协同 GEDI 产品与 Sentinel-2 数据的
MS-CBAM-CNN 森林树高反演方法

张艾婷、邢艳秋、王德军、唐杰、李苑鑫、侯逸飞 地球信息科学学报 · 2026 · 28(6): 1748-1765 GEDI · Sentinel-2 · 深度学习

森林树高是表征森林三维结构、估算森林生物量和碳储量的重要参数。针对 GEDI 星载激光雷达足迹精度高但空间不连续、Sentinel-2 多光谱影像连续覆盖但垂直结构表达不足的问题,本文提出协同 GEDI 产品与 Sentinel-2 数据的 MS-CBAM-CNN 算法,通过多尺度卷积特征融合和 CBAM 注意力机制,增强模型对局部细节、空间上下文和关键光谱特征的提取能力,实现区域森林树高连续反演制图。

GEDI Sentinel-2 森林树高 MS-CBAM-CNN 多尺度卷积 注意力机制
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01 · 研究背景与问题

从离散激光足迹到连续森林结构制图

GEDI 能直接获取森林垂直结构信息,是区域树高反演的重要真值来源;但 GEDI 观测为空间离散足迹,无法直接形成连续图谱。Sentinel-2 可提供连续多光谱覆盖,二者协同是区域树高制图的有效路径。

GEDI 优势

垂直结构信息精度高

星载 LiDAR 能提供森林冠层高度等三维结构参数,是反演树高和生物量的重要观测基础。

空间短板

足迹式采样不连续

GEDI 观测沿轨道分布,空间覆盖呈离散点状,难以直接满足区域连续森林资源制图需求。

模型挑战

光谱—结构关系复杂

森林树高受树种、龄组、冠层结构、地形和光谱饱和影响,传统机器学习难以充分挖掘空间上下文和非线性关系。


02 · 核心方法

多尺度卷积与 CBAM 注意力机制融合

MS-CBAM-CNN 的关键思想是:利用多尺度卷积同时捕捉局部纹理与较大范围空间上下文,再通过通道注意力和空间注意力筛选对树高反演最有贡献的特征。

M1
GEDI 树高样本与 Sentinel-2 特征匹配

以 GEDI 产品提供的森林高度信息作为训练标签,与 Sentinel-2 多光谱波段、植被指数及空间邻域特征进行配准,构建样本数据集。

GEDI FootprintSentinel-2Feature Matching
M2
多尺度卷积特征提取

通过不同尺度卷积核提取森林冠层纹理、斑块结构和空间上下文信息,解决单一卷积尺度难以兼顾局部细节与区域结构的问题。

Multi-scaleCNNSpatial Context
M3
CBAM 注意力增强与连续制图

引入 CBAM 模块,从通道维和空间维自动强调关键光谱特征与重要空间位置,提升模型对复杂森林结构的表达能力,并输出区域连续树高图。

CBAMChannel AttentionSpatial AttentionMapping

模型流程概括

GEDI Height Labels
+ Sentinel-2 Spectral Features
→ Multi-scale CNN
→ CBAM Attention
→ Forest Height Regression
→ Continuous Height Map

流程把 GEDI 的垂直结构标签和 Sentinel-2 的空间连续优势结合起来,服务区域树高制图。

CBAM 的作用

Channel Attention:
identify important bands/features
Spatial Attention:
locate informative canopy patterns
Combined:
improve height-sensitive representation

注意力机制提升了模型对关键光谱—空间特征的选择能力,避免无关或冗余特征干扰。


03 · 技术优势与生态价值

为森林碳汇评估提供连续三维结构参数

森林树高是生物量估算和碳储量评估的重要输入。MS-CBAM-CNN 通过深度特征学习增强树高反演精度,有助于将离散 GEDI 观测扩展为连续区域产品。

GEDI
高度标签
提供垂直结构真值
S2
连续覆盖
提供多光谱影像基础
MS
多尺度特征
兼顾局部与上下文
CBAM
注意力增强
突出关键特征
相对传统机器学习的改进
  • CNN 能自动学习光谱—空间联合特征,而非仅依赖人工构造变量。
  • 多尺度结构有助于刻画不同冠层尺度和森林斑块形态。
  • CBAM 注意力机制增强模型对树高敏感特征的聚焦能力。
相对单源遥感树高反演的改进
  • 利用 GEDI 高精度高度信息弥补光学影像垂直结构不足。
  • 利用 Sentinel-2 连续覆盖弥补 GEDI 空间离散问题。
  • 实现从离散样本点到区域连续森林树高图的转换。

04 · 结论与启示

LiDAR—光学协同是区域森林结构制图的重要方向

本文表明,GEDI 与 Sentinel-2 的协同融合,结合多尺度卷积和注意力机制,可有效提升区域森林树高反演能力,为森林资源调查、生态系统结构监测和碳收支评估提供数据支撑。

结构信息互补

GEDI 提供高精度垂直结构标签,Sentinel-2 提供连续空间覆盖,二者协同弥补单源数据不足。

模型表达增强

MS-CBAM-CNN 能更好捕捉多尺度空间纹理和关键光谱特征,提高复杂森林场景下的反演能力。

服务碳汇监测

连续树高产品可用于森林生物量估算、碳储量评价、森林经营和生态保护成效监测。