机载激光雷达探测森林冠层高度的机理模型研究

According to electromagnetic propagation theory and aerial survey principle, the research will develop a simulation model of airborne LIDAR system, including flight platform simulation, POS simulation, laser scan system simulation, laser sensor simulation. Three dimensional scenes of forest canopies will be established considering different features of tree crowns and rolling terrain. The simulation model of detection process will be constructed by analyzing the interaction between laser pulse and forest canopies. Adjusting the data acquisition parameters of airborne LIDAR systems, it can produce different point cloud data with varying footprint sizes and sample densities, which may be used to analyze the influence of these relative parameters on estimation accuracy of forest canopy heights. The laser pulse footprints on the ground have different features, which change with fluctuate terrain. Adjusting the parameters of three dimensional scenes of forest canopies, it can generate different return echoes on virtual terrain environment, which can assess the influence of different slops on forest canopy height extraction.

根据电磁传播理论和航空测量原理，建立机载激光雷达系统模拟模型，包括飞行平台模拟、POS模拟、激光扫描系统模拟、激光传感器模拟；考虑到真实的树冠特征和地形特征，建立森林冠层三维场景环境；通过分析激光脉冲与森林冠层之间的相互作用，建立激光脉冲探测森林冠层的过程模拟模型。通过调整激光雷达数据获取参数，可以得到不同光斑尺寸的回波信号、不同采样密度的点云数据，用于分析相关参数对森林冠层高度提取精度的影响。不同的地形条件会影响激光脉冲到达地表物体时的光斑特征，通过调整森林冠层三维场景环境参数，可以得到理想地形条件下的回波信号，分析坡度变化对森林冠层高度提取的影响。

激光雷达通过发射激光脉冲和接收返回能量的方式来获取植被三维空间结构信息，对于裸露地表、低矮植被、森林等地物来说，激光脉冲与探测目标之间的相互作用关系复杂多变，为了更好地理解激光雷达对森林冠层空间结构的探测能力，本研究建立了机载激光雷达系统模拟（ALSS）模型，对森林冠层三维场景环境和激光脉冲探测森林冠层的过程进行模拟。ALSS模型将航线、冠层高度、地形等信息作为输入源，调整不同的激光扫描参数，可以得到系列激光雷达模拟数据，用于分析不同观测方案下森林高度信息的相关性。本研究还提出了激光雷达数据特征提取和质量分析方法，包括根据激光脉冲间时间间隔计算脉冲重复频率（PRF），根据激光扫描角变化规律判断激光扫描模式、计算扫描频率等，根据激光扫描特征提取航带边界，根据不同航带间高程差异判断高程匹配质量等内容。通过对比单木特征识别方法与高度分位数方法发现，两种方案的森林高度估测结果与地面测量值之间均具有很高的相关性。激光雷达返回能量过低时容易产生后向散射信号丢失现象，考虑到森林损失的后向散射信号通常显著多于地面损失的后向散射信号，本研究提出了一种激光脉冲损失率修正森林郁闭度方法，可以很好地解决后向散射信号损失造成的森林郁闭度低估现象。本研究将加深对激光雷达与森林冠层之间相互作用机理的理解，同时为合理利用我国森林资源以及进一步探讨森林动态变化与全球气候和环境变化之间的关系提供帮助。