 大范围森林的垂直结构与生物量，后者利用高 密度的激光点云进行精确的单木水平上的高度 估测等工作。
国内外研究现状
• 国外研究进展
–Nisson等通过计算冠顶和地面回波之间的距离计算了 树高，精度达90%以上。
– 马里兰大学地理系Dubayah等人与NASA-GSFC合作提 出了星载植被激光雷达系统计划，该计划的机载实验 系统在美国、加拿大、澳大利亚等多个国家进行了成 功的实验，发展了森林激光雷达回波波形处理的方法 并进行了验证。
研究森林植被高度的背景及需求
• 例如，它可以反映出森林破坏速度是在减 缓还是增快。 但是对于另一些疑问它却无 能为力，比如，哪些森林吸收了燃烧矿物 燃料所释放的大部分二氧化碳。因为科学 家需要了解森林的生物总量信息，这时就 需要同时了解森林分布和树木高度的数据。
研究森林植被高度的背景及需求
• 而对于传统的森林冠层高度获取方法不仅 成本高，且费时费力，作为一种主动式遥 感技术手段，激光雷达（LiDAR）系统在反 演森林冠层高度方面具有很大的优势及潜 力，能够快速准确地获取林地数字高程模 型和森林高度信息。
国内外研究现状
• 国外研究进展
– Kenton Todd等对小光斑LiDAR数据计算树高进 行了研究，通过剔除首次回波中的噪声点而提 取出数字表面模型，然后通过DSM减去而得到 了平均树高。
国内外研究现状
• 国内研究进展
– 庞勇等人利用较低密度的点云数据，使用分位 数法对林分平均高度进行了估计，实验精度达 到了国家二类森林调查规程的需求。
小光斑激光雷达森林回波点云示意图
激光雷达用于森林高度反演
• 树高的提取方法与DTM和DSM的生成紧密相关， 两者查分而生成的nDSM(normalized Digital Surface Model)上的高度即第五绝对高度，是树 高提取的直接依据。激光点云数据树高反演处理
的流程如下：
激光雷达用于森林高度反演
激光雷达用于森林高度反演
• 林业用激光雷达工作原理
– 激光雷达测高原理和雷达高度计相同，只是它 用的是激光，工作频段在可见光和近红外。激 光雷达以脉冲激光作为技术手段，以激光束扫 描的工作方式测量从传感器到地面上激光照射 点的距离，即通过测量地面采样点激光回波脉 冲相对于发射激光主波之间的时间延长得到传 感器到地面采样点之间的距离。
激光雷达用于森林高度反演
• LiDAR反演树高原理
– LiDAR的回波信号是从能量超过某一给定噪声 阈值开始以一定的时间间隔进行记录的，离散 回波的LiDAR系统仅记录超过某一阈值的几个 回波或一个回波。因此，对小光斑离散回波的 LiDAR系统而言，树高是来自树顶的回波与来 自地面回波高程的差。由于小光斑激光雷达的 光斑尺寸小于林木冠幅，小光斑离散回波的激 光雷达仅能对树冠的一部分进行感应。因此， 小光斑激光雷达数据是对林分的一个高密度采 样数据集，表现为高密度的林分激光点云。