融合激光扫描数据和遥感影像的城市绿地碳储量估算方法研究

对植被碳储量的研究可以更为正确地评估植被在碳平衡中的作用。城市绿地是城市生态系统的重要组成部分和主要碳汇之一。传统的植被碳储量遥感估算方法主要利用遥感影像的光谱信息及据此获得的植被指数或二维分布。对于城市绿地这种空间分布更为分散、种类更为繁多、乔灌草混合现象更为明显的特殊生态系统，传统方法并不能达到较好的精度。本项目拟融合使用激光扫描数据（包括机载和车载）和遥感影像，探索一种快速、准确地估算城市绿地碳储量的新方法。此方法将综合使用从激光扫描数据中获取的植被生物物理参数（三维信息）和从遥感影像中获取的植被分布（二维信息），建立城市绿地碳储量估算模型，并通过对实验区域的估算，评价方法的精度。研究成果将完善从激光扫描数据中获取植被信息的方法，并为城市绿地的碳储量遥感估算提供一种崭新途径。

在本项目研究工作进行的三年间，以上海市为研究区域开展了相关研究，主要研究成果包括七个方面。1）收集了多时相的高分辨率航空遥感影像、中心城区机载激光扫描数据，采集了多个研究样区多时相的车载激光扫描数据，收集或实地测量了样区的植被生物物理参数（包括树高、胸径、冠幅、枝下高等），并采集了样区植被样本。2）在已有的投影点密度法基础上提出了基于分层网格点密度的单株行道树提取方法，包括：建立规则网格、基于高程的点云分层、逐层计算网格点密度、逐层提取激光点、提取单株行道树和计算特征等步骤；通过华东师范大学中山北路校区的应用实例，表明该方法可有效地从车载激光扫描点云数据中提取单株行道树。在利用基于分层网格点密度法获取单株树主干位置后，提出了利用缓冲区法，可以快速获取道路两侧单株树的树高。3）提出了基于体元的邻域搜索与标记方法用于从车载激光扫描数据中提取单株树，包括：体元化、设定体元值、邻域搜索及标记、提取候选单株树、生物物理参数估算、去除其他杆状物等步骤；该方法还可用于估算树高、胸径、冠幅、枝下高和三维绿量等生物物理参数；通过上海市闵行区紫星路等区域的应用实例表明，该方法可从车载激光扫描点云数据中较好地识别单株树，并可用于树冠部分重叠的单株树的识别，所提取的生物物理参数具有较高精度。4）提出了融合使用机载LiDAR数据和遥感影像获取城市绿地三维绿量的方法，机载LiDAR数据用于单株树的分割和树木属性（例如：树木位置，树高和冠径）的提取，高分辨率遥感影像用于城市植被分布和树种信息的识别；通过上海市陆家嘴区域的应用实例表明该方法能够实现城市绿地三维绿量的自动估算，结果具有较高精度。5）提出了融合使用车载激光扫描数据和遥感影像获取城市森林三维绿量的方法，包括：识别单株树、提取单株树的生物物理参数、提取高分辨率遥感图像上的植被分布信息、计算研究区域总绿量值等步骤；通过上海市滨江森林公园的实例表明，通过车载激光扫描数据获取的道路两侧样本树的三维形态属性与从遥感数据上获取的植被分布结合，可以有效地估算城市森林的三维绿量。6）提出了利用转换系数，从估算的城市植被三维绿量计算植被碳储量的模型。7）编程实现了本研究所提出的算法，开发了原型系统软件或软件模块。本项目所提出的方法和开发的软件可为城市植被的分布调查和生物物理参数估算提供有效的方法。