基于激光雷达数据与多角度遥感模型的森林参数反演研究

摘要

光学遥感在林业资源调查方面已经取得了很大的成绩，成功地获取到了全球范围的森林分类专题图、森林覆盖度专题图，从而使人类对地球上的森林二维信息有了一定的了解。但是作为三维客观存在的实体，要准确地获得森林的三维结构信息需要利用更多维度、多源化的遥感数据。当前遥感技术在空间分辨率、时间分辨率、光谱分辨率已经实现了多元的拓展，而且在多角度观测方面也出现了一定数量的传感器，与此同时激光雷达作为一种新型的遥感探测手段，也得到广泛的关注与使用。但是目前在基础理论体系理解、完善以及开展联合应用方面都还有很多工作要做。为充分发挥激光雷达与多角度光学遥感技术在森林结构参数反演过程中的作用，首先需要了解电磁波在植被冠层中的辐射传输过程，研究两种传感器成像的物理规律，建立合适的数学物理模型进行定量描述，最终达到从多源遥感信号中准确提取森林结构参数的目的。本文以遥感物理理论为基础，研究多角度光学遥感信号双向反射分布函数（BRDF）与激光雷达回波波形模拟方法，模拟并发现不同森林场景对两种遥感信号的影响规律，在此基础上构建查找表、多角度植被指数与优化激光雷达波形参数用于森林参数的反演，有助于提高我国自有卫星数据的利用率，增强我国对森林资源的自动化监测能力。
　　本研究主要内容包括：⑴根据电磁波在大气均匀介质中的传播规律，将森林植被几何结构参数化，根据电磁波与植被组分的相互作用机理，推导叶片-叶簇-冠层的消光系数与散射系数的构建，利用蒙特卡罗模拟方法有效解决森林冠层重叠情况下,对林分覆盖度与叶面积体密度函数的计算，最后完成多角度光学遥感物理模型。并通过孔隙度这一关键参数将激光雷达回波能量与森林冠层三维结构建立联系，构建植被冠层激光雷达模型，模拟不同森林三维场景植被冠层激光雷达回波波形。⑵根据多角度光学遥感模型理论基础研究每种模型的使用范围，总结辐射传输模型与几何光学模型各自的优缺点，并利用机载高空间分辨率高光谱遥感数据进行验证分析，发现辐射传输模型更适用于高空间分辨率遥感数据反演森林叶面积指数；同时利用多角度光学遥感模型与林分生长模型构建查找表，根据查找表数据分析多角度 BRDF信号中角度、波段与森林生物量的内在关系，得出背向方向在“热点”附近的角度，前向方向在“冷点”附近的角度与森林生物量变化敏感，并寻找敏感角度与敏感波段构建多角度多波段的植被指数、借助 CHRIS星载多角度数据与样地实测数据进行区域森林生物量反演。⑶根据植被激光雷达方程纠正激光雷达回波波形，由纠正后波形的能量分布曲线获得真实的森林空间结构信息，并以单木生物量计算公式为基础，推广到适用于样地尺度生物量反演的“生物量指数”，利用机载LVIS激光雷达波形数据、样地实测生物量数据建模并反演，与分位数高度反演的生物量进行精度验证，证明在激光雷达波形纠正基础上“生物量指数”能综合考虑林分密度、树冠高度与树种的信息，提高森林生物量反演精度。

目录

第1章 绪 论

1.1 课题背景及研究目的意义

1.2 国内外研究现状

1.3 本文研究的主要内容及结构安排

第2章 植被遥感模型及其原理

2.1 引言

2.2 森林植被场景的建立

2.3 植被几何结构参数化

2.4 植被组分辐射传输

2.5 蒙特卡罗（M-C）模拟与光子跟踪模拟

2.6 植被激光雷达回波模型

2.7 本章小结

第3章 模型模拟与光学多角度数据处理

3.1 引言

3.2 多角度BRDF与激光雷达数据模拟

3.3 多角度遥感数据的处理

3.4 本章小结

第4章 基于光学遥感数据的森林参数提取

4.1 引言

4.2 机载高光谱数据处理

4.3 基于多角度遥感物理模型的查找表建立

4.4 叶面积指数反演与验证

4.5 森林生物量反演与验证

4.6 本章小结

第5章 基于激光雷达波形数据的森林参数反演

5.1 引言

5.2 激光雷达波形数据的纠正

5.3 基于激光雷达波形数据的森林生物量指数提取

5.4 LVIS激光雷达波形数据处理

5.5 森林生物量反演与验证

5.6 联合激光雷达波形与光学多角度数据的森林生物量反演

5.7本章小结

结论

参考文献

攻读博士学位期间发表的论文及其他成果

声明

致谢

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