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空天院山地森林透視遙感研究獲進(jìn)展

2023-11-04 08:43:15來(lái)源：空天信息創(chuàng)新研究院 閱讀量：83 評(píng)論

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導(dǎo)讀：星載單光子激光雷達(dá)作為繼大光斑波形之后的新一代衛(wèi)星激光測(cè)高技術(shù)，具備低能耗、高靈敏度的特點(diǎn)，使得雷達(dá)系統(tǒng)具有更長(zhǎng)的壽命和更遠(yuǎn)的探測(cè)距離。

　　近日，中國(guó)科學(xué)院空天信息創(chuàng)新研究院遙感科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室研究員倪文儉帶領(lǐng)的森林遙感團(tuán)隊(duì)，在利用單光子激光雷達(dá)進(jìn)行森林透視探測(cè)方面取得重要進(jìn)展。
 
　　星載單光子激光雷達(dá)作為繼大光斑波形之后的新一代衛(wèi)星激光測(cè)高技術(shù)，具備低能耗、高靈敏度的特點(diǎn)，使得雷達(dá)系統(tǒng)具有更長(zhǎng)的壽命和更遠(yuǎn)的探測(cè)距離。美國(guó)宇航局發(fā)射的第二代冰雪衛(wèi)星(ICESat-2)，利用單光子激光測(cè)距技術(shù)，在測(cè)冰方面展現(xiàn)出優(yōu)勢(shì)，但在森林透視探測(cè)方面面臨著一系列問(wèn)題。例如，在芬蘭、瑞典等北方林區(qū)，由于樹(shù)木之間存在明顯的縫隙，單光子激光雷達(dá)能夠捕捉到冠頂和地面，較好地進(jìn)行林下地形和森林高度的透視探測(cè)。然而，在濃密林區(qū)，由于冠層的遮擋，到達(dá)地面并被反射的光子數(shù)量與背景噪音光子的數(shù)量相當(dāng)，對(duì)正確識(shí)別面光子帶來(lái)挑戰(zhàn)，導(dǎo)致山地林區(qū)森林高度透視測(cè)量結(jié)果存在嚴(yán)重錯(cuò)誤。因此，如何準(zhǔn)確識(shí)別林下地面光子是國(guó)際前沿難題。
 
　　不同于以往“全盤推翻，另起爐灶”的研究思路，該團(tuán)隊(duì)以“循序漸進(jìn)、優(yōu)化迭代”為核心思路，提出了“地面光子優(yōu)化算法”(OPIC算法)，以現(xiàn)有產(chǎn)品為基礎(chǔ)，創(chuàng)建錯(cuò)分點(diǎn)云的優(yōu)化規(guī)則。
 
　　以ICESat-2衛(wèi)星官方發(fā)布的數(shù)據(jù)產(chǎn)品(ATL08)為基礎(chǔ)，研究利用光子點(diǎn)云空間分布特征，從“錯(cuò)誤地面點(diǎn)剔除”“噪音光子中召回”“冠層光子中召回”三個(gè)角度入手，創(chuàng)建點(diǎn)云優(yōu)化規(guī)則，并在廣西的高峰林場(chǎng)(亞熱帶)、印度尼西亞的加里曼丹(熱帶)、愛(ài)沙尼亞的帕努馬(溫帶)和美屬波多黎各(熱帶)等四個(gè)代表性區(qū)域進(jìn)行驗(yàn)證。結(jié)果表明：在給定森林高度提取精度要求的情況下， OPIC算法能顯著提高數(shù)據(jù)利用效率；在給定有效數(shù)據(jù)的情況下，OPIC算法能顯著提高森林高度的測(cè)量精度。
 
　　在高、中、低冠層覆蓋度與高、低地形坡度組合的不同場(chǎng)景下，OPIC算法提供的有效數(shù)據(jù)明顯多于ATL08產(chǎn)品。在最具挑戰(zhàn)性的高冠層覆蓋場(chǎng)景(HL、HH)中，OPIC算法的優(yōu)化效果尤為明顯。例如，在以亞熱帶人工林為主的高峰林場(chǎng)，經(jīng)OPIC算法優(yōu)化后的數(shù)據(jù)有效利用率從2.2%(15段)提升到41%(278段)；以高森林覆蓋度為特色的加里曼丹熱帶天然林，ATL08產(chǎn)品的數(shù)據(jù)有效利用率只有2.4%(29段)，經(jīng)過(guò)OPIC算法優(yōu)化后可增加到85.4%(1043段)；在帕努馬研究區(qū)，OPIC可將數(shù)據(jù)有效利用率從29.7%提升至85.2%；在波多黎各熱帶林區(qū)，可將數(shù)據(jù)有效利用率從12.4%提升至42.8%。
 
　　此外，在加里曼丹研究區(qū)，OPIC算法提高數(shù)據(jù)有效利用率，并可以提高森林高度的提取精度。ATL08森林高度產(chǎn)品的相對(duì)均方根誤差為25.74%，經(jīng)過(guò)OPIC算法優(yōu)化后可下降到18.84%。
 
　　相關(guān)研究成果發(fā)表在《環(huán)境遙感》(Remote Sensing of Environment)上。
 
　　
       不同的冠層覆蓋和坡度場(chǎng)景下地面光子優(yōu)化算法(OPIC)與ATL08產(chǎn)品提供的冠層高度有效數(shù)據(jù)段數(shù)的對(duì)比。低覆蓋(L)、中覆蓋(M)、高覆蓋(H)；低坡度(L)、高坡度(H)。
 
　　
       森林高度估測(cè)精度。左圖：ICESat-2官方產(chǎn)品精度；右圖：OPIC算法優(yōu)化后的估測(cè)精度。
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