無(wú)人機(jī)載激光雷達(dá)在林業(yè)資源調(diào)查的應(yīng)用

吳擢城

摘 要：基于無(wú)人機(jī)載平臺(tái)的激光雷達(dá)測(cè)距技術(shù)近年來(lái)發(fā)展十分迅速，對(duì)于山區(qū)等復(fù)雜地形情況下方便攜帶和靈活性較強(qiáng)的輕小型LiDAR的一直是研究熱點(diǎn)。本文采用中科院光電研究院研制的輕小型無(wú)人機(jī)載激光雷達(dá)系統(tǒng)，并搭載于多旋翼無(wú)人機(jī)開(kāi)展的林業(yè)資源應(yīng)用試驗(yàn)，提出了一種適用于復(fù)雜地形的林業(yè)資源調(diào)查解決方案，并進(jìn)行了單木數(shù)據(jù)分割、樹(shù)干株樹(shù)、樹(shù)干胸徑、樹(shù)木冠幅重要林業(yè)參數(shù)的提取，試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析結(jié)果充分展示了無(wú)人機(jī)載激光雷達(dá)系統(tǒng)在林業(yè)資源調(diào)查上的優(yōu)勢(shì)，驗(yàn)證了其可靠性。

關(guān)鍵詞：林業(yè)調(diào)查;激光雷達(dá);無(wú)人機(jī)

長(zhǎng)期以來(lái)，森林資源小面積精準(zhǔn)監(jiān)測(cè)主要是利用圍徑尺、測(cè)高器、皮尺等工具測(cè)量樹(shù)高、胸徑、樹(shù)冠面積等。但是利用傳統(tǒng)方法進(jìn)行森林資源管理和普查費(fèi)力、費(fèi)時(shí)，而且勞動(dòng)強(qiáng)度大，由于受各種條件的限制，有時(shí)候甚至不能進(jìn)行。因此，外業(yè)調(diào)查費(fèi)時(shí)費(fèi)工。目前遙感技術(shù)已大量用于林業(yè)資源的管理和普查、動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)與分析、災(zāi)害監(jiān)測(cè)與預(yù)報(bào)、災(zāi)情評(píng)估等。但絕大部分遙感傳感器只能提供水平分布的詳細(xì)信息，并不能獲得森林垂直結(jié)構(gòu)參數(shù)。除此之外，攝影測(cè)量在森林地區(qū)作業(yè)時(shí)面臨著諸多困難：外業(yè)控制困難，加密選點(diǎn)困難，影響匹配困難，立體測(cè)圖困難。而機(jī)載激光雷達(dá)技術(shù)的出現(xiàn)，正好彌補(bǔ)了上述技術(shù)領(lǐng)域和區(qū)域的缺陷和不足。

本文采用中國(guó)科學(xué)院光電研究院研制的輕小型激光雷達(dá)系統(tǒng)并基于實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，進(jìn)行了森林激光點(diǎn)云提取、單木數(shù)據(jù)分割、樹(shù)木胸徑計(jì)算、樹(shù)木冠幅計(jì)算方面的應(yīng)用，證實(shí)了其在林業(yè)資源調(diào)查上的可靠性和優(yōu)勢(shì)，為林業(yè)資源調(diào)查提出了新的思路與方法。

一、設(shè)備介紹

在輕小型無(wú)人機(jī)載激光雷達(dá)硬件結(jié)構(gòu)配置上，整體的設(shè)備安裝到一個(gè)無(wú)線(xiàn)電遙控的六旋翼無(wú)人機(jī)上 。無(wú)人機(jī)全系統(tǒng)重9kg（無(wú)人機(jī)和激光雷達(dá)），最大飛行時(shí)間40分鐘，折疊后飛機(jī)大?。?43mm*460mm*558mm。載荷相對(duì)于飛行平臺(tái)是通過(guò)結(jié)構(gòu)件鏈接并通過(guò)減震部件獨(dú)立開(kāi)的，以此為了消除飛行時(shí)產(chǎn)生的高頻振動(dòng)。激光雷達(dá)系統(tǒng)由一個(gè)激光掃描頭和組合導(dǎo)航單元組成。

二、試驗(yàn)介紹

試驗(yàn)地點(diǎn)在中國(guó)福建省三明市尤溪縣，時(shí)間是2017年11月21日-11月28日，無(wú)人機(jī)及實(shí)地采集的激光雷達(dá)點(diǎn)經(jīng)過(guò)匹配處理，生成笛卡爾坐標(biāo)系下的點(diǎn)云，飛行由人工和自主飛行組成，具體作業(yè)流程如下：在進(jìn)入林業(yè)樣地掃描飛行之前先進(jìn)行快速直線(xiàn)和“8”字繞行來(lái)進(jìn)行組合導(dǎo)航的校準(zhǔn)精度的提高;安裝到舵機(jī)上的攝像頭通過(guò)LightBridge2將圖像傳遞給飛手，飛手做完快速直線(xiàn)和“8”字后升高到預(yù)定高度，沿航線(xiàn)進(jìn)行飛行。航線(xiàn)結(jié)束后飛出樣地做完“8”字繞行和快速直線(xiàn)后返回并降落。

無(wú)人機(jī)載激光雷達(dá)系統(tǒng)可根據(jù)不同需求分別進(jìn)行事后差分和精密單點(diǎn)后處理，此次試驗(yàn)的飛行絕對(duì)高度在150-500m（距地面相對(duì)高度在50-100m之間），根據(jù)林地情況每平方米點(diǎn)密度從70到150不等。為了驗(yàn)證飛行數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，考慮到在多樹(shù)木地區(qū)樣地范圍不好確定的問(wèn)題，對(duì)研究區(qū)進(jìn)行了相應(yīng)的地面調(diào)查，主要方法是：

1.增加地面控制點(diǎn)，在離樣地不遠(yuǎn)的空曠處擺設(shè)明顯地物。

2.架設(shè)全站儀，精確測(cè)量控制點(diǎn)到試驗(yàn)樣地四角點(diǎn)的精確關(guān)系，方便在后續(xù)的點(diǎn)云數(shù)據(jù)中精確圈出樣地范圍。

三、方法

本結(jié)將基于無(wú)人機(jī)載激光雷達(dá)系統(tǒng)獲取的激光雷達(dá)點(diǎn)云數(shù)據(jù)，并根據(jù)林業(yè)資源普查經(jīng)驗(yàn)，對(duì)激光雷達(dá)點(diǎn)進(jìn)行了：樣地樹(shù)木株數(shù)、樹(shù)木高度、樹(shù)木冠幅、樹(shù)木胸徑及蓄積量的計(jì)算，討論以便證明無(wú)人機(jī)載激光雷達(dá)系統(tǒng)對(duì)于復(fù)雜山地情況下的靈活性和高精度性。本次試驗(yàn)采用Inertial Explorer8.60進(jìn)行組合導(dǎo)航后處理，并采用Liforest軟件和自研軟件進(jìn)行點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理。

四、林業(yè)資源應(yīng)用

在實(shí)驗(yàn)區(qū)的選取上，本文有針對(duì)性的選取了3塊試驗(yàn)樣地?；贚iForest和自研軟件進(jìn)行信息提取，在去除噪聲點(diǎn)和無(wú)效點(diǎn)后，進(jìn)行株數(shù)、樹(shù)木胸徑和冠幅的統(tǒng)計(jì)，其中，樹(shù)木的頂點(diǎn)代表樣地樹(shù)木高度、傘柄粗細(xì)代表樹(shù)木胸徑、開(kāi)傘的大小代表樹(shù)冠的直徑。最終數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，如表1所示。

五、結(jié)語(yǔ)

在對(duì)樣地?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)比對(duì)的時(shí)候我們可以看出：

1.三塊樣地在株樹(shù)的統(tǒng)計(jì)上都有較準(zhǔn)確的結(jié)果，不論是對(duì)于樹(shù)葉較稀疏的1號(hào)林地還是對(duì)于樹(shù)木較密集的2號(hào)人工林地和3號(hào)混交林地。

2.在對(duì)三塊樣地進(jìn)行樹(shù)高統(tǒng)計(jì)的時(shí)候，反演值和實(shí)地量測(cè)值有1-2m的差值，一方面可能是由于人工量測(cè)的時(shí)候只是采用簡(jiǎn)單的三角測(cè)量方法，另一方面可能是由于地面落葉較厚，無(wú)法量測(cè)從地表到樹(shù)頂?shù)拇_切高度，實(shí)地量測(cè)值的精度也有待考察。

3.在進(jìn)行冠幅統(tǒng)計(jì)的時(shí)候，激光雷達(dá)點(diǎn)云的統(tǒng)計(jì)出來(lái)的冠幅都要較實(shí)地量測(cè)值較小，這是由于樹(shù)木冠幅之間較多重疊導(dǎo)致

4.由于樹(shù)木胸徑上的激光雷達(dá)點(diǎn)較少（由于樹(shù)冠較多遮擋引起），所以本實(shí)驗(yàn)采用已有數(shù)據(jù)的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，即通過(guò)樹(shù)高和冠幅的值來(lái)確定胸徑，因此，在胸徑測(cè)量上有較多誤差，后續(xù)可以通過(guò)取多組樣本進(jìn)行訓(xùn)練提高精度。

基于以上林業(yè)資源的應(yīng)用試驗(yàn)，對(duì)于多山地的林業(yè)資源調(diào)查，微小型激光雷達(dá)的性能已經(jīng)得到了很好的驗(yàn)證，中科院光電研究院研制的輕小型激光雷達(dá)不僅具有造價(jià)便宜、靈活多變等優(yōu)點(diǎn)，其高精度的地面分辨率和作業(yè)效率也驗(yàn)證了輕小型激光雷達(dá)在林業(yè)資源應(yīng)用方面的廣泛應(yīng)用前景。

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