【摘 要】
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森林是地球上最大的陆地生态系统,对维护全球生态平衡和促进全球物质能量循环具有积极重要的作用。森林中单木的树高和胸径是森林资源调查的基本任务,是刻画森林生长状态和发展趋势的重要指标。森林地上生物量反映了森林固碳能力,是评价森林生态功能的重要指标。传统的森林资源调查依靠人工野外调查,其周期长、劳动强度大。遥感技术为研究森林资源现状和森林动态变化提供了快速、高效的观测手段。光学遥感影像可以提供植被的光谱
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森林是地球上最大的陆地生态系统,对维护全球生态平衡和促进全球物质能量循环具有积极重要的作用。森林中单木的树高和胸径是森林资源调查的基本任务,是刻画森林生长状态和发展趋势的重要指标。森林地上生物量反映了森林固碳能力,是评价森林生态功能的重要指标。传统的森林资源调查依靠人工野外调查,其周期长、劳动强度大。遥感技术为研究森林资源现状和森林动态变化提供了快速、高效的观测手段。光学遥感影像可以提供植被的光谱和纹理信息,以此进行森林参数的反演,然而光学遥感对森林的垂直结构的表达能力有限。激光雷达（Light detection and ranging,Li DAR）技术通过主动发射激光束的探测方式,可以直接获取森林的三维结构信息,对森林的垂直结构探测具有独特的优势。激光雷达技术在获取森林参数等方面具有广阔的应用前景。本文以机载激光点云,地基激光点云和新研制的机载多光谱激光点云为数据源,研究区域为芬兰南部的针叶林,以及加拿大安大略省的针阔混交林,研究比较不同观测视角的激光点云,以及多波段的激光点云在单木提取以及刻画树高,胸径和单木生物量等方面的能力。具体研究内容如下:（1）介绍了光学遥感和激光雷达遥感在森林资源调查和森林生态研究中的意义和应用背景,以及两种观测方式的特点,详细介绍了林业应用中的不同平台的激光雷达观测系统,归纳总结了激光雷达在林业应用中的特点及有待进一步解决的问题,确定了本文的研究内容,以及论文的组织结构。（2）介绍了机载激光雷达和地基激光雷达在林业应用中的研究现状。对机载激光雷达和地基激光雷达技术在森林参数提取,林区点云的配准等相关研究进行了综述,总结了目前的研究的不足及其发展趋势。（3）目前林区地基点云的单木识别研究集中在树干识别,树冠点云由于结构复杂多变难以识别,研究相对较少。本文提出了基于层次化最小割分割的单木提取方法。该方法首先通过圆柱拟合识别树干,在此基础上将点云中点之间的相似性量化并构建单木分割的目标函数,通过组间相似性最小化实现单木分割。本文提出的基于最小割的分割方法取得的平均单木提取率为90.42%。TLS点云提取的参数与地面参考进行比较,树高和胸径的决定系数~2分别为0.79和0.82,RMSE分别为1.25 m以及2.98 cm。（4）目前,大部分的机载激光点云的单木提取研究是基于单波段的激光点云数据,利用空间三维结构信息刻画单木,对空间几何特征不明显的树冠,仅利用空间信息进行单木提取的效果是有限的。多光谱激光雷达的出现,使得在获取森林三维结构信息的同时可以获取更丰富的光谱信息。本文提出了一种基于机载多光谱激光雷达的单木提取方法,融合空间信息和强度信息进行单木提取的研究。并将利用空间信息进行单木提取的结果,与融合空间信息和强度信息进行单木提取的结果进行比较分析。实验结果表明,利用空间信息进行单木提取平均检测率为82%,融合强度和空间信息后,平均的单木检测率提升至88%。（5）针对机载点云和地基点云的不同视角观测到的树冠点存在差异较大,树冠结构复杂,传统几何特征（点,线,面）较少等难点,提出了一种基于冠层点密度分析的林区机载与地基点云的自动化配准方法,从而避免了对复杂林区点云进行几何特征描述。在配准的基础上,比较分析配准前后树高,胸径和单木生物量的估计结果,分析不同视角观测的激光点云在刻画单木结构参数的能力的差异。本文提出的配准方法获取的平均配准偏差为0.069 m。在单木结构参数估计中,与ALS相比,TLS容易低估树高。融合ALS和TLS后单木生物量估计结果最佳。基于TLS和ALS估计的单木生物量的相对均方根误差分别为17.0%～60.6%,以及35.3%～75.7%,融合TLS和ALS后单木生物量估计的相对均方根误差降至16.0%～51.0%。
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