針對激光雷達探測植被垂直結構的特點，結閤森林參數反演研究與業務應用的現狀，《激光雷達森林參數反演技術與方法》較為全麵地介紹激光雷達技術基礎、點雲與波形數據處理的流程與方法，闡述機載激光雷達單木與林分因子提取、星載激光雷達區域尺度森林應用和地基激光雷達森林參數提取的技術與方法。《激光雷達森林參數反演技術與方法》綜述該方嚮國際上主流、前沿的研究方法，並結閤具體的應用，給齣作者團隊近年來的研究成果。

內頁插圖

《地球觀測與導航技術叢書》齣版說明
序
前言
第1章激光雷達技術基礎1
1.1激光雷達概述1
1.2激光雷達基本原理4
1.3激光雷達數據采集18
1.4國內外典型係統25
參考文獻37
第2章激光雷達點雲數據處理40
2.1點雲數據特徵40
2.2噪聲點去除算法44
2.3地麵點分類算法44
2.4植被點分類算法51
2.5點雲數據柵格化52
參考文獻57
第3章激光雷達波形數據處理58
3.1波形數據介紹58
3.2波形數據預處理64
3.3波形高斯分解64
3.4波形反捲積69
3.5點雲和波形數據特徵定量對比73
參考文獻79
第4章機載激光雷達單木因子提取81
4.1國內外研究現狀81
4.2冠層高度模型生成84
4.3冠層高度模型優化85
4.4冠層高度模型平滑97
4.5基於樹冠幾何特徵的單木因子提取算法99
4.6基於形態學冠層控製和分水嶺的單木因子提取算法114
參考文獻126
第5章機載激光雷達林分因子提取130
5.1國內外研究現狀130
5.2變量計算133
5.3林分因子反演算法136
5.4小興安嶺林分因子反演138
參考文獻149
第6章星載激光雷達數據處理及林業應用151
6.1星載激光雷達林業應用研究現狀151
6.2大光斑激光雷達森林迴波模型156
6.3星載LiDAR波形處理及關鍵參數計算174
6.4基於GLAS波形數據的樹高反演179
6.5基於GLAS的雲南省森林地上生物量反演183
參考文獻187
第7章地基激光雷達森林參數提取191
7.1地基激光雷達林業研究與應用現狀191
7.2森林樣地地基激光雷達數據采集193
7.3地基激光雷達點雲數據預處理195
7.4森林結構參數提取201
參考文獻213
本書縮略詞215
索引218

精彩書摘

第1章激光雷達技術基礎
激光雷達技術是一門涉及光電、機械、導航、測繪、計算機、軟件等技術領域的新型測量技術，無論其硬件體製、軟件設計、數據處理方法，還是行業應用均涵蓋瞭大量的技術方法。激光雷達包含一套復雜的技術體係，屬於從技術理論到工程應用都較為復雜的係統工程。本章主要介紹激光雷達的發展曆史、技術特點、基本原理，以及國內外典型的激光雷達係統，針對激光雷達森林應用的技術特點，重點說明離散迴波和連續迴波激光雷達的數據采集與處理相關的核心內容。
1.1激光雷達概述[*2]1.1.1激光雷達簡介激光（light amplification by stimulated emission of radiation， LASER）是20世紀人類最重要的發明之一，是一種通過原子受激輻射躍遷而形成主動光源的技術，具有很好的單色性、方嚮性和相乾性，同時，具備很高的單光子輻射能量。激光雷達技術是20世紀中後期以來發展迅速的一種主動遙感傳感器，最初的名稱為LASER RADAR （radio detection and ranging）。激光雷達是一種與雷達類似的主動探測手段，不同之處是它使用激光作為發射源。激光雷達常被稱為LiDAR（light detection and ranging），即激光探測與測距，能夠充分發揮激光單色性好、發散角小、功率高的特點，具有很高的測量精度。
1.1.2激光雷達發展曆史
激光雷達測量技術作為遙感手段的曆史可以追溯到40多年以前。20世紀60~70年代，人們進行瞭多項實驗，結果都錶明利用激光進行遙感的巨大潛力，其中包括激光測月和衛星激光測距。激光雷達在地球科學和行星科學領域同樣有著廣泛應用。美國早在70年代阿波羅登月計劃中就應用瞭激光雷達測高技術（Kaula et al.， 1974）。80年代中期，美國國傢航空航天局（National Aeronautics and Space Administration， NASA）研製瞭海洋激光雷達係統（airborne oceanographic LiDAR， AOL）以及機載地形測量係統（airborne topographic mapper， ATM）等機載激光雷達係統，但機載激光雷達直到90年代纔取得瞭重大進展，齣現瞭一些精確可靠的係統，包括航天飛機激光測高計（shuttle LASER altimeter， SLA）（Garvin et al.， 1998）、火星觀測激光測高計（Mars observer LASER altimeter， MOLA）（Smith et al.， 1998）以及月球觀測激光測高計（Lunar observer LASER altimeter， LOLA）（Garvin et al.， 1988）等。利用這些激光雷達係統可以獲取地球錶麵、火星錶麵以及月球錶麵的高分辨率地形信息，對於研究地球和火星等星體的真實幾何形態有著重要的科學意義。航天飛機激光雷達測高計由NASA戈達德空間飛行中心（Goddard Space Flight Center， GSFC）研製，是一種安置在航天飛機上的空間飛行儀器，用於從地球低軌道高度對地進行地形測量，可為星載激光雷達測高進行科學試驗。1984年，研究人員開始利用機載激光雷達進行地形測量研究並給齣瞭測量結果（Krabill et al.， 1984）。1988年，德國斯圖加特大學攝影測量學院在Ackermann教授的領導下，開始研製機載激光掃描地形斷麵測量係統。荷蘭測量部門自1988年開始利用激光雷達測量技術提取地形信息的可行性研究。加拿大卡爾加裏大學於1998年進行瞭機載激光雷達係統的集成試驗，通過對激光掃描儀與全球導航衛星係統（global navigation satellite system， GNSS）、慣性導航係統（inertial navigation system， INS）和數據通信設備進行集成，實現瞭一個機載激光雷達三維數據獲取係統，並進行瞭一定規模的實驗。1999年日本東京大學進行瞭地麵固定激光掃描係統的集成與實驗（Zhao and Shibasaki， 1997， 1999）。隨後幾年中，由於硬件技術的進步，歐美的一些發達國傢先後研製齣多種小型化、商業化的機載激光雷達係統，其中，包括TopScan、Optech、TopEye、TopSys、HawkEye等（Baltsavias， 1999）。商業化係統，尤其是機載激光雷達係統的發展和推廣在此後十年間極大地促進瞭激光雷達在測繪、三維城市、林業等領域的應用。目前全球最活躍的激光雷達廠商包括Leica、Riegl和Optech等，其主流産品代錶瞭機載激光雷達、地基激光雷達和移動激光測量技術的國際先進水平（Mallet and Bretar， 2009）。國際市場上齣現的一些典型係統，如Riegl 激光測量係統LMS�睶560、Leica機載激光掃描儀ALS 40、Optech機載激光地形測量儀ALTM 3100等，為激光雷達數據處理方法和應用的研究提供瞭大量的數據基礎，也促進瞭激光雷達後處理軟件的發展。到2010年前後，主流的商業化激光雷達係統在脈衝重頻脈衝重頻、工作距離等硬件性能上已經數倍於第一代産品。學術界對激光雷達的另一重要研究方嚮是將激光雷達與其他多源遙感數據融閤，NASA的戈達德激光雷達、高光譜和熱成像儀（Goddard’s LiDAR， hyperspectral and thermal imager， G�睱iHT）項目就是一種將機載激光雷達和高光譜掃描儀、熱紅外成像儀等遙感技術相結閤的嘗試（Cook et al.， 2013）。而在另一方麵，以美國為中心研製的星載激光雷達技術也得到瞭極大的發展，NASA於2003年發射瞭第一代星載激光測高衛星（ice， cloud and land elevation satellite， ICESat），在兩極冰蓋、大氣、全球地形和植被等研究領域作齣瞭很大的貢獻。
相比於國際工業界和學術界，國內在激光雷達技術領域起步稍晚，但在最近十多年中取得瞭很快的發展。21世紀初，我國的一些高校、研究院所和商業公司從國外引入瞭機載激光雷達係統，是國內最早的一批實用化、業務化的激光雷達用戶。事實上，我國十分重視激光雷達技術係統的研製，科技部、電子工業部、中國科學院、航天係統等多傢部門和單位已投入瞭相當多的科研資源研製機載或星載激光雷達係統。目前，也有一些商業公司具備瞭地麵、機載激光雷達係統的研發能力，産品基本具有瞭與國際同類産品競爭的實力。值得指齣的是，激光雷達技術已經在國內一些科學技術領域起到瞭重要作用。2013年“嫦娥三號”月球探測器著陸過程中，國産的激光測距器件和激光三維成像器件成功實現瞭月球車安全避障。2013年，中國林業科學研究院資源信息研究所引進瞭國內第一套集成瞭全波形激光雷達、高光譜掃描儀和電荷耦閤器件（charge�瞔oupled device， CCD）相機三種傳感器的機載遙感觀測平颱CAF�睱iCHy（Chinese Academy of Forestry， LiDAR， CCD， hyperspectral）係統（Pang et al.， 2013），在我國東北、西南和中部多個森林資源豐富的省（區、市）開展瞭航空地麵聯閤實驗，為森林植被研究積纍瞭大量數據，其設計理念和設備性能可與NASA的G�睱iHT等機載係統相當。
1.1.3激光雷達主要特徵
相比於傳統的攝影測量和光學遙感手段，目前激光雷達技術的發展和應用具有以下一些特徵。
1）三維信息特徵
由於激光雷達對目標進行主動探測，故能直接獲取地物的三維信息，不需要通過立體像對或多角度觀測進行三維場景的建立，這是傳統攝影測量和光學遙感手段所不具備的技術優勢。這一特徵對於地形測量、建築物三維建模、植被垂直結構等三維信息的提取具有重要意義，也是目前激光雷達在這些領域得到廣泛推廣的主要原因之一。同時，激光的測距精度極高、發散角極小，加上可靠的慣性測量單元和差分GNSS技術，使得激光雷達獲取的反射體坐標精度非常高，這也是傳統的被動成像手段所不具備的重要技術優勢。
2）空間采樣特徵
目前最常見的激光雷達係統均為脈衝式離散點測量，而非麵成像。對空間采樣的精細程度由單位麵積的點密度或脈衝密度進行刻畫。提高采樣密度可以減小采樣間隔，從而得到更為精細的空間結構錶達能力。但總的來說，目前主流激光雷達係統的空間采樣率無法與攝影測量和光學遙感相提並論，不能得到連續的麵狀空間數據。近年來，一方麵，隨著硬件技術的發展，激光雷達脈衝重頻不斷提高，空間采樣率可以在飛行高度不變甚至更高的情況下達到較高的指標；另一方麵，麵陣的成像激光雷達係統研製也在不斷地取得進展，有望彌補空間采樣率的不足。
3）數據海量特徵
激光雷達能以極高的脈衝重頻對測區場景進行大範圍的三維數據采集，導緻激光雷達原始數據具有極大的信息量。相應地，激光雷達數據組織、管理、處理等業務流程也麵臨著新的挑戰。激光雷達數據處理方法隨著數據應用的推廣而受到越來越多的重視，以點雲濾波、目標識彆、三維重建、特徵參數提取等為目標的自動方法顯得尤為突齣。但由於激光雷達數據所包含的空間信息和物理信息較為復雜，目前，真正能全自動完成這些業務流程的方法很少，仍然需要大量的人工交互。同時，海量空間數據對計算能力也提齣瞭更高的要求。
4）輻射信息特徵
激光雷達由於單色性較好，單一的激光器隻能提供地物在一個狹窄的特定波譜範圍的反射信號，使激光雷達不能像攝影測量和光學遙感手段一樣進行多光譜甚至高光譜的成像。目前，一方麵，國際上齣現瞭一些利用兩個或多個獨立激光源實現的多光譜激光雷達係統，可以在不同的通道上獲取地物的反射信息，從而增強激光雷達數據的目標識彆和分類能力。但另一方麵，由於激光雷達在較小的空間尺度上與地物發生交互，所以其輻射傳輸過程變得極為復雜，難以進行歸一化的數據輻射標定，成為瞭利用激光雷達輻射信息的一大技術難點。
5）技術成本特徵
受限於硬件體製本身，激光雷達設備價格一般較為昂貴，作業時需要進行精確的航綫設計和估算，耗費較大的人力成本。盡管是一種主動傳感器，激光雷達仍然在一定程度上受客觀天氣因素的影響，這一點在機載激光雷達的數據采集中顯得尤其突齣，時間成本往往超齣預期。同時，為瞭保證激光能量的有效探測，機載激光雷達的作業高度受到限製，使得航綫覆蓋幅寬一般小於傳統攝影測量技術，增加瞭作業成本。但隨著軟硬件技術的發展，這些缺陷正在不斷被彌補。
1.2激光雷達基本原理
激光雷達作為一種集激光掃描儀、GNSS、慣性測量單元（IMU）、高速率存儲設備及控製計算機等多種新技術組閤構成的測量技術，相較於其他被動遙感手段，具有其獨特的工作機製和原理。激光雷達目前已被成功安置到多種衛星平颱、航空器、地麵移動平颱、地麵固定基站、手持式設備和可穿戴式套件中，形成瞭星載、機載、移動測量、地基、手持和穿戴式等多種平颱和作業形式的係統。
激光雷達工作體製受不同平颱的影響，如機載激光雷達、移動測量激光雷達和室外可穿戴式激光雷達工作在位置姿態時刻發生變化的平颱上，故一般采用定位定姿係統（position and orientation system， POS）進行直接地理定位；地基激光雷達常采用一站或多站式的固定安置掃描方式，不需要集成IMU，僅通過地麵標靶或靶球進行數據配準；工作在室內的手持式激光雷達係統由於僅對小範圍目標進行三維數據采集，一般僅依靠IMU測量運動參數即可替代更為普遍的POS技術，在局部坐標係統內進行三維目標定位。
激光雷達的測距體製一般有兩種：一種是脈衝式測距，即激光器發射一束持續時間很短（約幾個納秒）的高能量脈衝，而後，探測脈衝擊中目標後反射的信號計算目標距離；另一種是連續波連續波（continuous wave， CW）激光測距，它通過量測激光器所發射的波和所接收的被目標反射的波