應(yīng)用背景

　　森林資源調(diào)查作為掌握森林資源現(xiàn)狀和發(fā)展變化的主要手段，對(duì)可持續(xù)森林資源的經(jīng)營(yíng)管理與保護(hù)具有重要意義。

　　傳統(tǒng)的森林調(diào)查技術(shù)較為落后和粗放，調(diào)查人員需要深入森林腹地，勞動(dòng)強(qiáng)度高并伴隨著不可預(yù)見的危險(xiǎn)性。森林參數(shù)獲取依賴外業(yè)人員野外抽樣實(shí)地測(cè)量，所用手段僅限于手持式測(cè)高儀、胸徑尺、卷尺等較為原始的測(cè)量?jī)x器，不僅費(fèi)時(shí)費(fèi)力而且只能獲取到小范圍林區(qū)信息，調(diào)查范圍不全面。

　　遙感技術(shù)的飛速發(fā)展為實(shí)現(xiàn)高效和大面積森林資源調(diào)查帶來希望，但受制于光學(xué)遙感影像無法“穿透”林冠而獲取森林垂直結(jié)構(gòu)信息的現(xiàn)實(shí)，能夠得到的有效林分參數(shù)有限。

應(yīng)用方向

　　激光雷達(dá)技術(shù)有著區(qū)別于傳統(tǒng)光學(xué)遙感嚴(yán)重依賴太陽等外部光源的特點(diǎn)，它通過自身主動(dòng)發(fā)射激光束探測(cè)目標(biāo)而擁有全天候作業(yè)的能力。有了多回波技術(shù)的加持，激光雷達(dá)發(fā)射的脈沖激光束可透過林間隙抵達(dá)林木樹干甚至于地面，獲取其三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)，從而完整地得到森林垂直結(jié)構(gòu)信息，最終實(shí)現(xiàn)樹高、胸徑、蓄積量等林木參數(shù)信息的提取。

　　目前，對(duì)于大面積森林資源調(diào)查監(jiān)測(cè)，主要以機(jī)載激光雷達(dá)形式為主，輔以地面和SLAM型三維激光掃描儀。激光雷達(dá)技術(shù)主要應(yīng)用于株數(shù)、樹高、胸徑、郁閉度等基礎(chǔ)林分參數(shù)的提取以及林分蓄積量的估算。

　　01、林分株數(shù)

　　株數(shù)即給定區(qū)域內(nèi)林木的數(shù)量信息，是描述林分密度的重要指標(biāo)。株數(shù)提取算法為基于點(diǎn)云數(shù)據(jù)生產(chǎn)的冠層高度模型（CHM）進(jìn)行局域極大值探測(cè)。經(jīng)過對(duì)CHM進(jìn)行遍歷得到窗口內(nèi)的最大值，就可得到樹冠頂點(diǎn)，從而得到株數(shù)信息。

　　CHM立體示意圖

基于CHM提取林木株數(shù)示意圖

　　02、林分樹高

　　林分樹高在反映樹木生長(zhǎng)狀態(tài)的同時(shí)，也是估算森林蓄積量的一個(gè)重要參數(shù)。激光雷達(dá)技術(shù)不僅能夠獲取林區(qū)冠層點(diǎn)云，也可以獲得林冠下的地形點(diǎn)云。基于二者處理得到的CHM，利用樹冠頂點(diǎn)即可提取得到單木樹高參數(shù)。

　　基于CHM提取林分樹高示意圖

　　03、林木胸徑

　　林木胸徑是評(píng)價(jià)林木生長(zhǎng)狀況的重要參數(shù)之一。

　　人工測(cè)量方法為使用胸徑尺量取距離樹木根部1.3m處的樹木直徑作為胸徑參數(shù)。基于地面或SLAM型激光雷達(dá)點(diǎn)云數(shù)據(jù)提取樹木胸徑信息的方法為Hough擬合圓法，該法具體操作為對(duì)樹木進(jìn)行單木點(diǎn)云分割，在此基礎(chǔ)上截取1.3m胸徑高處的點(diǎn)云數(shù)據(jù)生成對(duì)應(yīng)的二維柵格圖像，隨后以Hough變換擬合圓算法進(jìn)行圓形擬合，得到的圓形直徑可視為樹木胸徑。

　　截取1.3m處胸徑高處點(diǎn)云數(shù)據(jù)示意圖

　　基于圓形擬合獲得胸徑參數(shù)原理示意圖

　　04、林分郁閉度

　　郁閉度是林木生長(zhǎng)狀況的宏觀反映，是決定采伐強(qiáng)度的關(guān)鍵性因素。郁閉度是林木冠幅投影與林地面積的百分比。

　　傳統(tǒng)遙感手段需采用復(fù)雜的圖像處理算法對(duì)正射影像（DOM）進(jìn)行林木冠幅分割，之后統(tǒng)計(jì)冠幅與林地面積的比值計(jì)算郁閉度。基于多回波技術(shù)的激光雷達(dá)則通過直接統(tǒng)計(jì)首次回波的植被點(diǎn)數(shù)與首次回波總點(diǎn)數(shù)的比值得到郁閉度，簡(jiǎn)單且高效。

　　基于多回波技術(shù)提取林分郁閉度示意圖

激光雷達(dá)優(yōu)勢(shì)

　　激光雷達(dá)在森林資源調(diào)查與監(jiān)測(cè)中優(yōu)勢(shì)明顯：

　　01、作業(yè)效率高，滿足大面積森林資源調(diào)查之需求

　　以海達(dá)數(shù)云機(jī)載激光雷達(dá)智喙PM-1500為例，其擁有四次回波，高達(dá)200萬點(diǎn)/秒的掃描速度，可有效獲取樹枝、樹干、地表等全面的三維信息，以便于精確地提取林分參數(shù)。此外，得益于1500米長(zhǎng)測(cè)距，不僅無懼高落差的山地地形，單次作業(yè)覆蓋面積大，調(diào)查作業(yè)效率也得到極大的提高。

　　02、人工干預(yù)少，人員安全

　　智喙PM-1500機(jī)載激光雷達(dá)作業(yè)半徑可達(dá)30km，在航線規(guī)劃完畢后無需人工干預(yù)即可自動(dòng)執(zhí)行任務(wù)。作業(yè)人員無須深入林區(qū)，從而確保人員調(diào)查安全，避免意外情況發(fā)生。

　　03、森林資源調(diào)查的成果種類豐富

　　除了常規(guī)遙感手段能夠獲取的林分?jǐn)?shù)量、冠幅、郁閉度等常規(guī)參數(shù)外，激光雷達(dá)技術(shù)還可進(jìn)行樹高、胸徑參數(shù)的直接獲取以及林分蓄積量等的精準(zhǔn)估算，為森林資源調(diào)查提供更加準(zhǔn)確而全面的參數(shù)信息。

　　04、數(shù)據(jù)客觀準(zhǔn)確，具有可回溯性

　　人工依賴現(xiàn)場(chǎng)抽樣調(diào)查，調(diào)查范圍、對(duì)象的選取往往具有隨機(jī)性和主觀性且調(diào)查活動(dòng)只能進(jìn)行一次，不具備可回溯性，這就可能導(dǎo)致調(diào)查結(jié)果的客觀性和準(zhǔn)確性難以得到保障。

　　基于激光雷達(dá)技術(shù)，一方面可得到覆蓋整個(gè)范圍的林木點(diǎn)云數(shù)據(jù)，另一方面可基于點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理算法實(shí)現(xiàn)范圍內(nèi)整體林分參數(shù)的自動(dòng)化提取。

　　此外，通過機(jī)載、地面、SLAM等多源激光雷達(dá)數(shù)據(jù)的融合處理甚至能夠滿足要求更加詳細(xì)的單木級(jí)林分參數(shù)提取。激光雷達(dá)技術(shù)提取林分參數(shù)具有無可比擬的客觀性和有效性。