激光雷达技术在叶面积指数提取中的研究进展

摘要 叶面积指数（LAI）是观测植被生态的重要参数之一，快速、精准获取大尺度的LAI对发展精准林业至关重要。激光雷达技术（LiDAR）能够准确探测植被空间和地形的三维结构，特别是对植被垂直信息分布的获取，具有传统光学遥感技术无法比拟的优势，在森林参数的测量与反演上已经取得了成功的应用。介绍了激光雷达技术原理、传统测量LAI的技术方法及LiDAR反演LAI的优势，重点分析了LiDAR反演LAI的关键技术研究和LiDAR在反演LAI应用中的研究进展，并对LiDAR存在的问题和未来的发展趋势进行了分析总结。

关键词 叶面积指数；星载激光雷达；机载激光雷达；地基激光雷达；激光雷达处理技术

中图分类号 S771.8  文献标识码 A  文章编号 0517-6611（2023）13-0001-07

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2023.13.001

Research Progress of Lidar Technology in Leaf Area Index Extraction

DING Ming-ming1，2，BAO Guang-dao2，LIU Ting2 et al

（1.Changchun University，Changchun，Jilin 130022;2.Jilin Academy of Forestry Science，Changchun，Jilin 130031）

Abstract Leaf area index （LAI） is one of the important parameters for observing vegetation ecology，how to quickly and accurately obtain large-scale LAI is crucial to the development of precision forestry. Light Detection And Ranging （LiDAR） can accurately detect the three-dimensional structure of vegetation space and terrain，especially the acquisition of vertical information distribution of vegetation， has incomparable advantages over traditional optical remote sensing technology，it has been successfully applied in the measurement and inversion of forest parameters.This paper introduces the principle of lidar technology， traditional measurement LAI techniques and advantages of LiDAR LAI inversion，the key techniques of LiDAR LAI inversion and research progress of LiDAR in LAI inversion were analyzed.Finally， the existing problems and future development trends of LiDAR are analyzed and summarized.

Key words Leaf area index；Terrestrial laser scanning；Airborne laser scanning；Spaceborne laser scanning；Lidar technology

基金项目 吉林省自然科学基金项目（YDZJ202201ZYTS446）；吉林省发改委创新能力建设项目（2021C044-9）；吉林省科技发展计划项目（YDZJ202102CXJD046）；吉林省自然科学基金项目（202201-01315JC）；吉林省科技厅重点研发项目（20230202098NC）；吉林省科技发展计划项目（20200602006ZP）。

作者简介 丁铭铭（1998—），男，吉林四平人，硕士研究生，研究方向：森林生态。

通信作者，讲师，从事森林生态研究。

收稿日期 2022-12-30；修回日期 2023-02-21

叶面积指数（leaf area index，LAI）是定量表征植物冠层结构的重要参数，在衡量宏观森林健康状态、估算森林生态参量等方面具有关键作用［1］。研究表明，LAI对植被的光合、呼吸以及碳循环等生物物理过程存在决定影响［2］，通过LAI的异质性差异及变化规律，能够反映森林的生态条件，植物的生长趋势、状态，并以此评价森林光照、水分、土壤、植物之间能量的平衡状况。因此，准确、快速、宏观地获取森林LAI空间分布格局及其周期性变化态势，对准确还原森林碳水循环过程、探测扰动因子位置及程度、评估森林生态服务功能具有重大意义。

叶面积指数这一概念最早由英国作物学家Watson在20世纪40年代提出［3］，当时被定义为“单位面积土地上单面植被光合作用的综合”［4］。但由于只考虑了叶片平整的情况，对叶片特性描述欠缺合理性，难以体现叶片的结构作用，局限性较大［5］。在此之后的近80年里，很多学者提出了新的定义，大致可以分为4种：①地表单位面积上冠层叶片垂直投影到水平面上的面积总和［6］。但这一定义忽略了植被冠层叶倾角不同的问题。②地表单位面积上冠层叶片垂直投影到水面上的最大投影面积［7］。该定义会因消光系数而使结果受影响。③单位地面面积总截面积的一半［8］。该定义只适合非平面的叶子。④地表单位面积上总叶片表面积的一半［9］。该定义考虑了多个方面，可以用于各种树种，包括针叶的不规则形状，是目前接受度最高、应用最广泛的定义。值得注意的是，以上不同的定义都有其本身意义，所以使用不同的定义去计算LAI会导致计算结果存在着较大差异［2］，应用者需依据研究目的选择合适的定义。

目前，针对叶面积指数的测定方法很多［10-11］，但均受不同条件的限制。仍然没有一项技术可以在无损的情况下实现对LAI的精准测量，而激光雷达作为一种新型的主动遥感技术，不仅能够直接、快速、精准地获取研究对象的三维结构坐标信息，还具备对植被的空间结构和地形的侦测功能，尤其是对森林高度和垂直结构的检测能力，是传统光学遥感无法比拟的［12］。因此，通过激光雷达获取森林结构的精确三维点云信息，再对点云数据进行处理、分析，可以有效地估测森林的垂直结构信息以及植被的冠层信息等，既提高了叶面积指数估算的准确性，也避免了叶面积指数估测中存在的饱和效应。

该研究通过整理国内外激光雷达技术的发展及分类、LAI的测量方法、激光雷达数据的处理方法，梳理了激光雷达技术在叶面积指数反演研究中的发展脉络，包括现有的点云的去噪、分类技术等，并在此基础上，归纳了当前仍存在的技术问题，对未来激光雷达技术在LAI测量方面的应用提出了展望，旨在对未来开展高精度LAI测定研究以及区域高分辨率叶面积指数产品生产提供参考。

1 激光雷达技术

激光雷达技术（light detection and ranging，LiDAR）是一种新型主动探测与测距技术。相比于传统雷达，它结合了激光技术和雷达技术，具有分辨率高、易携带、探测能力强等优点。而且不受地面回波的影响，具有微小物体探测能力［13］。自20世纪60年代问世以来，已经被诸多领域广泛应用［5］。直到20世纪80年代，有研究人员尝试将LiDAR用于获取三维点云数据上，结果达到了传统技术难以达到的高度，尤其是对目标细节的获取更是传统技术无法比拟的［10］。此后，LiDAR也成为诸多行业的热门研究。

1.1 激光雷达技术的原理

由图1可知，激光雷达由激光发射器、接收器、时间计数器等组成［12］。与传统的雷达发射器不同，激光雷达主要是通过激光探头发射激光光束到被测物体表面，然后由接收器接收被测物体的反射光束，再经过时间计数器记录发出与接受的时间，结合方位角与俯仰角即可算出被测目标的三维空间［14］。

激光雷达测距公式：

S=12×c×Δt（1）

式中，S为距离，c为速度，Δt为时间。

1.2 激光雷达的分类

根据激光雷达探测范围及承载平台的不同，可以将激光雷达分为3类：地基激光雷达（terrestrial laser scanning，TLS）、机载激光雷达（airborne laser scanning，ALS）和星载激光雷达（spaceborne laser scanning，SLS）［15］。

1.2.1 星载激光雷达。

SLS是激光雷达技术与卫星结合的产物，能够大范围的获取地球表面上的信息。早在2003年，美国发射了携带GLAS星载激光雷达的ICESat卫星［16］。该卫星上的GLAS是一个能够对地球大面积观测的大光斑星载激光雷达系统。它最早被用于监测冰川以及雪量的变化［17］；随后又被用于测量海面、海水、陆地表面的高程、冰块和陆地表面的粗糙度以及云层和气溶胶层的高度［15］。2005年，GLAS被发现可以应用到林业的参数提取中，如测量植物冠层的高度［18］。Tang等［19］也提出了可以从GLAS中导出叶面积指数的想法，随后有学者提出GLAS能够利用激光脉冲的穿透性来获取全波形数据，在对全波形数据进行分析处理后，可以进一步得到大面积的森林冠层高度、森林郁密度等信息，这使GLAS在林业上的应用逐渐开阔。

1.2.2 机载激光雷达。

ALS是目前主流的一种主动遥感技术，它是由激光、全球定位系统（GPS）以及惯性导航系统（INS）组成的［20］。它不仅能够快速、精准地获取地面上的三维信息，并且还具有穿透性，可以穿透林分冠层并获得高精度的森林冠层以及林分内部结构信息。与传统摄影相比，ALS不受日光条件的限制，即使在夜晚也能不停作业，因此，在20世纪末迅速发展起来，并已经被应用到地形考察、林业调查、道路规划等各个领域［21］，进入21世纪，在林业上的应用也逐渐变得成熟、完整，庞勇等［22］利用机载激光雷达提取出林分的平均树高；付甜等［23］利用机载激光雷达估测出森林生物量等。

1.2.3 地基激光雷达。

TLS技术产生于20世纪90年代［2］，是传统雷达与现代激光技术结合的产物，通过位置、距离、角度等观测数据直接获取目标表面点的三维坐标［5］，使其在高精度三维冠层信息的实时获取方面有极大的优势，并且可以高效地建立起被测物的三维模型。TLS起初更多地被应用于地形的勘测、文物保护、建筑物建模等方面［24］，而在2002 年，Lefsky等［25］首次提出地基激光雷达可无破坏地获取森林的三维结构，尤其是垂直结构信息，TLS在林业内得到飞速地发展。

2 传统的叶面积指数测定

近年来，随着国际社会对全球变暖的关注度不断提升，针对植被碳水循环模型的研究逐渐深入，作为定量刻画植被冠层特征的关键指数之一，准确获取不同尺度LAI具有重要意义，使得针对LAI测定的研究逐渐增加，推进了LAI测定的发展。由于LAI的重要性及准确获取的困难性，使如何高精准地测定LAI成为研究的热门。传统的叶面积指数的测量方法大致可分为直接法与间接法［2］。

2.1 直接测量法

直接测量法是一种经典成熟的测量LAI的方法，主要是指通过测量仪器与手动测量目标对象部分叶片的表面积，在根据公式计算出叶面积指数。直接测量法具体分为：

①直接收获法，该方法是直接收获植物的叶片，并将其烘干称重，在通过测量出叶片的表面积，最后计算得出LAI［6］。

②异速生长方程法，该方法是2003年Bréda［26］提出的，主要通过建立 LAI 与树高、胸径的关系，再根据叶的比叶面积来估算 LAI。