本發(fā)明屬于無(wú)線電測(cè)量，具體涉及基于無(wú)人機(jī)的森林碳儲(chǔ)量監(jiān)測(cè)方法。

背景技術(shù)：

1、隨著全球氣候變化問(wèn)題的日益嚴(yán)峻，森林作為全球碳循環(huán)的重要組成部分，其碳儲(chǔ)量監(jiān)測(cè)和管理工作受到廣泛關(guān)注。森林在全球碳循環(huán)中發(fā)揮了關(guān)鍵的作用，通過(guò)光合作用吸收大氣中的二氧化碳(co2)，并將其固定在植被和土壤中，從而緩解了大氣中溫室氣體的積累。為了更好地理解森林在碳循環(huán)中的作用，準(zhǔn)確測(cè)量和監(jiān)測(cè)森林碳儲(chǔ)量成為全球研究和政策制定中的一個(gè)重要課題。

2、目前，森林碳儲(chǔ)量的監(jiān)測(cè)方法主要分為基于地面調(diào)查和基于遙感技術(shù)的監(jiān)測(cè)兩大類。地面調(diào)查通常通過(guò)在森林中選取樣地，測(cè)量樣地中的樹(shù)木直徑、高度、生長(zhǎng)量等參數(shù)，并根據(jù)這些數(shù)據(jù)通過(guò)經(jīng)驗(yàn)公式推算出樣地的生物量和碳儲(chǔ)量。這種方法雖然在一定程度上能夠提供較為精確的碳儲(chǔ)量數(shù)據(jù)，但存在顯著的局限性。首先，地面調(diào)查耗時(shí)耗力，難以在大范圍內(nèi)推廣應(yīng)用。其次，由于樣地的代表性有限，樣地外的森林區(qū)域碳儲(chǔ)量推算往往存在較大誤差。此外，地面調(diào)查難以對(duì)不同高度層次的植被(如樹(shù)冠、樹(shù)干、地被植被等)進(jìn)行詳細(xì)的分層監(jiān)測(cè)，導(dǎo)致監(jiān)測(cè)結(jié)果的精度較低。

3、為了克服地面調(diào)查的局限性，遙感技術(shù)在森林碳儲(chǔ)量監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用日益廣泛。遙感技術(shù)通過(guò)衛(wèi)星、飛機(jī)或無(wú)人機(jī)搭載的傳感器，能夠?qū)Υ竺娣e森林進(jìn)行快速的光學(xué)或激光數(shù)據(jù)采集，并根據(jù)獲取的數(shù)據(jù)推算出森林的生物量和碳儲(chǔ)量。其中，基于光學(xué)遙感的監(jiān)測(cè)方法通過(guò)對(duì)森林的光譜反射特性進(jìn)行分析，從中推斷出植被的葉綠素含量、葉面積指數(shù)等生物學(xué)參數(shù)，進(jìn)而估算森林的碳儲(chǔ)量。常見(jiàn)的光學(xué)遙感技術(shù)包括多光譜和高光譜成像，主要通過(guò)反射光譜在可見(jiàn)光、紅外光等波段的吸收和反射來(lái)獲取植物健康狀態(tài)、植被覆蓋度等信息。此外，激光雷達(dá)(lidar)技術(shù)近年來(lái)在森林碳儲(chǔ)量監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用也越來(lái)越多。lidar技術(shù)通過(guò)發(fā)射脈沖激光，并測(cè)量其在植被表面反射回傳感器的時(shí)間差，生成目標(biāo)區(qū)域的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)。lidar技術(shù)具有較強(qiáng)的穿透性，能夠獲取森林冠層以下的結(jié)構(gòu)信息，特別是在高密度森林中，lidar能夠有效地穿透樹(shù)冠，捕捉到樹(shù)干和地表的高度分布信息。因此，lidar技術(shù)相比于傳統(tǒng)的光學(xué)遙感技術(shù)在森林生物量和碳儲(chǔ)量的三維監(jiān)測(cè)方面具有明顯的優(yōu)勢(shì)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的主要目的在于提供基于無(wú)人機(jī)的森林碳儲(chǔ)量監(jiān)測(cè)方法，該方法能夠進(jìn)行高度分層監(jiān)測(cè)，捕捉森林不同高度層次的葉綠素含量和葉面積密度，確保碳儲(chǔ)量估算的精確性和全面性。相比于現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明提高了碳儲(chǔ)量監(jiān)測(cè)的精度和效率，適用于復(fù)雜環(huán)境下的森林碳儲(chǔ)量估算，并具有較強(qiáng)的環(huán)境適應(yīng)性和多功能應(yīng)用潛力。

2、為了解決上述問(wèn)題，本發(fā)明的技術(shù)方案是這樣實(shí)現(xiàn)的：

3、基于無(wú)人機(jī)的森林碳儲(chǔ)量監(jiān)測(cè)方法，所述方法包括：

4、步驟1：利用無(wú)人機(jī)搭載的多波段激光器和高光譜相機(jī)采集目標(biāo)森林區(qū)域的激光脈沖和光譜數(shù)據(jù)；根據(jù)激光脈沖構(gòu)建目標(biāo)森林區(qū)域的三維點(diǎn)云圖；根據(jù)接收到的激光脈沖和多波段激光器的參數(shù)，計(jì)算激光脈沖的有效反射強(qiáng)度；結(jié)合光譜數(shù)據(jù)中的輻射亮度和激光脈沖的有效反射強(qiáng)度，進(jìn)行大氣校正計(jì)算，得到校正后的地表反射率；

5、步驟2：根據(jù)三維點(diǎn)云圖，計(jì)算目標(biāo)森林區(qū)域的地形曲面方程；根據(jù)校正后的地表反射率和激光脈沖的有效反射強(qiáng)度，計(jì)算目標(biāo)森林區(qū)域的植被的葉面積密度；基于葉面積密度，使用prosail模型的反演函數(shù)計(jì)算目標(biāo)森林區(qū)域的植被的葉綠素含量；

6、步驟3：基于預(yù)設(shè)的生物量模型，以及預(yù)設(shè)的碳轉(zhuǎn)換系數(shù)，結(jié)合葉綠素含量，計(jì)算目標(biāo)森林區(qū)域的碳儲(chǔ)量。

7、進(jìn)一步的，步驟1中，多波段激光器通過(guò)接收不同波長(zhǎng)的激光脈沖測(cè)量這些激光脈沖在不同高度的植被和地表反射回來(lái)后的強(qiáng)度，并通過(guò)計(jì)算時(shí)間延遲來(lái)推斷不同高度的位置，生成一個(gè)三維點(diǎn)云圖。

8、進(jìn)一步的，步驟1中，使用如下公式，根據(jù)接收到的激光脈沖和多段激光器的參數(shù)，計(jì)算激光脈沖的有效反射強(qiáng)度：

9、

10、其中，ieff(λ,x,y,z)表示波長(zhǎng)λ的激光脈沖在點(diǎn)(x,y,z)處的有效反射強(qiáng)度；x為x軸坐標(biāo)，y為y軸坐標(biāo)，z為z軸坐標(biāo)；i0(λ)表示波長(zhǎng)λ的激光脈沖在發(fā)射時(shí)的初始強(qiáng)度；大氣衰減系數(shù)α(λ,s)描述了激光脈沖在波長(zhǎng)λ處，從起點(diǎn)s＝0到s＝z之間，傳播過(guò)程中因大氣成分導(dǎo)致的強(qiáng)度損失；σ(λ,x,y,z)為后向散射截面，描述了激光脈沖到達(dá)目標(biāo)區(qū)域的點(diǎn)(x,y,z)處后，目標(biāo)區(qū)域在波長(zhǎng)λ下反射激光脈沖的能力；r為傳播距離，表示激光脈沖從多波段激光器到目標(biāo)區(qū)域之間的傳播距離；ar是多波段激光器的有效接收面積；s為積分變量；ηsys(λ)為系統(tǒng)光學(xué)效率，表示多波段激光器在波長(zhǎng)λ下的光學(xué)效率，反映了系統(tǒng)內(nèi)部的光學(xué)部件的性能損失情況，描述了激光脈沖從發(fā)射、傳播到接收過(guò)程中的效率。

11、進(jìn)一步的，步驟1中，通過(guò)如下公式，進(jìn)行大氣校正，計(jì)算得到校正后的地表反射率：

12、

13、其中，ρsurface(λ,x,y)為地表在波長(zhǎng)λ、空間位置(x,y)處的校正后的地表反射率；lsensor(λ,x,y)為高光譜相機(jī)在波長(zhǎng)λ下接收到的輻射亮度，它包括了地表反射光和大氣散射光；t↑(λ)和t↓(λ)分別是大氣上行和大氣下行透過(guò)率；t↑(λ)是從地表到高光譜相機(jī)過(guò)程中，大氣對(duì)波長(zhǎng)λ的光的透過(guò)率；t↓(λ)則是從太陽(yáng)到地表過(guò)程中，大氣對(duì)波長(zhǎng)λ的光的透過(guò)率；e0(λ)表示在波長(zhǎng)λ處，太陽(yáng)在地球大氣層外的輻照度，即太陽(yáng)光在沒(méi)有受到大氣影響的情況下，能夠輻照到地球表面的光的強(qiáng)度；太陽(yáng)天頂角θ是指太陽(yáng)光線相對(duì)于垂直地表的角度；edown(λ)為波長(zhǎng)λ的光的大氣下行輻照度，為大氣中的波長(zhǎng)λ的光在經(jīng)過(guò)散射后再次返回地表的光強(qiáng)度。

14、進(jìn)一步的，步驟2中，地形曲面方程通過(guò)如下公式進(jìn)行表示：

15、

16、其中，s(x,y)表示的是在位置(x,y)處的地表高度；是與曲面梯度大小相關(guān)的擴(kuò)散系數(shù)，各向異性擴(kuò)散允許在平坦區(qū)域進(jìn)行更強(qiáng)的平滑，而在邊緣或陡峭的區(qū)域則抑制平滑，從而保護(hù)地形的細(xì)節(jié)，隨著梯度大小的增大而減小，以減少在邊緣處的擴(kuò)散；為曲面散度，描述了曲面形狀的變化速率和方向；為曲面梯度，描述了曲面的傾斜方向和斜率大??；s0是根據(jù)三維點(diǎn)云圖生成的地形初始模型；λ是一個(gè)權(quán)重參數(shù)，控制著s(x,y)與s0之間的擬合程度，λ值越大，s(x,y)與s0越接近；μ為多波段激光器強(qiáng)度權(quán)重；ieff(λground,x,y,s)表示地面激光脈沖的有效反射強(qiáng)度，這是地表在波長(zhǎng)λground下的激光脈沖的有效反射強(qiáng)度。

17、進(jìn)一步的，步驟2中，葉面積密度由以下公式計(jì)算：

18、

19、其中，lad(z)表示高度z處的葉面積密度；λveg為光的平均波長(zhǎng)；g(θ)為葉片投影函數(shù)，公式如下：

20、

21、進(jìn)一步的，步驟2中，選定多個(gè)關(guān)鍵波長(zhǎng)，分別為λ1,λ2,…,λi,…,λn；λi為第i個(gè)關(guān)鍵波長(zhǎng)；n為關(guān)鍵波長(zhǎng)的數(shù)量；基于葉面積密度，通過(guò)如下公式，使用prosail反演模型計(jì)算目標(biāo)森林區(qū)域的植被的在高度為z處的葉綠素含量cab(z)：

22、

23、其中，為prosail模型的反演函數(shù)；ρsurface(λ1,λ2,…,λi,…,λn)表示波長(zhǎng)分別為λ1,λ2,…,λi,…,λn時(shí)對(duì)應(yīng)的校正后的地表反射率組成的向量；lai為葉面積指數(shù)，由lad(z)在z方向進(jìn)行積分得到；θv為觀測(cè)天頂角；φ為相對(duì)方位，表示高光譜相機(jī)的觀測(cè)方向在水平面上的投影相對(duì)于正北方向的角度；角β為預(yù)設(shè)的影響系數(shù)。

24、進(jìn)一步的，步驟3中，預(yù)設(shè)的生物量模型使用如下公式進(jìn)行表示：

25、

26、其中，z0為地表高度；zmax為樹(shù)冠最高處高度；a1,a2分別是與植物類型相關(guān)的葉綠素含量一階導(dǎo)數(shù)和二階導(dǎo)數(shù)的影響系數(shù)；bi為預(yù)設(shè)的第i個(gè)關(guān)鍵波長(zhǎng)的權(quán)重系數(shù)；ieff(λi,z)表示在波長(zhǎng)λi的激光脈沖在高度z處的有效反射強(qiáng)度；b為生物量。

27、進(jìn)一步的，設(shè)預(yù)設(shè)的碳轉(zhuǎn)換系數(shù)為ccoef，取值為0.45至0.5；使用如下公式，計(jì)算目標(biāo)森林區(qū)域的碳儲(chǔ)量c：

28、

29、其中，ρsoil(z)為高度z處的土壤反射率；σ(z)為高度z處的冠層后向散射截面；ieff(λ,z)為波長(zhǎng)λ處激光脈沖在高度z的有效反射強(qiáng)度；eabs(z)為高度z處的光吸收量，表示冠層吸收的太陽(yáng)輻射能量；eref(z)為高度z處的反射光能量，表示冠層反射回去的輻射能量；r(z)表示激光脈沖從發(fā)射器到達(dá)冠層再反射回接收器的傳播距離。

30、本發(fā)明的基于無(wú)人機(jī)的森林碳儲(chǔ)量監(jiān)測(cè)方法，具有以下有益效果：通過(guò)本發(fā)明，首次將多波段激光雷達(dá)與高光譜成像技術(shù)結(jié)合，能夠同時(shí)捕獲森林的幾何結(jié)構(gòu)和光學(xué)特性。這種數(shù)據(jù)融合方式提高了系統(tǒng)對(duì)森林不同層次、不同類型植被的敏感性，能夠更加準(zhǔn)確地反映葉綠素含量、葉面積指數(shù)(lai)以及植被健康狀況，從而實(shí)現(xiàn)更高精度的碳儲(chǔ)量估算。本發(fā)明通過(guò)高度方向上的分層監(jiān)測(cè)，能夠精確估算森林在不同高度層次上的碳儲(chǔ)量。森林植被的碳儲(chǔ)量分布往往具有高度異質(zhì)性，樹(shù)冠、樹(shù)干和地表植被在碳吸收與儲(chǔ)存中的貢獻(xiàn)各不相同。傳統(tǒng)的監(jiān)測(cè)方法難以有效區(qū)分這些層次，而本發(fā)明通過(guò)引入葉面積密度(lad)、葉綠素含量以及激光反射強(qiáng)度的分層積分，能夠捕捉森林內(nèi)部復(fù)雜的碳分布結(jié)構(gòu)。具體來(lái)說(shuō)，系統(tǒng)通過(guò)對(duì)不同高度層次的生物量和碳轉(zhuǎn)換系數(shù)進(jìn)行積分計(jì)算，確保了碳儲(chǔ)量估算的全面性和精細(xì)度。