ICESat-GLAS大光斑LiDAR波形模擬及森林最大冠層高度反演研究.pdf

1、ICESat-GLAS(the Ice,Cloud,and land Elevation—Geoscience Laser Altimeter System)大光斑LiDAR(Light Detection and Ranging)技術(shù)的出現(xiàn)和發(fā)展，在一定程度上實現(xiàn)了在大的時間和空間尺度上快速、無破壞的森林冠層高度的估測，大幅度提高了森林最大冠層高度估測的效率及精度。但I(xiàn)CESat-GLAS大光斑LiDAR的光斑尺寸較大，受外界干擾性強

2、，光斑覆蓋范圍內(nèi)的坡度起伏較大、平坦不一，干擾了大光斑激光雷達(dá)回波信息，造成了森林最大冠層高度估測的偏差。因此，探討新的消噪方法、減弱坡度對森林最大冠層高度估測的影響至關(guān)重要。
　　本研究以吉林省汪清林業(yè)局經(jīng)營區(qū)為研究區(qū)域，探索了利用海明窗函數(shù)和高斯窗函數(shù)對ICESat-GLAS大光斑LiDAR數(shù)據(jù)消噪;基于激光光束與反射物相互作用理論，模擬出ICESat-GLAS大光斑LiDAR回波波形;以消噪后波形和模擬波形為基礎(chǔ)，建立了森林

3、最大冠層高度反演模型。主要研究內(nèi)容及研究結(jié)果如下:
　　(1)基于不同窗函數(shù)對ICESat-GLAS波形消噪。針對ICESat-GLAS原始波形中含有大量噪聲的問題，本研究提出運用海明窗函數(shù)和高斯窗函數(shù)對ICESat-GLAS回波波形數(shù)據(jù)進(jìn)行消噪，并比較兩種窗函數(shù)消噪后的效果。結(jié)果表明，與原始波形圖相比，用海明窗函數(shù)和高斯窗函數(shù)消噪后的ICESat-GLAS回波波形相對平滑，而且同一GLAS波形數(shù)據(jù)下，海明窗消噪后的波形圖較平滑;

4、海明窗消噪和高斯窗消噪法均能有效降低噪聲，使信噪比增加，均方根誤差值減小;同一坡度組下，與高斯窗消噪相比，海明窗消噪后的SNR值較大，RMSE值較小;隨著坡度的增加，消噪后求得的SNR值逐漸增大，RMSE值逐漸減小;波形的粗糙度的越大，消噪效果越好。
　　(2)利用激光雷達(dá)發(fā)射光束及激光光束與反射物相互作用的理論對ICESat-GLAS回波波形進(jìn)行模擬。模擬了不同坡度下的ICESat-GLAS回波波形，并將模擬后的波形與真實回波波

5、形相比較。結(jié)果顯示模擬回波波形圖和其對應(yīng)的實際回波波形圖的基本形狀均較為吻合;對模擬回波波形數(shù)據(jù)與真實回波波形數(shù)據(jù)的皮爾遜相關(guān)系數(shù)分析，最高相關(guān)系數(shù)約為0.958，最低相關(guān)系數(shù)約為0.886;不同坡度下的模擬模擬波形與實際波形吻合結(jié)果雖然略有差異，但相關(guān)系數(shù)差別不大，在一定程度上均能達(dá)到較好的模擬效果。
　　(3)森林最大冠層高度反演模型建立?；谙牒蠡夭úㄐ螖?shù)據(jù)、地形指數(shù)反演的森林最大冠層高度，在地形坡度為0～5°、0～10°

6、、0～15°、0～20°、0～25°、0～30°時，調(diào)整的判定系數(shù)(R)2分別為0.881、0.848、0.739、0.676、0.622、0.533，驗證數(shù)據(jù)的相關(guān)系數(shù)r分別為:0.909、0.877、0.831、0.804、0.742;基于消噪后回波波形數(shù)據(jù)與模擬回波波形數(shù)據(jù)反演的森林最大冠層高度，在地形坡度為0～5°、0～10°、0～15°、0～20°、0～25°、0～30°內(nèi)，調(diào)整的判定系數(shù)分別為0.883、0.854、0.75

7、3、0.693、0.650、0.572，驗證數(shù)據(jù)的相關(guān)系數(shù)r分別為:0.942、0.915、0.886、0.842、0.822、0.769。
　　(4)森林最大冠層高度反演結(jié)果比較。同一坡度組內(nèi)，基于消噪后回波波形數(shù)據(jù)與模擬回波波形數(shù)據(jù)反演的森林最大冠層高度的模型的調(diào)整判定系數(shù)(R)2、驗證結(jié)果的相關(guān)系數(shù)r均大于基于消噪后回波波形與地形指數(shù)反演的森林冠層高度。在0～5°、0～10°、0～15°、0～20°、0～25°、0～30°累