激光雷達遙感探測植被理化參數垂直分布

植被是生長於地球表層的各種植物類型的總稱，在地球系統中扮演著重要的角色。綠色植物通過光合作用提供了生態系統運行的能源動力，並可為其他生物提供賴以生存的有機物質，是地球必不可少的組成部分。

遙感是監測全球植被的有效手段，衛星、飛機可從天空遙視地球，不受自然和社會條件的限制，迅速獲取大範圍觀測資料，為人類提供了監測、量化和研究人類有序活動和氣候變化對區域或全球植被變化影響的可能。然而目前大多數遙感手段僅能獲取植被的二維信息，實際上植被不同高度的葉片對總光合作用和碳儲量的貢獻不同，葉面積垂直分布狀況是能量、水和養分流動的重要決定因素，在確定生物棲息地適宜性、物種的數量和多樣性中發揮著重要作用。

激光雷達（Light Detection and Ranging，LiDAR）是近年來發展十分迅速的主動遙感技術，遙感器發射激光脈衝，當激光脈衝被目標物反射回接收器時，記錄地物返回的高程、強度和地理坐標等信息，使得LiDAR在獲取森林水平分布信息的同時，也能夠反映被動光學遙感所不能反映的森林垂直結構信息。LiDAR掃描的數據以點的形式記錄，每一個點包含有三維坐標和反射強度信息，統稱點雲數據。目前LiDAR已經普遍應用於複雜森林地區植被結構參數的直接測量，表明了其相對於依賴太陽的被動遙感的優越性。

在國家973計劃項目「複雜地表遙感信息動態分析與建模」課題5「植被理化參數垂直分布遙感探測機理」的支持下，中國科學院遙感與數字地球研究所、電子科技大學和中國林業科學研究院開展了利用LiDAR技術進行植被理化參數垂直分布遙感探測的機理與應用研究。

植被葉面積垂直分布探測

葉面積密度（Leaf Area Density，LAD）是表示植被冠層葉面積垂直分布的重要參數，定義為每單位地面面積每單位高度範圍內的總單面葉面積，取決於物種、發育階段和干擾。林分成熟時樹高度分布均勻，LAD最大值可能會出現在樹冠的中心附近，而干擾林分生物量損失後，林木高度參差不齊，隨著再生整體LAD增加，LAD最大值可能出現在較低的高度。因此，LAD是生態過程模型在全球碳循環中模擬陸地植被角色的一個重要輸入參數。

對於一棵6.5米高的玉蘭樹，通過高解析度地基LiDAR在3個不同位置進行掃描並配准，得到的三維激光點雲數量超過6萬個，可清晰表達樹木的葉片和枝幹等信息。要計算樹木冠層LAD，首先需要把葉片點雲和其他部分的點雲分離開來，針對葉片、枝幹等部位的不同形狀與特性，採用點雲分割演算法法線差分運算元提取出樹木葉片三維激光點雲。然後利用體元冠層分析法將樹木冠層分成多個小立方體，判斷小立方體內包含的激光點個數並統計水平層葉片與激光光束的接觸頻率，結合葉傾角校正因子，計算得到LAD，如圖1所示。

針對成片樹林，地基LiDAR龐大的數據量使得點雲分割的方法不再合適，結合多光譜遙感圖像進行分類可以提取葉片三維激光點雲，然後利用體元冠層分析法計算得到LAD，如圖2所示。

植被生化參數垂直分布探測

近二三十年來，植被生化組分參數的遙感反演在遙感走向定量化過程中始終被重點關注。如何高精度地重建冠層輻射傳輸過程以獲取葉面積指數和葉向分布，以及重建葉片輻射傳輸過程以獲取葉綠素、水分、蛋白質、纖維素、木質素等多種生化組分的含量信息，是從事定量遙感的學者長期研究的目標。對於植被生化組分垂直分布，目前國內外的研究較少，大部分的研究集中在葉綠素垂直分布或者氮素垂直分布，所利用的數據基於高光譜數據以及實測數據，而且沒有完善的生化組分垂直分布物理模型。

LiDAR數據幾乎沒有被用來進行葉綠素垂直分布的研究，分析其原因，主要是多波段LiDAR數據還不成熟，而不同波段的LiDAR數據卻是反演生化組分所必需的。多波段LiDAR可以同時測量兩個以上波長的發射波形和回波波形，覆蓋範圍從可見光到近紅外區域，不僅可以完成單波段LiDAR的植被高度、密度等結構參數的測量，同時還具有多光譜窄波段信息，能夠探測植被的生物化學特徵，獲取植被養分、水分等的垂直分布狀況，因此該設備在定量遙感研究領域具有極大的應用潛力。

在此需求下，中國科學院遙感與數字地球研究所牛錚研究員團隊研製了32波段脈衝LiDAR設備（見圖3），覆蓋範圍從可見光到近紅外區域，有利於進行植被高度、密度等結構參數的三維提取，可以定量分析植被生物化學特徵，包括植被養分、水分等的垂直分布狀況，對於植被理化參數垂直提取研究具有重要促進作用。該設備主要由二維掃描平台、超連續譜脈衝激光光源（NKT SuperK Compact）、固定於掃描平台的同軸發射接收系統、多通道全波形測量裝置、控制中心等組成。

其中，超連續譜脈衝激光光源的光譜範圍為450～2400納米，脈衝寬度為1～2納秒，峰值功率約20千瓦，脈衝頻率為20～40千赫。所發出的「白光」激光經過準直器後變成匯聚的光束（發散角小於5毫弧度），該光束經過兩個反射鏡（M1和M2）產生兩次折射，進入望遠鏡光軸並發射出去。其中反射鏡M1為微透反射鏡，激光束中絕大部分光反射到鏡筒內，少部分光透過反射鏡再經過光纖投射到發射探測感測器APD1中，實現發射光束的波形採集，採集的信號用來觸發一次測量，捕捉髮射脈衝和接收回波，因此，利用時間飛行法可以實現距離的測量。

因此，原型系統可以通過對各個通道記錄波形的後處理實現飛行時間和回波的光譜的測量。兩軸轉檯帶動光學部分進行掃描，可以生產出具有光譜信息的三維點雲，每個測量點既包括距離信息，又包括多個波段的光譜信息，同時探測不同生化組分引起的精細的光譜變化和全波形LiDAR回波信號，獲取的一系列不同波長的回波信號包含了豐富的植被結構信息和生化組分信息。研究團隊利用室內和野外試驗對儀器測量數據進行了分析，並進一步完善，從而使樣機整體水平處於國際領先水平。該設備對於植被生長狀態的準確評價以及植被定量遙感的發展、遙感產品的生態學應用具有重要意義。

致謝：感謝國家973計劃項目「複雜地表遙感信息動態分析與建模」課題5「植被理化參數垂直分布遙感探測機理」（課題編號：2013CB733405）的支持。

專家簡介

李世華：電子科技大學資源與環境學院教授。

高帥：中國科學院遙感與數字地球研究所副研究員。

劉清旺：中國林業科學院資源信息研究所助理研究員。

孫剛：中國科學院遙感與數字地球研究所高級工程師。

李旺：中國科學院遙感與數字地球研究所助理研究員。

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