Ecodrone®一體式高光譜-激光雷達無人機遙感系統(tǒng)—林木監(jiān)測和樹種分類應(yīng)用

易科泰光譜成像與無人機遙感技術(shù)研究中心最新推出Ecodrone^®一體式高光譜-激光雷達無人機遙感系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括VNIR/NIR波段高光譜成像儀和激光雷達掃描儀，一次飛行可同時獲取目標(biāo)圖譜信息及三維點云數(shù)據(jù)，應(yīng)用于大范圍、多維度的森林遙感研究、林木表型分析、植被資源調(diào)查、生態(tài)環(huán)境研究、林業(yè)測繪等領(lǐng)域。

該系統(tǒng)基于高光譜成像及激光雷達傳感器，在獲取葉片或冠層尺度的高分辨率光譜反射數(shù)據(jù)的同時，還能夠直接獲取高精度的植被三維結(jié)構(gòu)信息和生境結(jié)構(gòu)信息，對森林冠層及結(jié)構(gòu)層面進行大范圍快速原位監(jiān)測、林木三維表型測量、森林物種多樣性研究、植被生物及非生物脅迫分析、環(huán)境及生態(tài)系統(tǒng)動態(tài)變化研究等具有重要意義。

案例一：森林的多樣性和結(jié)構(gòu)監(jiān)測

巴西和美國研究人員將無人機和激光雷達、高光譜成像相結(jié)合組成“UAV-LiDAR-HSI”系統(tǒng)，在森林恢復(fù)監(jiān)測中同時評估了兩者衍生變量的一致性和互補性、區(qū)分樹木豐富度以及預(yù)測地上生物量(AGB)的能力。

研究人員選取了由20、60或120種本地樹種構(gòu)成的12個已經(jīng)修復(fù)了13年的巴西大西洋熱帶森林。分析了來自激光雷達數(shù)據(jù)的冠層高度（CH）、葉面積指數(shù) (LAI) 和林下LAI的3個結(jié)構(gòu)屬性以及來自高光譜數(shù)據(jù)的18個變量，包括15個植被指數(shù)(VIs)、2個MNF分量(與光譜組成有關(guān))和光譜角。

 研究發(fā)現(xiàn)，對于低LAI值區(qū)域，VIs與 LAI呈正相關(guān)，但當(dāng) LAI 大于 2m²/m² 時趨于穩(wěn)定。LAI和結(jié)構(gòu)VIs隨著物種豐富度的增加而增大，光譜差異性與物種豐富度顯著相關(guān)。AGB與激光雷達數(shù)據(jù)衍生變量（CH）和三個HSI衍生的VIs（RVSI、EVI、CARI）顯著相關(guān)，但在消除異常值后，最佳AGB預(yù)測變量為CH（R²=0.82，RMSE=7.62）。

結(jié)果表明，基于高光譜和激光雷達技術(shù)的數(shù)據(jù)融合及信息互補手段，提高了評估物種生物多樣性、豐富度、結(jié)構(gòu)屬性等信息的能力，并能夠減少野外采樣工作，顯著提高監(jiān)測效率，在森林植被恢復(fù)監(jiān)測及評估方面具有良好的研究價值和應(yīng)用前景。

案例二：高度多樣化的樹種分類

無人機遙感技術(shù)是一種在清查森林資源和繪制樹種圖等應(yīng)用領(lǐng)域十分有效的方法，該方法建立的可靠的樹種測繪系統(tǒng)對資源管理、生物多樣性評估、生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能評估和生態(tài)保護具有重要意義。

巴西和意大利研究人員使用無人機遙感技術(shù)對位于巴西南部圣卡塔琳娜州庫里蒂巴諾斯市約25公頃林區(qū)內(nèi)的12種主要樹種進行分類識別，獲取了目標(biāo)的VNIR波段光譜數(shù)據(jù)、三維點云（PPC）、冠層高度模型（CHM）以及由高光譜數(shù)據(jù)提取的其它特征（植被指數(shù)VI、MNF等）信息，并用SVM進行分類。

結(jié)果顯示，單獨使用 VNIR 高光譜波段的總體準(zhǔn)確度(OA)達到了57%（Kappa系數(shù)為0.53）。PPC特征有助于區(qū)分某些特定的樹種類別，將PPC添加到VNIR高光譜波段后，OA 增加了11%。而結(jié)合了VNIR波段、PPC特征、CHM和 VI的數(shù)據(jù)集則獲得了好的結(jié)果，OA高達72.4%，Kappa系數(shù)為0.70。

另外，VNIR_CHM_PPC_VIs數(shù)據(jù)集的最終分類圖，也顯示出了該地區(qū)的演替階段梯度，例如，在西側(cè)，植被較低，由Mimosa scabrella等先鋒樹種組成。在東側(cè)，植被變得更高更密，由后期次生和受氣候影響的樹種組成，如Ocotea屬和Campomanesia xanthocarpa。而Araucaria angustifolia樹種在整個研究區(qū)普遍存在，因為它具有先鋒和晚期演替特征。

研究表明，基于VNIR波段高光譜數(shù)據(jù)和PPC特征建立的分析模型，在熱帶森林樹種分類中具有良好的應(yīng)用潛力。

易科泰生態(tài)技術(shù)公司致力于生態(tài)-農(nóng)業(yè)-健康研究發(fā)展與創(chuàng)新應(yīng)用，為森林遙感研究、林木表型分析、植被資源調(diào)查、生態(tài)環(huán)境研究、林業(yè)測繪等領(lǐng)域提供無人機及近地遙感全面技術(shù)方案。

參考文獻：

[1] Sothe C, Dalponte M, Almeida C M, et al. Tree species classification in a highly diverse subtropical forest integrating UAV-based photogrammetric point cloud and hyperspectral data[J]. Remote Sensing, 2019, 11(11): 1338.

[2] De Almeida D R A, Broadbent E N, Ferreira M P, et al. Monitoring restored tropical forest diversity and structure through UAV-borne hyperspectral and lidar fusion[J]. Remote Sensing of Environment, 2021, 264: 112582.