星載激光雷達森林探測進展及趨勢

龐 勇，李增元，陳博偉，梁曉軍

(中國林業科學研究院資源信息研究所,北京 100091)

0 引言

由于森林的重要性、森林資源分布的廣泛性和森林生態系統的復雜性，森林資源的監測和評價需要遙感技術提供定性和定量數據。星載激光雷達兼具激光雷達垂直信息刻畫的優勢和大范圍數據獲取的特點，在大區域尺度的森林參數定量反演方面優勢較大，是世界各主要遙感機構重點發展的森林探測傳感器之一。

星載激光雷達森林觀測的標志是1996年和1997年美國國家航空航天局(NASA)在航天飛機上搭載的全波形激光雷達(SLA-1/2)進行的對地觀測，展現了星載激光雷達反演植被參數的潛力[1]。其后在2003年發射了第1顆可用于植被觀測的ICESat(ice, cloud, and land elevation satellite)衛星，該衛星搭載了全波形激光雷達載荷——地球科學測高系統(GLAS)。2018年NASA又陸續發射了光子計數的ICESat-2 ATLAS衛星和搭載在國際空間站(ISS)平臺上的GEDI(global ecosystem dynamics investigation)全波形激光雷達等。歐洲也論證過Carbon-3D，LEAF(lidar for earth and forests)等激光雷達為主載荷的衛星概念，日本也在積極論證并實施基于ISS平臺的多波束激光雷達(MOLI)系統，我國正在實施的高分七號衛星、陸地生態系統碳監測衛星等也將搭載適用于植被探測的全波形激光雷達載荷。

本文針對全波形、光子計數、成像觀測3種典型的森林探測激光雷達，從技術特點和林業應用進展方面進行了總結分析。

1 全波形激光雷達

1.1 雷達簡介

全波形激光雷達是對目標地物接收到激光發射脈沖后返回的能量進行完整采樣記錄的系統。記錄的數據為激光雷達全波形數據，包括地物垂直方向上不同位置處返回的能量信息。波形的采樣間隔(即距離分辨率)取決于回波記錄的時間間隔(即時間分辨率)，反映了激光點內物質被感知的詳細程度。大光斑激光雷達森林回波波形如圖1所示。森林的激光回波波形指示從樹頂開始，通過樹冠、林下植被，最后是地面回波的森林垂直結構。

圖1 大光斑激光雷達森林回波波形示意圖Fig.1 Schematic map of forest echowaveform of large footprint

激光回波波形是由發射脈沖和激光光斑內的森林、地面共同決定的。前者包括工作波長、脈沖寬度、脈沖能量、光斑尺寸和記錄回波脈沖的時間間隔；后者包括激光光斑內每棵樹的位置、高度、樹種、樹冠大小和形狀、冠層反射率，以及地表的反射率、坡度、坡向等參數。這些因素可通過構建激光雷達的森林回波模型進行刻畫。SUN等[2]將森林生長模型與激光雷達波形模擬模型相結合，模擬了多種情況下森林的激光雷達回波，并利用實際森林的機載激光雷達數據對模型進行了驗證。龐勇等[3-4]在文獻[2]模型的基礎上進行了改進，使之可以模擬復雜地形條件下不同空間格局森林的回波波形，并進一步研發了傾斜入射的激光雷達森林回波模型[5]。該模型充分考慮了激光發射脈沖的入射角和方位角，以及被觀測森林在山地情況下的坡度和方位角。模擬顯示：隨著入射角的增大，森林參數反演能力有所降低，方位角對回波波形也有一定影響。本文基于模擬結果提出了星載全波形激光雷達森林觀測的最優光斑尺寸直徑為20～30 m，入射角度小于8°。

1.2 全波形激光雷達進展及林業應用

全波形激光雷達森林參數反演的出發點來自森林回波的波形數據，如圖1所示。通常需要進行波形分解、地面和植被回波判識、波形指數計算，進而基于波形指數建立森林參數的反演模型，進行參數估計。

早期的星載波形激光雷達都是基于機載模擬系統進行方法研究。LEFSKY[6]和HARDING[7]使用機載激光雷達SLICER(scanning lidar imager of canopics by echo recovery)數據重建了闊葉林的冠層垂直分布，與地面實測結果十分接近。DUBAYAH等[8]提出了星載植被激光雷達系統(VCL)計劃，該計劃利用機載實驗系統(LVIS)在美國、加拿大、澳大利亞等多個國家進行了成功的實驗，驗證了星載大光斑波形激光雷達技術適用于各種典型的森林類型[9]。

2003年1月，NASA發射了第1顆全波形激光雷達衛星ICESat，衛星上搭載了GLAS，激光光斑直徑約為70 m，沿軌方向光斑間隔170 m。由于GLAS激光器的工作壽命遠短于設計壽命，3個激光器觀測時采用了互備份、間歇式的工作方式。至2009年ICESat衛星服役結束，獲取了覆蓋全球18個觀測周期的數據。表1為ICESat GLAS不同觀測周期獲取的數據。表中數字表示激光器的編號，該衛星上有3個激光器，互為備份。每個激光器均采用間歇方式工作，每個觀測周期用激光編號+英文字母表示，英文字母代表傳感器的觀測任務順序。如1a表示第1個激光器的第1次觀測。

表1 ICESat GLAS觀測周期和時段

ICESat GLAS數據廣泛用于反演區域尺度的森林高度與生物量等參數[10-12]。LEFSKY等[13]利用GLAS和航天飛機雷達測圖計劃(SRTM)數據成功估計了亞馬遜和北美幾個試驗區的森林高度，進一步研究提出了基于GLAS波形參數自身計算波形前沿上升速度和下沿下降速度對地形影響進行校正的方案，使GLAS數據能更好地應用于大范圍的森林參數反演，并與MODIS植被產品結合生產了第1個全球植被高度產品——IVP(ICESat vegetation product)。PANG等[14]基于GLAS數據生成全球植被高度產品，提出了使用機載激光雷達高密度點云數據的驗證方法，在美國西海岸的幾個常綠針葉林試驗區證實GLAS的樹高反演精度較高；隨后，在中國云南及甘肅試驗區又進一步提出了使用低密度機載激光雷達數據進行GLAS反演模型訓練和檢驗的算法[15]。PANG等[16]在中國西南林區發現不同觀測周期GLAS波形長度與機載激光雷達反演的樹高的相關性不同，夏季的較高。這些發現暗示了不同物候可能對森林參數估計的影響。PANG等[17]注意到了這種現象會影響溫帶森林樹高的反演，并通過比較近似重復觀測的波形數據證實了中國東北落葉林在落葉期冠層反射明顯比夏季生長季低，進一步開展的樹高反演也說明夏季GLAS數據的樹高反演精度較高，其他觀測周期的精度較低。邢艷秋等[18]在中國長白山地區研究了不同坡度等級下森林高度的反演能力。

BOUDREAU等[19]使用GLAS數據和機載剖面激光雷達掃描線數據對加拿大魁北克的森林進行了生物量估計。BACCINI等[20]使用GLAS數據和MODIS數據對非洲熱帶地區進行了森林生物量制圖。SAATCHI等[21]將GLAS數據與MODIS，QuikSCAT等數據相結合，對全球熱帶國家和地區進行了森林生物量估測，并給出了生物量反演的不確定性分析圖。SIMARD等[22]將1個觀測周期的GLAS反演的樹高與MODIS、TRMM、降雨等數據結合，建立了1個統一的反演模型，從而得到每個像元尺度上樹高的估計。

TANG等[23]基于生物物理方法對GLAS波形作遞歸分析，改進了由激光雷達計算的LAI(leaf area index)和垂直葉剖面(VFP)，并在美國加州成功運用，進而將方法推廣至全美本土。王成等[24]計算了GLAS波形數據激光穿透指數(LPI)，基于LPI反演了LAI并通過機器學習與Landsat TM數據融合對區域LAI進行反演，結果表明該方法適用性較好。

美國曾規劃了3波束激光雷達與合成孔徑雷達結合的DESDynI衛星計劃，后來該衛星計劃擱置，但其激光雷達部分演變為8波束的激光雷達載荷。搭載在ISS平臺上的GEDI全波形激光雷達，于2018年12月成功發射。GEDI是第1個多波束同時工作的對地觀測激光雷達，能提供位于南北緯51.6°之間(ISS地面軌道覆蓋的區域)的森林觀測數據，將開展森林高度、地上生物量、生物多樣性等方面的觀測[25]。日本也在規劃基于ISS平臺的MOLI系統[26]，MOLI采用雙臨近波束的觀測模式，并同時提供3通道的光學成像觀測。需要指出的是，GEDI和MOLI都是基于ISS平臺的運行性觀測計劃，標志著ISS平臺從航天載荷實驗平臺過渡到運行性觀測平臺。歐洲也論證過Carbon-3D，LEAF等激光雷達為主載荷的衛星概念，但沒有最終立項[27]。

近年來，國內多家單位也開始進行星載激光雷達的研究，我國計劃發射的陸地生態系統碳監測衛星及高分七號衛星[28]，均計劃搭載全波形激光雷達系統，其中陸地生態系統碳監測衛星計劃搭載3波束的激光雷達和多角度光學相機，從而實現大范圍內連續的森林高度和碳儲量估測。

2 光子計數激光雷達

2.1 簡介

微脈沖光子計數技術采用更加靈敏的探測手段，能實現單光子級別的探測。儀器發射脈沖的展寬小且發射頻率高，能充分利用光子信息獲取更高密度、更真實的數據，并可延長激光器壽命[29]。全波形激光雷達與光子計數激光雷達的林木信號對比如圖2所示[30]。全波形信號可分辨來自植被冠層、下木、地面的回波信號。使用光子計數激光雷達則意味著植被散射單元多的區域內光子被記錄的概率更高。光子計數激光雷達和離散回波激光雷達的數據外觀具有很高的相似性，大量光子記錄外觀類似點云數據[30-31]。

圖2 全波形激光雷達與光子計數激光雷達的林木信號對比Fig.2 Comparison of full waveform lidar and photon counting lidar for forest signals

2.2 技術進展及在林業中的應用

光子計數激光雷達森林參數反演的出發點來自林區的光子點云數據，如圖3所示。通常需要進行光子點云數據的噪聲濾波、地面光子識別、植被光子識別及植被光子指數計算。基于光子指數建立森林參數的反演模型，進行參數估計，也可以將一定范圍內的光子合成為波形數據，借用波形激光雷達的參數反演方法進行參數估計。

NASA于2018年9月成功發射了光子計數激光雷達載荷的ICESat-2衛星。ICESat-2采用非太陽同步軌道，飛行高度約500 km，可以觀測南北緯88°范圍內的地球表面，重復周期為91 d。其搭載的ATLAS激光器在532 nm(綠)波段發射并接收激光信號，共發射6束能量不一的激光束，沿軌方向分3組平行排列，組間地面距離約3.3 km，光斑直徑約16 m。高達10 kHz的重復頻率可以得到約70 cm的沿軌采樣間隔，具體的激光配置如圖4所示。

圖3 3種不同光子計數激光雷達數據實例Fig.3 Data examples of three different photon counting lidar

圖4 ICESat-2衛星ATLAS激光器示意圖Fig.4 ATLAS configuration onbroad ICESat-2

為了對衛星上天后的數據質量和工作性能進行前期試驗和測試，NASA設計了機載模擬器對典型研究區進行機載飛行實驗。其中比較典型的機載數據包括SIMPL(slope imaging multi-polarization photon-counting lidar)數據和MABEL(multiple altimeter beam experimental lidar)數據。另外基于MABEL數據模擬產生了MATLAS(mabel simulated atlas)數據，以更好地表征不同地形和地物條件下光子計數激光雷達的數據情況。

圖3為以上3種數據在不同林區的情況，分別是美國Howland林區SIMPL數據、美國弗吉尼亞州MABEL數據和美國弗吉尼亞州MATLAS數據。從圖中可看出，數據記錄沿飛行地面軌跡呈窄帶狀分布，屬于高程剖面點云[32-33]。

目前，針對剖面光子點云的去噪和濾波算法研究并不成熟。AWADALLAH等[34]將主動輪廓模型引入柵格化的點云影像中，算法通過對柵格影像進行整體和局部像元信息的分析迭代，泛函分析使曲線能量最小化。結果表明：該方法能較好地包絡出包含植被和地形的信息點，但柵格化過程會損失部分點云信息。HERZFELD等[35]提出了一種基于頻數直方圖分析的算法，該方法在美國SERC林區對光子點云數據進行高噪聲模擬，然后從模擬數據中分離地面點、植被點和噪聲點。ZHANG等[36]提出了一種基于改進橢圓搜索形狀的DBSCAN密度聚類算法，對于MABEL數據和不同地形下的模擬數據取得了較好的結果。GWENZI等[37]針對稀疏植被地區采用了一種基于點云高程統計的密度切割方法。CHEN等[38]提出了一種基于橢圓局部離群因子的光子計數激光雷達林區信號提取自動算法，并能應用于強噪聲復雜地形條件。

由于目前尚缺乏森林目標的星載光子計數激光雷達數據源，有關森林參數反演的相關研究工作主要針對NASA發布的ICESat-2原型機機載實驗數據進行。MONTESANO等[39]利用FLIGHT模型對SIMPL數據進行模擬，并根據模擬的場景詳細探究了光子計數激光雷達數據在針葉林生物量估測方面的應用及不確定性的度量，50 m(長度)尺度為光子計數激光雷達模型擬合的最佳水平分辨率，此時生物量間隔單位為20 mg/hm2，估測誤差為20%～50%(95%置信區間)。GWENZI等[37]利用機載實驗數據探究了光子計數激光雷達應用于稀樹草原生態系統的潛力，結果表明：得出的高度指標與離散型激光雷達計算得到的高度具有較好的相關性。GLENN等[40]分析了結合Landsat 8衛星光學數據和ICESat-2原型機機載實驗數據協同反演樹高的潛力，參考傳統小光斑激光雷達數據點云特征構造了適合于光子點云的特征變量并用于建模反演，初步展現了光子計數激光雷達在參數反演方面的潛力。

3 成像激光雷達

隨著激光探測器件的發展，具有一定面陣觀測能力的星載成像激光雷達也顯示出林業應用潛力。面陣激光雷達突破了單點探測、掃面成像的限制，為獲取高分辨率連續覆蓋的植被三維信息提供了一種全新的技術手段。

2007年發布的《美國國家地球科學十年規劃》中提出了全球地形和植被三維測量的LIST(lidar surface topography)衛星計劃，計劃使用成像激光雷達技術實現全球5 m空間分辨率的地形和植被三維結構觀測，其中激光器的指標是1 000束的激光器件，實現地面5 m(直徑)光斑大小的分辨率，并陸續開展了一些機載樣機研制[41-42]。KRAINAK等[41]采用Geiger模式的雪崩光電二極管測距單點模塊構建雪崩光電二極管測距陣列的方式，實現了4×4陣列單元的探測器研制。RAMOND等[42]采用電子可調諧的面陣激光器(ESFL)方式，實現了128×128陣列單元的探測器研制，且每個單元都可接收全波形的激光雷達數據。DUONG等[43]用ESFL系統進行了機載飛行實驗，研究結果表明：ESFL的全波形成像觀測數據在地形探測和植被參數估計方面與機載小光斑激光雷達的探測能力具有較好的一致性。

張秀達等[44]研制了基于高速增益-距離映射原理的雙通道面陣成像系統，2個通道經過像素級匹配后，能以較快的速度對選通距離內的目標物體同時成像，并利用距離-時間、增益-時間的映射關系實現場景內的距離細分。李丹[45]用該系統在我國青島進行了森林郁閉度反演實驗，結果表明：郁閉度的估測精度為70.22%。周國清等[46]研制了基于光纖耦合的5×5陣列單元雪崩光電二極管成像激光雷達系統。

由于激光器能量和發射頻率的綜合限制，目前成像模式的星載激光雷達仍然處于原理樣機研究階段，尚無確定的衛星計劃。

4 結束語

綜合國內外森林探測激光雷達系統的發展可以看到，全波形激光雷達應用于森林探測的技術較為成熟，未來面向植被探測的星載全波形激光雷達載荷發展趨勢會由單波束探測逐漸過渡到多波束探測，考慮到空間覆蓋的觀測能力，將逐步加大一定范圍內空間側擺的能力，實現衛星壽命期內盡可能密集的空間光斑采樣。目前星載光子計數激光雷達在森林參數方面的反演和預測尚處于研究探索階段，如何從強背景噪聲中提取信號點，以及如何利用輻射傳輸模型對信號進行模擬仿真等，需要從機理層面理解噪聲產生的形態及分布規律，有待深入研究。隨著ICESat-2 ATLAS數據的發布，光子計數激光雷達有望得到較快的發展。成像激光雷達是一種獲取大范圍連續森林垂直參數的有效手段，但距離衛星發射仍有較遠的距離。未來一段時間內，激光雷達(全波形或光子計數)數據提供的大范圍離散觀測數據，仍然需要與其他成像遙感數據(光學或微波)協同實現空間連續覆蓋的森林觀測。

作為有源、主動的遙感技術，星載激光雷達載荷對穩定性、器件壽命要求很高。在其發展過程中，國際上的載人航天平臺發揮了很大作用(美國航天飛機的SLA-1/2，近幾年國際空間站平臺的GEDI和MOLI)，建議我國也充分發揮空間站平臺的優勢，建設更加靈活、可靠的星載激光雷達森林探測系統。國外已發射的星載激光雷達多為單一載荷，這樣可以在波束數量、備份激光器方面有更大的余量，觀測時段也更加靈活，而且夜晚觀測往往能提供信噪比更高的激光回波數據。隨著我國衛星姿控能力的提升，也可有選擇地借鑒這種模式，以獲取更多高質量的激光雷達觀測數據。