基于仿真大光斑激光雷达和多层感知器的森林地上生物量估算模型构建

doi:10.13466/j.cnki.lyzygl.2021.01.008

林业资源管理 ›› 2021, Vol. 0 ›› Issue (1): 50-60.doi: 10.13466/j.cnki.lyzygl.2021.01.008

基于仿真大光斑激光雷达和多层感知器的森林地上生物量估算模型构建

许昌建¹^,²(), 刘迎春¹(), 左丽君³, 李建更², 张婷², 韩路萌², 方宇², 张尹², 王天²

1.国家林业和草原局调查规划设计院,北京 100714
2.北京工业大学信息学部,北京 100124
3.中国科学院空天信息研究院,北京 100094

收稿日期:2020-11-09 修回日期:2020-12-12 出版日期:2021-02-28 发布日期:2021-03-30
通讯作者: 刘迎春
作者简介:许昌建(1994-),男,江西吉安人,硕士,从事深度学习技术在林业领域应用的研究工作。Email:changjian.xu@qq.com
基金资助:
国家自然科学基金项目(31400426);国家水体污染控制与治理科技重大专项(2017ZX07101001)

Estimation on Forest Above-Ground Biomass Based on Simulated Large-Footprint LiDAR and Multi-Layer Perceptron

XV Changjian¹^,²(), LIU Yingchun¹(), ZUO Lijun³, LI Jiangeng², ZHANG Ting², HAN Lumeng², FANG Yu², ZHANG Yin², WANG Tian²

1. Academy of Inventory and Planning,National Forestry and Grassland Administration,Beijing 100714,China
2. Faculty of Information Technology,Beijing University of Technology,Beijing 100124,China
3. Aerospace Information Research Institute,Chinese Academy of Sciences,Beijing 100094,China

Received:2020-11-09 Revised:2020-12-12 Online:2021-02-28 Published:2021-03-30
Contact: LIU Yingchun

摘要/Abstract

摘要：

森林是全球重要的陆地生态系统,各国普遍采用地面样地调查的方法评估其资源量和生物量。随着激光雷达技术的发展,采用星载大光斑激光雷达估算大区域森林地上生物量将成为另一种选择。为探索利用大光斑激光雷达估算森林地上生物量的方法,提出了一种基于仿真大光斑激光雷达和多层感知器的森林地上生物量估算模型。比较仿真大光斑激光雷达波形参数13种组合拟合森林地上生物量的效果后,认为多层感知器的估测精度高于多元线性回归。与样地实测地上生物量相比,多元线性回归估测结果的偏差范围为-34.96~23.28t/hm²,多层感知器估测结果的偏差范围更小,为-19.09~20.19t/hm²。因此,多层感知器估测森林地上生物量的效果优于多元线性回归。

关键词: 地上生物量, 激光雷达, 仿真波形, 多层感知器

Abstract:

Forests are important global terrestrial ecosystems.Sample survey is a commonly used method by countries to assess their forest resources and biomass.With the development of LiDAR technology,spaceborne large-footprint ladar become an option to estimate forest above-ground biomass(AGB) in large areas.In order to develop the method to estimate forest AGB with large-footprint LiDAR,the study proposes an AGB estimation model based on simulated large-footprint LiDAR and multi-layer perceptron.Based on 13 groups of LiDAR waveform parameters,the multi-layer perceptron achieves higher accuracy than multiple linear regression to estimate AGB.Compared with the field measured AGB,the deviation range of the estimated AGB from the multiple linear regression is between -34.96 to 23.28 t/hm² and the estimated deviation of the multi-layer perceptron is between -19.09 to 20.19 t/hm².Therefore,multi-layer perceptron is better than multiple linear regression in estimating forest AGB.

Key words: above-ground biomass, LiDAR, simulated waveform, multi-layer perceptron

中图分类号:

S771.8

许昌建, 刘迎春, 左丽君, 李建更, 张婷, 韩路萌, 方宇, 张尹, 王天. 基于仿真大光斑激光雷达和多层感知器的森林地上生物量估算模型构建[J]. 林业资源管理, 2021, 0(1): 50-60.

XV Changjian, LIU Yingchun, ZUO Lijun, LI Jiangeng, ZHANG Ting, HAN Lumeng, FANG Yu, ZHANG Yin, WANG Tian. Estimation on Forest Above-Ground Biomass Based on Simulated Large-Footprint LiDAR and Multi-Layer Perceptron[J]. FOREST RESOURCES WANAGEMENT, 2021, 0(1): 50-60.

图/表 16

表1

图1

图2

表2

主要树种生物量异速生长方程

树种	异速生长方程	参考文献
落叶松(L.gmelinii)	$W = 0.271(D 2 H) 0.682$	[14]
油松(P.tabulaeformis)	$W = 0.160 D 2.100$	[15]
杨树(Populus L.)	$W = 0.078 D 2.558$	[16]
白桦(B.platyphylla Suk.)	$W = 0.164 D 2.400$	[17]
山杨(P.davidiana)	$W = 0.078 D 2.558$	[17]
蒙古栎(Q.mongolica)	$W = 0.131 D 2.437$	[17]
樟子松(P.sylvestnis var.)	$W = 0.153(D 2 H) 0.742$	[18]

表2

图3

表3

波形参数定义

参数	定义
$Q x$	由回波波形确定的第 $x$ 百分位数的高度( $x$ =10,20,25,30,40,50,60,70,75,80,90,95)
$Avg$	平均高,即波形起始位置到波形结束位置之间的高度加权均值
$Max$	最大高,即波形起始位置与波形结束位置之间的高度
$CV$	波形变异系数
$SD$	波形标准差

表3

图4

图5

图6

图7

图8

表4

单变量线性回归模型参数及拟合效果

输入变量	$β$	$ε$	R²	Adj.R²	MAE/(t/hm²)	RMSE/(t/hm²)	RMSEr/%
Q₁₀	[1.263]	45.067	0.01	0.01	26.79	38.99	15.27
Q₂₅	[2.297]	36.302	0.05	0.05	25.83	38.26	14.98
Q₅₀	[3.419]	23.167	0.14	0.14	23.31	36.40	14.25
Q₇₅	[4.601]	11.668	0.26	0.26	21.81	33.67	13.19
Q₉₅	[4.131]	3.678	0.40	0.40	20.29	27.88	10.92
Max	[3.735]	2.625	0.49	0.49	21.13	30.35	11.88
Avg	[2.057]	48.043	0.01	0.01	26.74	38.92	15.24
CV	[-9.357]	66.130	0.07	0.07	26.97	37.86	11.83
SD	[76.263]	34.017	0.01	0.01	27.15	38.96	15.26

表4

表5

13种波形参数组合得到的多元线性回归模型

编号	波形参数组合	$β$	$ε$
1	Avg,CV,SD	[0.423,-10.109,-35.482]	74.666
2	Q₂₅,Q₅₀,Q₇₅	[-3.503,-7.643,12.551]	14.323
3	Q₁₀,Q₅₀,Q₉₅	[-2.014,-4.683,7.631]	11.499
4	Q₁₀,Q₇₅,Q₉₅	[-2.336,-6.626,9.844]	11.534
5	Q₁₀,Q₅₀,Max	[-0.993,-1.858,4.682]	10.311
6	Q₁₀,Q₂₅,Q₅₀	[-2.534,-7.793,11.455]	31.133
7	Q₅₀,Q₇₅,Q₉₅	[-3.218,-5.908,10.787]	10.976
8	Q₅₀,Q₇₅,Max	[-4.641,2.380,4.316]	9.926
9	Q₇₅,Q₉₅,Max	[-7.749,7.178,2.679]	9.198
10	Q₁₀,Q₂₅,Q₅₀,Q₇₅,Q₉₅	[-1.897,-0.935,0.223,-7.099,10.619]	11.493
11	Q₁₀,Q₂₅,Q₅₀,Q₇₅,Q₉₅,Max	[-0.847,-1.295,-0.015,-5.287,6.608,2.218]	10.363
12	Q₁₀,Q₂₅,Q₅₀,Q₇₅,Q₉₅,Max,Avg,CV,SD	[-2.105,-2.792,-0.809,4.231,8.881,1.419,0.833,13.184,138.172]	-46.816
13	ALL^*	[-1.131,-4.441,1.826,-0.799,-0.863,1.066,-1.685,-2.498,4.522,-9.013,6.122,5.783,0.895,13.100,1.543,137.889]	-46.717

表5

表6

图9

图10

参考文献 24

[1]	Fang Jingyun, Yu Guirui, Liu Lingli, et al. Climate change,human impacts,and carbon sequestration in China[J]. Proceedings of the National Academy of Sciences, 2018,115(16):4015-4020.
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参数名称	参数数值
激光发射频率/(kHz)	400
飞行速度/(km/h)	20
平均绝对航高/m	1650
高程/m	1500
相对航高/m	150
航线间距/m	260
旁向重叠度/%	50

编号	参数组合	R² (MLR\|MLP)	Adj.R² (MLR\|MLP)	MAE(t/hm²) (MLR\|MLP)	RMSE(t/hm²) (MLR\|MLP)	RMSE_r/% (MLR\|MLP)
1	Avg,CV,SD	0.07\|0.23	0.07\|0.22	26.75\|23.39	37.81\|36.62	14.80\|14.34
2	Q₂₅,Q₅₀,Q₇₅	0.43\|0.44	0.43\|0.44	19.57\|16.58	29.60\|31.18	11.59\|12.18
3	Q₁₀,Q₅₀,Q₉₅	0.53\|0.66	0.53\|0.66	19.05\|13.44	26.75\|24.31	10.47\|9.52
4	Q₁₀,Q₇₅,Q₉₅	0.55\|0.71	0.54\|0.71	18.92\|12.73	26.43\|22.31	10.35\|8.74
5	Q₁₀,Q₅₀,Max	0.54\|0.77	0.54\|0.77	19.46\|11.12	26.70\|19.97	10.46\|7.81
6	Q₁₀,Q₂₅,Q₅₀	0.28\|0.42	0.28\|0.41	20.76\|17.83	33.33\|31.90	13.05\|12.49
7	Q₅₀,Q₇₅,Q₉₅	0.54\|0.69	0.53\|0.68	19.34\|12.24	26.73\|23.35	10.47\|9.14
8	Q₅₀,Q₇₅,Max	0.54\|0.78	0.54\|0.77	19.64\|11.04	26.66\|19.69	10.44\|7.71
9	Q₇₅,Q₉₅,Max	0.55\|0.76	0.55\|0.76	19.40\|11.79	26.27\|20.30	10.29\|7.95
10	Q₁₀,Q₂₅,Q₅₀,Q₇₅,Q₉₅	0.55\|0.75	0.54\|0.74	18.96\|11.97	26.42\|20.90	10.35\|8.18
11	Q₁₀,Q₂₅,Q₅₀,Q₇₅,Q₉₅,Max	0.56\|0.76	0.56\|0.75	19.12\|11.15	26.04\|20.62	10.20\|8.08
12	Q₁₀,Q₂₅,Q₅₀,Q₇₅,Q₉₅,Max,Avg,CV,SD	0.60\|0.77	0.60\|0.76	17.44\|10.81	24.74\|19.97	9.69\|7.82
13	ALL	0.60\|0.80	0.60\|0.79	17.45\|10.48	24.66\|18.52	9.65\|7.25

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