羅　欣，許文波，李世華

(電子科技大學　資源與環(huán)境學院，成都　611731)

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地面植被的主被動同步觀測實驗方法

羅欣，許文波，李世華

(電子科技大學資源與環(huán)境學院，成都611731)

摘要針對植被冠層結構參數(shù)主被動遙感協(xié)同反演的問題，開展了不同地形、不同植被覆蓋類型的地面觀測實驗，獲取了典型植被不同方位、不同角度的地面激光雷達和成像光譜數(shù)據，同時，測量了多種冠層結構參數(shù)，構成了與飛行數(shù)據配套的地面同步觀測數(shù)據集。該文介紹了實驗中樣地選擇，觀測站點設置，主被動數(shù)據獲取，輔助數(shù)據測量等過程的具體目標和設計；總結了實驗中獲得的主要經驗，對遙感類專業(yè)的實踐教學及科研實驗均具有指導意義。

關鍵詞激光雷達; 成像光譜儀; 地面觀測; 植被結構; 植被光譜

植被影響著能量平衡、氣候、水文和生物地球化學循環(huán)，是氣候和人文因素對環(huán)境影響的敏感指標[1]。植被冠層結構參數(shù)的提取不僅能夠用于研究植被生態(tài)系統(tǒng)結構和功能，還能夠為植被冠層能量交換的描述提供結構化定量信息。因此，提取植被冠層結構參數(shù)對于生態(tài)系統(tǒng)的研究具有重要意義[2]。此外，通過多期靜態(tài)的地面觀測可以實現(xiàn)復雜地表植被參數(shù)高精度的反演，提高信息提取效率并降低遙感監(jiān)測評估應用的成本，同時還能對研究區(qū)域植被遙感信息進行時空連續(xù)擴展，進而開展復雜地表植被參數(shù)的多模式遙感信息動態(tài)分析與建模理論研究及驗證。

目前，利用單一的被動光學遙感數(shù)據提取植被冠層結構參數(shù)的各種方法，均存在一定的局限性[3]。盡管高光譜遙感能提供精細的地物目標光譜信息，在植被種類識別和生化組分反演方面有著一定的優(yōu)勢[4-6]，但在植被結構參數(shù)的估測方面仍存在一些問題。主動光學遙感提取植被結構參數(shù)是近年來出現(xiàn)的方法，如利用LiDAR測量植被的幾何結構，可以獲得植被精確的形態(tài)、高度及一定精度的冠層信息[7-8]。因此，主被動方法相結合的植被結構參數(shù)協(xié)同反演技術，將是一種提高遙感反演精度的有效途徑[9]。

1地面同步觀測實驗的目標

在飛行遙感實驗進行期間，激光雷達和成像光譜儀地面同步觀測就是在飛行實驗區(qū)域內確定多個不同的野外數(shù)據采集樣地，架設地面激光雷達和成像光譜儀，利用多角度觀測設備獲取不同角度、不同位置的三維激光點云數(shù)據和成像光譜數(shù)據，為植被結構參數(shù)反演提供地面數(shù)據支持，具體目標有：1)探索利用地面設備獲取地面植被結構參數(shù)(單株及冠層)的新方法，為遙感反演提供高質量的驗證數(shù)據；2)獲取更細致的植被三維結構，結合衛(wèi)星影像和機載數(shù)據及地面測量的輔助數(shù)據，實現(xiàn)不同類型植被場景真實結構的模擬[10-11]；3)針對不同地形，驗證適用于復雜地表的參數(shù)化模型及遙感反演方法。

2地面實測數(shù)據獲取方案

根據衛(wèi)星過境時間以及飛行時間確定地面實驗時間，進行同步實驗。為了反映植被參數(shù)在水平空間上的連續(xù)變化特征，在重點實驗區(qū)內靠近中部區(qū)域設置一條核心樣帶區(qū)。樣帶的布設考慮了地面調查的可及性，地形及植被類型的代表性等因素。樣地獲取數(shù)據將為三維場景模擬獲取輸入參數(shù)，并為遙感反演獲取可靠的真值。因此，樣地的選擇應滿足：

1)每個樣區(qū)需要達到一定的面積，通常以遙感衛(wèi)星影像空間分辨率為參考；

2)選擇不同大小且植被類型多樣的多個樣區(qū)進行觀測，覆蓋不同生長狀況的植被；

3)可以獲取不同地形上的植被信息，以便研究地形對植被結構參數(shù)反演的影響；

4)可以對不同分布密度的植被進行觀測，獲取不同稀密狀態(tài)下的觀測數(shù)據。

2.1實驗樣地與儀器設備

實驗樣地均位于飛行區(qū)域內，覆蓋了飛行實驗區(qū)的主要地表類型、山區(qū)的陰陽坡面(不含陰影區(qū)域)，并具有配套星載圖像。實際觀測目標包括森林、農田等。

1)農田區(qū)域。樣地選擇多種單一作物類型成片分布的農田，農田面積一般達到50 m×50 m以上。

2)森林區(qū)域。選擇多處單一植被類型成片分布的森林樣地，森林基本為純林如針葉林、闊葉林等，長勢良好，無砍伐現(xiàn)象，盡量避免了多種植被類型混合。每個樣地的面積一般達到15 m×15 m左右。此外，還特別選擇一些植被分布稀疏的區(qū)域，以便對單木進行地面觀測。

通過對整個飛行區(qū)域的實地考察，并根據地形等實際情況，考慮植被類型、長勢等因素分別設計了兩種樣地：一種是代表不同林分類型的大樣地，大小為45 m×45 m左右，利用地面激光雷達進行林分尺度的大場景激光點云數(shù)據獲取，為驗證植被參數(shù)多模式協(xié)同反演模型獲取輸入參數(shù)和驗證真值；另一種是進行精細化測量的小樣地，用于典型樹種和林分場景的三維重建，以及利用多角度數(shù)據開展植被方向性反射特性和復雜地表對參數(shù)反演影響的研究。

實驗中采用的儀器設備有：便攜式激光雷達、便攜式成像光譜儀、高精度RTK、全站儀、植物冠層分析儀、手持GPS、激光測高儀和卷尺等。其中，利用RTK可以測量架站點位的WGS-1984坐標值，從而進行地面數(shù)據的坐標轉換，實現(xiàn)地面數(shù)據與機載數(shù)據的配準；卷尺用于丈量樣地大小；全站儀用于測定站點的局部精確坐標值；冠層分析儀等用于測量樣地內的LAI值和其他基本輔助參數(shù)。

表1給出了地面同步觀測實驗中使用的主要儀器。

表1　地面觀測實驗使用的主要儀器

2.2激光雷達數(shù)據獲取方法

根據樣地范圍和實際觀察情況在樣地內選擇適當架站位置架設激光雷達，保證兩個相鄰站點能互相通視，同時為了后期能對各站點點云數(shù)據進行精確拼接，在各樣地內部還另外選擇了一個全站儀架設點，該站點與所有觀測站點均能通視。

對于大樣地選擇了10個觀測站點，分別命名為ScanPos01～ScanPos10，位置如圖1(a)所示。利用羅盤初步定位，用卷尺進行站點的粗測量，再利用全站儀進行站點位置的精確測量，并建立獨立坐標系。最后，利用地面激光雷達以“后視點已知”的方式在各站點進行順序掃描，掃描分辨率為“高精度”，即100 m處的激光點距為0.05 m。對于樣地外的站點，水平視角以兩站之間的視場有較小的重疊為準，垂直視角范圍為0°～270°；對于樣地內的站點，水平和垂直最大視角分別為360°和270°，每個站點的掃描時間約為20 h。

(a)大樣地

(b)小樣地圖1　樣地掃描站點架設位置

對于每個小樣地，分別從4個方向和一定距離設置4個站點進行觀測，分別命名為ScanPos 01～ScanPos 04，位置如圖1(b)所示。此外，各站點還設置了特征明顯的標志物，便于后期不同站點數(shù)據的拼接。地面激光雷達在4個站點以“超高精度”(即100 m處的激光點距為0.02 m)模式進行掃描，水平視角范圍仍以兩站之間的視場有較小的重疊為準，垂直視角范圍為0～270°，每個站點的掃描時間約為1 h。

每個站點掃描完成后，必須檢查點云數(shù)據的質量，確定是否是對應目標樣區(qū)的激光點云數(shù)據，否則就應調整水平視角范圍重新進行掃描。圖2為獲取坡地茶樹地面激光雷達數(shù)據的場景。

對于單株植被的觀測，為了獲取單木的三維全景點云數(shù)據，在距離植被約5 m的圓周上以120°為間隔架設了A，B，C共3個站點進行掃描，如圖3所示。掃描分辨率為“高精度”，各站位的位置也使用全站儀進行精確測量。

圖2　坡地茶樹地面激光雷達數(shù)據的獲取

圖3　單木觀測站點示意圖

2.3成像光譜數(shù)據獲取方法

成像光譜數(shù)據是在獲取各樣地激光雷達數(shù)據的同時，利用地面成像光譜儀采集的。掃描站點的具體架設方案與激光雷達相同，站點的精確位置仍舊通過全站儀進行坐標測量獲得。對于低矮植被還選擇了一個典型的垂直觀測點，進行垂直觀測。最后，利用成像光譜儀在每個站點從不同水平和垂直角度進行掃描成像。水平方向從左至右每次增加15°，保證樣方內的所有區(qū)域都能夠被掃描；垂直方向選擇水平位置及固定俯仰角，以確保植被冠層全部位于其成像范圍內。每次掃描前應先通過查看預覽圖來進行對焦和取景，保證被掃描場景的完整性和清晰度。每景成像光譜數(shù)據獲取后，也必須檢查數(shù)據質量，對存在光譜飽和的數(shù)據，需調整儀器曝光參數(shù)對相應場景重新進行掃描。此外，實驗完畢后還應對數(shù)據進行備份。圖4為獲取針葉林地面成像光譜數(shù)據的場景。

圖4　針葉林地面成像光譜數(shù)據的獲取

2.4輔助數(shù)據獲取

除激光雷達和成像光譜數(shù)據外，根據衛(wèi)星過境時間以及航空飛行時間，還需通過地面快速測量獲取植被結構相關輔助參數(shù)的觀測值，包括葉面積指數(shù)、株高、胸徑、冠幅和單木精確的地理位置等，以及各樣地的實景照片。

1)葉面積指數(shù)(LAI)測量。在樣地內選擇具有代表性的區(qū)域，使用冠層分析儀測量植被LAI，在每個樣地分散測量3～5次取平均值作為該樣地的LAI，并將GPS記錄的測量位置標記在圖件上。

2)植被光譜測量。使用野外光譜儀測量葉片光譜。對于森林，其冠層光譜在有條件的情況下可以進行測量，在不能測量的情況下，利用采集到的葉片光譜進行模擬。

3)其他基本結構參數(shù)測量。使用測高儀測量植被高度，每個樣地分散測量5次，取平均值作為該樣地的植被高度，用卷尺測量植被胸徑和冠幅，植被相間程度也用卷尺進行測量。

4)輔助信息測量。利用手持氣象站記錄氣象要素等信息；使用數(shù)碼相機對樣地場景和植被冠層總體形態(tài)進行記錄；此外，還需記錄植被類型、行距、坡度、坡向、壟向、拍攝高度信息等信息。

3結束語

目前，地面觀測實驗獲取的同步數(shù)據已在一定程度上滿足了植被結構參數(shù)反演科學問題研究的需求。但是，由于實驗區(qū)部分農作物植株較高，株間間距較小，而地面激光雷達的架設高度有限，導致樣地內部點云數(shù)據密度分布不均勻。離儀器近的區(qū)域點云密度高，離儀器遠的區(qū)域點云密度低，甚至存在數(shù)據空洞的現(xiàn)象，在后期處理時應考慮這種數(shù)據的不均勻性；在激光雷達掃描期間，由于實驗區(qū)天氣條件變化，不時存在陣風的影響。導致相鄰站點間部分重疊區(qū)域的點云有錯位情況，對后期多站數(shù)據拼接有一定的影響；由于某些實驗區(qū)域樹木密集，林下植被多樣，草甸松軟，在某些站點激光雷達無法與全站儀測定的站點位置嚴格對準，影響了不同站點間點云數(shù)據的拼接精度。另外，由于某些實驗區(qū)植被覆蓋茂密，光照條件相對不足，導致成像光譜數(shù)據也存在少量的模糊。同時，實驗區(qū)氣候因素多變，特別是在不確定的陣風和光照條件影響下，某些成像光譜數(shù)據存在一定的畸變，在后期處理時也應注意。

未來將通過架設觀測塔或導軌的方式，對較高的植被冠層進行地面垂直觀測；在有條件的情況下，對小范圍的植被進行長期多時相觀測，研究植被垂直結構參數(shù)主被動協(xié)同提取的時空擴展問題。同時，擴大觀測地物的類型，實現(xiàn)對山地、水體、道路以及人工建筑物等覆蓋的復雜區(qū)域的多方位、多角度立體觀測。

參 考 文 獻

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Experimental Method for Acquiring Active-Passive Synchronous Data from Vegetation on the Ground

LUO Xin，XU Wenbo，LI Shihua

(School of Resources and Environment，University of Electronic Science and Technology of China,Chengdu 611731，China)

AbstractFor researching active-passive synergic retrievals of vegetation canopy structure parameters，a ground-based observation has been carried out on different topography and different vegetation types，in which the light detection and ranging(LiDAR)and hyperspectral data of typical vegetation are collected from different locations and angles. Meanwhile，a variety of canopy structure parameters are measured. The overall results of this experiment form a synchronous observation data set on the ground，corresponding to the flight data. The specific objectives and experimental design are introduced，including sampling plot selection，observation station setting，active-passive data acquisition，and auxiliary data measurement. The main experimental experience is also summarized，which is of important guiding significance for professional research and educational practices in the field of remote sensing.

Key wordslaser radar；imaging spectrometer;ground-based observation;vegetation structure;vegetation spectrum

收稿日期:2015-04-10；修改日期: 2015-06-25

基金項目：國家973計劃項目(2013CB733400)；中國博士后科學基金(20100471664)；中央高?；究蒲袠I(yè)務費項目(ZYGX2013J120)；電子科技大學本科教育教學研究項目(2015XJYYB088)。

作者簡介：羅欣(1977-)，女，博士，副教授，主要從事光學遙感與應用，圖像處理與模式識別方面的研究。

中圖分類號P237

文獻標志碼A

doi:10.3969/j.issn.1672-4550.2016.02.010