ICESat-2 ATL08地形和冠层高度产品精度评估.pdf

地形及冠层高度产品在大范围的森林资源调查研究中的性能还需进一步探究。为此，文章首先对 个生态网络观测站的 地形及冠层高度产品进行整体的精度评估；其次，验证其在不同生物群落中的精度并对 单 站 精 度 进 行 定 量 评 价；最 后，分 析 该 产 品 在 多 种 误 差 因 素 条 件 下 的 性 能。结果表明：地形和冠层高度产品的整体 分别为 和 ；地形高度产品在低矮或稀疏的植被区精度较高，在高大或茂密的森林区精度较低，且其精度随坡度、植被覆盖度及冠层高度的增加而降低；冠层高度产品在温带阔叶林和混交林地区的 为 ，在沙漠和干旱灌木丛地区的 为 。另外，相比地形高度产品，冠层高度产品受地物覆盖类型、冠层高度和植被覆盖度的影响更严重且影响机制较为复杂。关键词：；地形高度产品；冠层高度产品；误差因素；精度验证犱 狅 犻：中图分类号：文献标志码：文章编号：（）犃 犮 犮 狌 狉 犪 犮 狔犃 狊 狊 犲 狊 狊 犿 犲 狀 狋 狅 犳 犐 犆 犈 犛 犪 狋 犃 犜 犔 犜 犲 狉 狉 犪 犻 狀犪 狀 犱犆 犪 狀 狅 狆 狔犎 犲 犻 犵 犺 狋 狊，（犛 犮 犺 狅 狅 犾 狅 犳犌 犲 狅 狊 犮 犻 犲 狀 犮 犲犪 狀 犱犐 狀 犳 狅 狆 犺 狔 狊 犻 犮 狊，犆 犲 狀 狋 狉 犪 犾 犛 狅 狌 狋 犺犝 狀 犻 狏 犲 狉 狊 犻 狋 狔，犆 犺 犪 狀 犵 狊 犺 犪 ，犆 犺 犻 狀 犪）犃 犫 狊 狋 狉 犪 犮 狋：，（，），；，；，犓 犲 狔 狑 狅 狉 犱 狊：；引用格式：王丽，李毅，朱建军，等 地形和冠层高度产品精度评估遥感信息，（）：引言森林生态系统是生态环境的重要组成部分，对揭示碳循 环规律 和 调 节 气候 具 有 重 要 的 科 学 价值 。森林冠层高度是重要的森林生态系统垂直结构参数，也是评价森林生态系统健康状况、揭示碳循环的不确定性的重要指标 。因此，获取大范围、高精度的森林冠层高度对量化全球碳库、揭示碳循环规律及气候变化极为重要。此外，位于冠层下方的地形是灾害预警、国防安全及森林资源清查等不可或缺的基础地理信息资源。激光雷达以点云或波形的形式直接记录森林垂直结构和林下地形，是测量森林冠层高度和林下地形的重要手段之一。星载激光雷达能采集全球范围内的激光测高数据，能为全球森林高度、碳储量及林下地形的获取提供有力的数据支撑。特别是第二代冰、云和陆地高程卫星（，）的成功发射，它不仅继承了第一代星载激光雷达的对地观测任务，而且进一步改进了激光测高系统的性能。搭载的高级地形激光测高系统（，）采用微波脉冲光子计数技术进行测量，可获取单个光子的三维坐标信息。不同于第一代的大光斑低频采样模式，系统采用频率为 、光斑直径为 的激光脉冲获得地面上相邻光斑距离仅为 采样密度，增强了沿轨方向上的分辨率，能观测沿轨方向上连续的地物信息，同时通过多波束的方式增加了垂轨方向上的采样密度 。综上，在冰雪、云、陆地和冠层的高度测量方面提供了前所未有的观测数据，也为森林垂直结构测绘和全球数字地形模型等应用带来了重大效益。在大范围、多区域上对 地形及冠层高度产品进行精度验证，有助于了解其科学性和实用性，为产品的使用者提供一定的精度参考。目前，已有学者开展了验证 地形及冠层高度产品的精度方面的研究工作。年，等 在芬兰的北方森林对 地形及冠层高度产品进行定量评估，证明了 地形及冠层高度产品的可行性。在美国南卡罗来纳州的森林地区，等 通过验证不同能量通道的 地形高度产品的精度发现，地形高度误差与激光能量参数之间有较强的相关性。以上研究在小范围区域验证了 地形及冠层高度产品的可行性，不能较好地说明 地形及冠层高度产品在大范围应用的适用性，也难以探究各种误差因素对 地形及冠层高度产品的影响。等 扩大了验证的范围和样本，在 芬兰 南 部 北方 针 叶 林 收集 了 个月 的 地形及冠层高度产品并对其进行精度验证，发现冰雪覆盖、强弱光束、采集时间（昼夜）、冠层覆盖率和季节等因素对 地形及冠层高度产品精度均产生影响。等 在不同地形环境及土地覆盖类型下对 地形高度产品进行评估，发现位 于 山 区 的 多 数 地 形 产 品 不 可 用。等 在地形复杂的山地森林评估了 地形高度产品，发现当坡度大于 时，地形高度误差会显著增加。等 从个生态群落选取 个站点的 地形及冠层高度产品的精度进行验证，研究发现 和 的 冠层高度更适合表示植被高。等 利用美国生态网络 观 测 站 提 供 的 机 载 激 光 雷 达 数 据 评 估 了 地形及冠层高度产品的可行性，结果表明，当冠层高度大于 或者是覆盖度大于 会降低地形检索高度的能力。以上研究在一定程度上证明了 地形及冠层高度产品的科学性。然而，目前针对大范围、多种地物覆盖类型和精细验证的工作较少。另外，现有工作缺乏对不同生态群落及不同站点的 地形及冠层高度产品进行细致的定量表述。为了进一步了解 地形及冠层高度产品在不同条件下的性能，本文对 地形高度及冠层高度产品进行精度验证。首先，对 地形高度及冠层高度进行整体精度验证。其次，单独验证了 个不同站点的 地形及冠层高度，并根据不同的生态群落进行精度评价。最后，分析信噪比、坡度、冠层高度、土地覆盖类型和叶面积指数等因素对 地形及冠层高度的影响。研究区及研究数据 研究区美国本土地势呈东西两侧高，中间低，主要的土地覆盖类型为森林、灌木、湿地、草原和耕地等。本文以位于美国本土的 个生态网络观测站（，）作为研究区，以 提供的数字地形模型（，）和 冠 层 高 度 模 型（遥 感 信 息 年期 ，）产品作为参考，验证 地形及冠层高度产品的精度。个站点的位置分布如表所示。所选研究区域涵盖了多种地形、多种土地覆盖类型及多种冠层高度，能全面展示 地形及冠层高度产品的性能。表 个犖 犗 犈 犗 犖站点分布站点纬度（）经度（）站点纬度（）经度（）研究数据 是表示陆地和植被的产品，它提供沿轨道 或 为步长的地形高度、冠层高度以及其描述性参数，并以 的格式进行存储，在美国国家冰雪中心（：）免费下载。本文用于验证的地形和冠层高度参数分为最佳拟合 地 形（）和 相 对 冠 层 高 度 （），使用的数据是第三版 产品的强光束部分，数据采集时间是 年 月至 年 月，相关产品参数如表所示。其中，使用经纬度字段进行定位，与其他数据匹配。以多重散射（）作为筛选标志（或 ），消除由云和气溶胶引起的具有较大高程值的数据点，以 作为数据采集时间标志分析昼夜获取数据的质量，以 作为标志分析信噪比对 产品高度准确性的影响。表犃 犜 犔 数据产品参数说明 参数描述 中心光子点的纬度 中心光子点的经度 多重散射标志 夜间获取数据的标志 信号与背景噪声的比值 冠层相对高度的 中点的最佳拟合地形高度 的机载激光雷达点云的水平精度为 ，垂直精度为 ，其地形和冠层高度产品的空间分辨率为，观测时间主要是 年月（其中有两个站点的观测时间分别是 年月和月）。第三版 产品是沿飞行轨道方向采用 分段采样，其光斑直径为，但考虑到激光能量的衰减，光斑边缘的回波能量较弱。因此，本文以 栅格范围内中心点对应的 值作为参考地面高程，以 栅格范围内第 百分位和第 百分位分别作为参考的冠层高度。引入坡度、土地覆盖类型和叶面积指数（，）等辅助数据评估 地形及冠层高 度 产 品 受 误 差 因 素 的 影 响。地 形 坡 度 由 生成，由 网站提供，土地覆盖类型数据来自 年全球 地表覆盖精细分类产品 （：）。评价指标本文分别使用 和定量评估 地形及冠层高度产品的准确性。残差是指测量值与参考值之间的差，通过残差分析能更直观地评估 地形及冠层产品与参考高度的偏离情况。同时，采用决定系数（犚）、平均误差（）、平均绝对误差（，）和均方根误差（，）个统计变量进行定量评估。对于森林冠层高度而言，本文还使用相对均方根误差（）评估其精度（式（）至式（）。犖犖犻（犎 犎 ）槡（）（珨犎 ）（）犚狀犻（犎 犎 ）狀犻（犎 珨犎 ）狀犻（犎 犎 ）（）引用格式：王丽，李毅，朱建军，等 地形和冠层高度产品精度评估遥感信息，（）：式中：犖为样本个数；犎 是 地形或冠层高度产品的高度；犎 为 或产品的 高 度，即 本 次 实 验 的 参 考 值；珨犎 表 示 产品的平均高度。结果与讨论 整体精度评价图展示了 个站点的 地形高度产品的精度。整体地形高度产品的犚为，为 （犖 ），与参考地形具有较高的一致性。夜间获取的地形高度产品的精度（）要优于白天（），二者的 相差接近。主要原因是白天获取的光子点云包含大量的噪声光子，极大地影响了 地面光子分类算法的稳定性。首先，采用第 百分位数的 参考冠层高度对 冠层高度进行验证。验证结果如图（）图（）所示，冠层高度产品与第 百分位数参考冠层高度整体的犚为 ，为 （犖 ），其中夜间获取的冠层高度产品比白天获取的冠层高度产品质量高。另外，冠层高度产品存在低估的现象，整体的平均误差为 。本文也比较了 冠层高度产品与第 百分位数的 参考冠层高度的相关性。如图（）图（）所示，相比第 百分位数 参考冠层高度，冠层高度产品与第 百分位数 参考冠层高度的相关性较高，整体 为 （白天，；夜间，）。受 卫星采样和 冠层高度获取算法的影响，冠层高度产品存在低估，其与较低百分位的参考冠层高度更一致，这与 得出的结论吻合。图犃 犜 犔 地形高度与犖 犈 犗 犖犇 犜犕的散点图图犃 犜 犔 冠层高度与犖 犈 犗 犖犆 犎犕散点图遥 感 信 息 年期 单站及生态分区的精度评价图为单站地形及冠层高度产品质量的定量评价结果，并根据生态群落数据划分生态分区对该产品的性能进行分析。如图（）所示，位于沙漠和干旱灌木丛区域内的站点地形 较小，位于温带阔叶林和混交林区域内的站点 较大。其中，整体 小于的站点有 个，最小为 （），大部分站点的 基本满足夜间小于白天的规律。站点 的 昼夜相差最大，达到（白天，；夜间，），原因是该站点地表覆盖复杂，茂密高大的森林遮挡了光子，使达到地面的光子数量有限，故在高背景噪声环境下（白天）获取的地形高度产品质量低。与之相反，有少部分站点地形高度产品的夜间 大于白天的 ，但相差不超过，典型代表 有 、和 。上述站点的夜间数据是夏季采集，白天数据是冬季采集。夏季植被茂密，夜间能获取的地面光子数量也有限，这可能限制了地形高度产品的质量。图（）展示了各站点冠层高度产品的 ，其中有个站点（、）的整体 超过了。和 所覆盖的植被相对稀疏，所覆盖的植被相对茂密，故植被冠层结构可能是影响上述站点冠层高度质量的重要原因。稀疏的植被条件限制冠层高度检索的能力，而在植被茂密的地区，地形高度的探测能力有限，进而影响冠层高度的测量。的坡度变化大，这可能是制约该站点冠层高度检索性能的重要原因。其中，有个站点（、）的整体 小于，上述站点均位于地形平、植被覆盖类型单一、植被高度为 左右的地区。即 冠层高度产品在地形平坦和冠层高度适中的地区检索的冠层高度更准确。图（）还 展 示 了 各 站 点 冠 层 高 度 产 品 的 ，位于沙漠和干旱灌木丛地区的站点冠层高度产品质量较差，单点 均超过了 。在温带阔叶林和混交林中的站点冠层高度产品的质量较好，单站 均小于 。在温带针叶林中，各站间 的波动最大（）。表总结了 冠层高度产品在种主要生态群落中的精度指标。在温带阔叶林和混交林中，冠层高度产品的 最小（）；在温带针叶林、沙漠和干旱灌木丛中，冠层高度产品质量较差；尤其是在沙漠和干旱灌木丛中，冠层高度产品的 高达 。因此，冠层高度产品不适合用于低矮、稀疏植被区，尤其是以低矮稀疏植被为代表的沙漠和干旱灌木丛地区。注：为沙漠和干旱灌木丛；为温带阔叶林和混交林；为温带针叶林；为温带草原、稀疏草原和灌木。图地形及冠层高度产品的单站犚犕 犛 犈引用格式：王丽，李毅，朱建军，等 地形和冠层高度产品精度评估遥感信息，（）：表不同生物群落的冠层高度误差统计表生态群落类型平均冠层高度 沙漠和干旱灌木丛 温带针叶林 草原、稀疏草原、灌木丛 温带阔叶林和混交林 地形高度产品误差因素分析使用 折线图和残差线箱图表示各类误差因素对地形高度产品的影响，线箱图中的异常值均不显示。图（）和图（）展示了地形高度产品质量与信噪比的关系。由于白天获取的数据信噪比主要集中在 的范围，白天无高信噪比的数据。夜间获取的地形高度产品精度明显优于白天获取的地形高度产品。其原因是 产品使用的滤波方法相对简单，对于低信噪比的光子点云，当滤波搜索半径较小时，信号光子与噪声光子空间密度异质性不明确，去噪力度过大；当滤波搜索半径较大时，则去噪不力，残留在地表附近的噪声光子是地形反演的主要误差源之一。然而，夜间获取的光子点云数据具有较大的信噪比，由于背景噪声光子稀少，提高了信号光子的识别力度。如图（）所示，地形高度的 随着坡度的增大而增大。当坡度小于 时，地形高度的 较小（白天，；夜间，）；当坡度大于 时，地形高度产品的 不再可靠（白天，；夜间，）。坡度对地形高度产品的影响主要来自两方面：坡度的增加使得地面光子数量减少，导致 算法难以获取大坡度处的地面光子；地形坡度加剧了 激光光斑地理定位误差对地形高度反演的影响。如图（）所示，坡度越大，地形高度产品低估越严重。其原因是在坡度大或地形变化剧烈的地区，地面光子拟合出的地形无法顾及局部的地形变化导致的。如图（）所示，地形高度产品的 随着冠层高度 增 大 而 增 大。当 冠 层 高 度 小 于 时，变化比较平稳，当冠层高度大于 时，地形高度产品的 变化逐渐加快。这说明低矮植被覆盖有利于 分类方法准确地识别地面光子，使得低矮植被区的地形产品精度远优于高植被区。如图（）所示，当冠层高度小于 时，地形高度存在低估；当冠层高度大于 时，地形高度出现高估。这是因为高植被增加了冠层光子采用率，降低地面光子采样率，最后仅由少量的地面光子和残留的噪声光子共同拟合出地形高度，故存在高估。图信噪比、坡度、冠层高度、土地覆盖类型和犔 犃 犐对犃 犜 犔 地形高度产品误差的影响遥 感 信 息 年期根据土地覆盖类型对 个站点进行分类并定量分析。如图（）所示，湿地和草地的地形高度产品精度较高，约为，得益于低矮植被的覆盖。相比而言，针叶林、阔叶林、混合林的地形高度产品精度较低，约为，其中阔叶林的 最大（），这主要是阔叶林植被茂密使得地面光子数量减少。另外，无论何种地物覆盖类型，夜间获取的地形 高 度 产 品 精 度 均 高 于 白 天。综上，地形高度产品在低矮植被区表现最好，在茂密或高植被区精度有所降低，其精度与地面光子数量呈现正相关。如图（）所示，地形高度的 随着 的增大而增大，主要原因是 越大，被植被遮挡的光子越多，故 较大的区域地面光子较少。不同的 引起的 变化在的范围内。冠层高度产品误差因素分析图为冠层高度产品在不同误差条件下的评价结果。图（）和图（）展示了在不同信噪比条件下 冠层高度产品的性能。低信噪比数据主要来自白天获取的数据集，高信噪比数据主要来自夜间获取的数据集。冠层高度的 和 也是随着信噪比的增大而减小，且夜间获取的冠层高度产品精度明显优于白天获取的冠层高度产品。这主要是夜间高信噪比数据降低了区分冠层顶部光子及噪声光子的难度。图（）和图（）展示了冠层高度产品精度与地形坡度的关系。夜间和白天获取的冠层高度产品的 和 均随着坡度的增大而增大，但白天获取的冠层高度受坡度的影响大于夜间。当坡度大于 时，白天获取的数据质量较差（约为）。如图（）所示，冠层高度产品的 和 与真实冠层高度之间的关系是非线的。当冠层高度在 时，冠层高度产品的 随着冠层高度的增大而减小；而当冠层高度大于 时，冠层高度产品的 随着冠层高度的增大而增大。冠层高度的 随着冠层的增大而减小。如图（）所示，在低矮植被区冠层高度产品出现高估，在高植被区冠层高度产品出现严重的低估。原因如下：低矮植被区冠层高度产品高估是由于临近信号光子的噪声光子与信号光子空间密度异质性较低，获取的冠层光子中包含大量的噪声光子；随着冠层高度的增大，由上文可知，地形高度产品高估严重，导致冠层高度低估加剧。当真实冠层高度在 时，冠 层 高 度 产 品 相 对可靠。图信噪比、坡度、冠层高度、土地覆盖类型和犔 犃 犐对犃 犜 犔 冠层高度产品误差的影响引用格式：王丽，李毅，朱建军，等 地形和冠层高度产品精度评估遥感信息，（）：如图（）所示，湿地和草地的冠层高度产品 较小，森林区冠层高度产品 较大，其中，针叶林最大。对于以针叶林为代表的稀疏植被而言，其冠层结构稀疏且冠层存在较大的聚集效应，导致冠层信号光子与噪声光子间的空间密度差异不明显，提取的冠层信号包含较多的噪声，值较大。虽然在针叶林区，地形高度产品比较准确，但冠层信号光子与噪声光子区分困难，从而增加了冠层高度产品不确定性。对于以阔叶林为代表的茂密植被而言，茂密的冠层结构增大了光子从顶部返回的概率，但削弱光子到达地面的概率，这增大了地形高度的不确定性，进而影响冠层高度产品的准确性。如图（）所示，对冠层高度 的影响表现为“先减小后增加”的非线性变化趋势。当 较小时，植被覆盖度低，稀疏的冠层光子与背景噪声难以区分 的问 题 导 致冠层高度估计不准。当 较大时，植被覆盖度高，导致地面光子数量较少，故地形高度的准确性不高。综上，植被覆盖度极高或极低均会影响冠层高度产品的精度，但二者的影响机制不同。从实验结果来看，植被覆盖度适中（：）时，冠层高度产品质量最佳。结束语本文利用 和 数据对 地形及冠层高度产品进行了精度评估，并根据不同的生态群落进行定量的精度评价，最后分析了多种误差因素对 地形及冠层高度产品的影响机制。本文得出的主要结论如下。）地形产品整体精度较高，主要受信噪比、坡度、植被覆盖度及冠层高度的影响。具体表现为高信噪比的地形产品精度高于低信噪比的地形产品精度；地形产品精度随着坡度增加而降低，当坡度大于 时，地形产品的精度较低；地形产品的精度随着冠层高度和植被覆盖度的增加而降低。位于沙漠和干旱灌木丛的站点地形高度产品质量较好，位于温带阔叶林和混交林区域内的站点地形高度产品质量较差。）冠层高度产品精度同样受信噪比、坡度、植被覆盖度及冠层高度的影响，但相比 地形产品，冠层高度产品整体精度较低，受误差因素影响较大且影响机制较为复杂。信噪比及坡度对冠层高度产品的影响呈现简单的线性关系。然而，植被覆盖度及冠层高度对冠层高度产品的影响机制却更为复杂。当植被覆盖度较低时，冠层光子与噪声光子难以区分，导致冠层高度过度高估；当植被覆盖度高时，地面光子稀少，导致地面高程估计不佳从而影响了冠层高度过度低估。在不同的生态群落中，位于温带阔叶林和混交林中的冠层高度产品的 最小，位于温带针叶林、沙漠和干旱灌木丛中的冠层高度产品的 最大。在大 范 围、多 个 站 点 和 多 种 生 态 群 落 下 对 地形和冠层高度产品进行精度验证和细致的误差分析，有助于推广 产品的应用，同时也可为大范围 产品的高精度样本筛选和误差模型建模提供参考，也为后续基于 数据的植被 高 度 及 林 下 地 形 反 演 方 法 的 改 进 提 供 了参考。参考文献朱笑笑基于 和 数据的中国 米分辨率森林高度反演研究北京：中国科学院大学，李增元，刘清旺，庞勇激光雷达森林参数反演研究进展遥感学报，（）：，（）：，（）：，（）：，（）：，：谢栋平，李国元，王建敏，等新型激光测高卫星 在地学中的应用前景综述测绘与空间地理信息，（）：遥 感 信 息 年期 ，：，：，：，：，（）：，（）：，：，（）：，：，（）：，：，：（）：刘良云，张肖 年全球 米地表覆盖精细分类产品 （）：，：，（）：（）：（）（）：，（）：（）：刘丽娟，王成，聂胜，等 不同算法对地面高程和森林冠层高度精度的影响分析中国科学院大学学报，（）：，（）（）：