针对激光雷达探测植被垂直结构的特点，结合森林参数反演研究与业务应用的现状，《激光雷达森林参数反演技术与方法》较为全面地介绍激光雷达技术基础、点云与波形数据处理的流程与方法，阐述机载激光雷达单木与林分因子提取、星载激光雷达区域尺度森林应用和地基激光雷达森林参数提取的技术与方法。《激光雷达森林参数反演技术与方法》综述该方向国际上主流、前沿的研究方法，并结合具体的应用，给出作者团队近年来的研究成果。

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《地球观测与导航技术丛书》出版说明
序
前言
第1章激光雷达技术基础1
1.1激光雷达概述1
1.2激光雷达基本原理4
1.3激光雷达数据采集18
1.4国内外典型系统25
参考文献37
第2章激光雷达点云数据处理40
2.1点云数据特征40
2.2噪声点去除算法44
2.3地面点分类算法44
2.4植被点分类算法51
2.5点云数据栅格化52
参考文献57
第3章激光雷达波形数据处理58
3.1波形数据介绍58
3.2波形数据预处理64
3.3波形高斯分解64
3.4波形反卷积69
3.5点云和波形数据特征定量对比73
参考文献79
第4章机载激光雷达单木因子提取81
4.1国内外研究现状81
4.2冠层高度模型生成84
4.3冠层高度模型优化85
4.4冠层高度模型平滑97
4.5基于树冠几何特征的单木因子提取算法99
4.6基于形态学冠层控制和分水岭的单木因子提取算法114
参考文献126
第5章机载激光雷达林分因子提取130
5.1国内外研究现状130
5.2变量计算133
5.3林分因子反演算法136
5.4小兴安岭林分因子反演138
参考文献149
第6章星载激光雷达数据处理及林业应用151
6.1星载激光雷达林业应用研究现状151
6.2大光斑激光雷达森林回波模型156
6.3星载LiDAR波形处理及关键参数计算174
6.4基于GLAS波形数据的树高反演179
6.5基于GLAS的云南省森林地上生物量反演183
参考文献187
第7章地基激光雷达森林参数提取191
7.1地基激光雷达林业研究与应用现状191
7.2森林样地地基激光雷达数据采集193
7.3地基激光雷达点云数据预处理195
7.4森林结构参数提取201
参考文献213
本书缩略词215
索引218

精彩书摘

第1章激光雷达技术基础
激光雷达技术是一门涉及光电、机械、导航、测绘、计算机、软件等技术领域的新型测量技术，无论其硬件体制、软件设计、数据处理方法，还是行业应用均涵盖了大量的技术方法。激光雷达包含一套复杂的技术体系，属于从技术理论到工程应用都较为复杂的系统工程。本章主要介绍激光雷达的发展历史、技术特点、基本原理，以及国内外典型的激光雷达系统，针对激光雷达森林应用的技术特点，重点说明离散回波和连续回波激光雷达的数据采集与处理相关的核心内容。
1.1激光雷达概述[*2]1.1.1激光雷达简介激光（light amplification by stimulated emission of radiation， LASER）是20世纪人类最重要的发明之一，是一种通过原子受激辐射跃迁而形成主动光源的技术，具有很好的单色性、方向性和相干性，同时，具备很高的单光子辐射能量。激光雷达技术是20世纪中后期以来发展迅速的一种主动遥感传感器，最初的名称为LASER RADAR （radio detection and ranging）。激光雷达是一种与雷达类似的主动探测手段，不同之处是它使用激光作为发射源。激光雷达常被称为LiDAR（light detection and ranging），即激光探测与测距，能够充分发挥激光单色性好、发散角小、功率高的特点，具有很高的测量精度。
1.1.2激光雷达发展历史
激光雷达测量技术作为遥感手段的历史可以追溯到40多年以前。20世纪60~70年代，人们进行了多项实验，结果都表明利用激光进行遥感的巨大潜力，其中包括激光测月和卫星激光测距。激光雷达在地球科学和行星科学领域同样有着广泛应用。美国早在70年代阿波罗登月计划中就应用了激光雷达测高技术（Kaula et al.， 1974）。80年代中期，美国国家航空航天局（National Aeronautics and Space Administration， NASA）研制了海洋激光雷达系统（airborne oceanographic LiDAR， AOL）以及机载地形测量系统（airborne topographic mapper， ATM）等机载激光雷达系统，但机载激光雷达直到90年代才取得了重大进展，出现了一些精确可靠的系统，包括航天飞机激光测高计（shuttle LASER altimeter， SLA）（Garvin et al.， 1998）、火星观测激光测高计（Mars observer LASER altimeter， MOLA）（Smith et al.， 1998）以及月球观测激光测高计（Lunar observer LASER altimeter， LOLA）（Garvin et al.， 1988）等。利用这些激光雷达系统可以获取地球表面、火星表面以及月球表面的高分辨率地形信息，对于研究地球和火星等星体的真实几何形态有着重要的科学意义。航天飞机激光雷达测高计由NASA戈达德空间飞行中心（Goddard Space Flight Center， GSFC）研制，是一种安置在航天飞机上的空间飞行仪器，用于从地球低轨道高度对地进行地形测量，可为星载激光雷达测高进行科学试验。1984年，研究人员开始利用机载激光雷达进行地形测量研究并给出了测量结果（Krabill et al.， 1984）。1988年，德国斯图加特大学摄影测量学院在Ackermann教授的领导下，开始研制机载激光扫描地形断面测量系统。荷兰测量部门自1988年开始利用激光雷达测量技术提取地形信息的可行性研究。加拿大卡尔加里大学于1998年进行了机载激光雷达系统的集成试验，通过对激光扫描仪与全球导航卫星系统（global navigation satellite system， GNSS）、惯性导航系统（inertial navigation system， INS）和数据通信设备进行集成，实现了一个机载激光雷达三维数据获取系统，并进行了一定规模的实验。1999年日本东京大学进行了地面固定激光扫描系统的集成与实验（Zhao and Shibasaki， 1997， 1999）。随后几年中，由于硬件技术的进步，欧美的一些发达国家先后研制出多种小型化、商业化的机载激光雷达系统，其中，包括TopScan、Optech、TopEye、TopSys、HawkEye等（Baltsavias， 1999）。商业化系统，尤其是机载激光雷达系统的发展和推广在此后十年间极大地促进了激光雷达在测绘、三维城市、林业等领域的应用。目前全球最活跃的激光雷达厂商包括Leica、Riegl和Optech等，其主流产品代表了机载激光雷达、地基激光雷达和移动激光测量技术的国际先进水平（Mallet and Bretar， 2009）。国际市场上出现的一些典型系统，如Riegl 激光测量系统LMS�睶560、Leica机载激光扫描仪ALS 40、Optech机载激光地形测量仪ALTM 3100等，为激光雷达数据处理方法和应用的研究提供了大量的数据基础，也促进了激光雷达后处理软件的发展。到2010年前后，主流的商业化激光雷达系统在脉冲重频脉冲重频、工作距离等硬件性能上已经数倍于第一代产品。学术界对激光雷达的另一重要研究方向是将激光雷达与其他多源遥感数据融合，NASA的戈达德激光雷达、高光谱和热成像仪（Goddard’s LiDAR， hyperspectral and thermal imager， G�睱iHT）项目就是一种将机载激光雷达和高光谱扫描仪、热红外成像仪等遥感技术相结合的尝试（Cook et al.， 2013）。而在另一方面，以美国为中心研制的星载激光雷达技术也得到了极大的发展，NASA于2003年发射了第一代星载激光测高卫星（ice， cloud and land elevation satellite， ICESat），在两极冰盖、大气、全球地形和植被等研究领域作出了很大的贡献。
相比于国际工业界和学术界，国内在激光雷达技术领域起步稍晚，但在最近十多年中取得了很快的发展。21世纪初，我国的一些高校、研究院所和商业公司从国外引入了机载激光雷达系统，是国内最早的一批实用化、业务化的激光雷达用户。事实上，我国十分重视激光雷达技术系统的研制，科技部、电子工业部、中国科学院、航天系统等多家部门和单位已投入了相当多的科研资源研制机载或星载激光雷达系统。目前，也有一些商业公司具备了地面、机载激光雷达系统的研发能力，产品基本具有了与国际同类产品竞争的实力。值得指出的是，激光雷达技术已经在国内一些科学技术领域起到了重要作用。2013年“嫦娥三号”月球探测器着陆过程中，国产的激光测距器件和激光三维成像器件成功实现了月球车安全避障。2013年，中国林业科学研究院资源信息研究所引进了国内第一套集成了全波形激光雷达、高光谱扫描仪和电荷耦合器件（charge�瞔oupled device， CCD）相机三种传感器的机载遥感观测平台CAF�睱iCHy（Chinese Academy of Forestry， LiDAR， CCD， hyperspectral）系统（Pang et al.， 2013），在我国东北、西南和中部多个森林资源丰富的省（区、市）开展了航空地面联合实验，为森林植被研究积累了大量数据，其设计理念和设备性能可与NASA的G�睱iHT等机载系统相当。
1.1.3激光雷达主要特征
相比于传统的摄影测量和光学遥感手段，目前激光雷达技术的发展和应用具有以下一些特征。
1）三维信息特征
由于激光雷达对目标进行主动探测，故能直接获取地物的三维信息，不需要通过立体像对或多角度观测进行三维场景的建立，这是传统摄影测量和光学遥感手段所不具备的技术优势。这一特征对于地形测量、建筑物三维建模、植被垂直结构等三维信息的提取具有重要意义，也是目前激光雷达在这些领域得到广泛推广的主要原因之一。同时，激光的测距精度极高、发散角极小，加上可靠的惯性测量单元和差分GNSS技术，使得激光雷达获取的反射体坐标精度非常高，这也是传统的被动成像手段所不具备的重要技术优势。
2）空间采样特征
目前最常见的激光雷达系统均为脉冲式离散点测量，而非面成像。对空间采样的精细程度由单位面积的点密度或脉冲密度进行刻画。提高采样密度可以减小采样间隔，从而得到更为精细的空间结构表达能力。但总的来说，目前主流激光雷达系统的空间采样率无法与摄影测量和光学遥感相提并论，不能得到连续的面状空间数据。近年来，一方面，随着硬件技术的发展，激光雷达脉冲重频不断提高，空间采样率可以在飞行高度不变甚至更高的情况下达到较高的指标；另一方面，面阵的成像激光雷达系统研制也在不断地取得进展，有望弥补空间采样率的不足。
3）数据海量特征
激光雷达能以极高的脉冲重频对测区场景进行大范围的三维数据采集，导致激光雷达原始数据具有极大的信息量。相应地，激光雷达数据组织、管理、处理等业务流程也面临着新的挑战。激光雷达数据处理方法随着数据应用的推广而受到越来越多的重视，以点云滤波、目标识别、三维重建、特征参数提取等为目标的自动方法显得尤为突出。但由于激光雷达数据所包含的空间信息和物理信息较为复杂，目前，真正能全自动完成这些业务流程的方法很少，仍然需要大量的人工交互。同时，海量空间数据对计算能力也提出了更高的要求。
4）辐射信息特征
激光雷达由于单色性较好，单一的激光器只能提供地物在一个狭窄的特定波谱范围的反射信号，使激光雷达不能像摄影测量和光学遥感手段一样进行多光谱甚至高光谱的成像。目前，一方面，国际上出现了一些利用两个或多个独立激光源实现的多光谱激光雷达系统，可以在不同的通道上获取地物的反射信息，从而增强激光雷达数据的目标识别和分类能力。但另一方面，由于激光雷达在较小的空间尺度上与地物发生交互，所以其辐射传输过程变得极为复杂，难以进行归一化的数据辐射标定，成为了利用激光雷达辐射信息的一大技术难点。
5）技术成本特征
受限于硬件体制本身，激光雷达设备价格一般较为昂贵，作业时需要进行精确的航线设计和估算，耗费较大的人力成本。尽管是一种主动传感器，激光雷达仍然在一定程度上受客观天气因素的影响，这一点在机载激光雷达的数据采集中显得尤其突出，时间成本往往超出预期。同时，为了保证激光能量的有效探测，机载激光雷达的作业高度受到限制，使得航线覆盖幅宽一般小于传统摄影测量技术，增加了作业成本。但随着软硬件技术的发展，这些缺陷正在不断被弥补。
1.2激光雷达基本原理
激光雷达作为一种集激光扫描仪、GNSS、惯性测量单元（IMU）、高速率存储设备及控制计算机等多种新技术组合构成的测量技术，相较于其他被动遥感手段，具有其独特的工作机制和原理。激光雷达目前已被成功安置到多种卫星平台、航空器、地面移动平台、地面固定基站、手持式设备和可穿戴式套件中，形成了星载、机载、移动测量、地基、手持和穿戴式等多种平台和作业形式的系统。
激光雷达工作体制受不同平台的影响，如机载激光雷达、移动测量激光雷达和室外可穿戴式激光雷达工作在位置姿态时刻发生变化的平台上，故一般采用定位定姿系统（position and orientation system， POS）进行直接地理定位；地基激光雷达常采用一站或多站式的固定安置扫描方式，不需要集成IMU，仅通过地面标靶或靶球进行数据配准；工作在室内的手持式激光雷达系统由于仅对小范围目标进行三维数据采集，一般仅依靠IMU测量运动参数即可替代更为普遍的POS技术，在局部坐标系统内进行三维目标定位。
激光雷达的测距体制一般有两种：一种是脉冲式测距，即激光器发射一束持续时间很短（约几个纳秒）的高能量脉冲，而后，探测脉冲击中目标后反射的信号计算目标距离；另一种是连续波连续波（continuous wave， CW）激光测距，它通过量测激光器所发射的波和所接收的被目标反射的波