機(jī)載激光雷達(dá)技術(shù)在林業(yè)資源調(diào)查中的應(yīng)用

駱生亮

（山西亞太數(shù)字遙感新技術(shù)有限公司，山西 太原 030006）

0.引言

激光雷達(dá)（Light Detection And Ranging,LiDAR）是一項(xiàng)通過由傳感器所發(fā)出的激光來測定傳感器與目標(biāo)物之間距離的主動遙感技術(shù)。機(jī)載激光雷達(dá)具有高精度、高分辨率、高自動化、高效率的優(yōu)勢，已成為世界各國進(jìn)行大面積數(shù)字地表數(shù)據(jù)獲取的重要手段。目前機(jī)載激光雷達(dá)在土地利用、工程建設(shè)規(guī)劃、城市規(guī)劃管理、海洋測量、防災(zāi)、礦業(yè)、農(nóng)業(yè)等方面應(yīng)用廣泛。20 世紀(jì)80 年代中期激光雷達(dá)技術(shù)開始逐漸用于估測林業(yè)數(shù)據(jù)參數(shù)，主要通過識別三維坐標(biāo)信息來定量對林業(yè)數(shù)據(jù)參數(shù)進(jìn)行估測，特別是在估測林木空間結(jié)構(gòu)和估計林木高度這方面有其獨(dú)有的優(yōu)點(diǎn)。經(jīng)過幾十年的發(fā)展，激光雷達(dá)技術(shù)在林業(yè)研究方面的技術(shù)已逐漸趨于成熟，采用機(jī)載激光雷達(dá)數(shù)據(jù)可以獲取林區(qū)地理環(huán)境、估測平均樹高、郁閉度、林分密度、生物量和蓄積量等林業(yè)參數(shù)[1]。

1.機(jī)載激光雷達(dá)系統(tǒng)組成

機(jī)載激光雷達(dá)系統(tǒng)由空中測量平臺、數(shù)字化激光掃描儀、姿態(tài)測量和導(dǎo)航系統(tǒng)、數(shù)碼相機(jī)、數(shù)據(jù)處理軟件等組成。

1.1 空中測量平臺

空中測量平臺是航空激光掃描測量系統(tǒng)進(jìn)行作業(yè)的空間載體和操作平臺，主要為直升飛機(jī)或其他飛機(jī)，用來搭載航空激光掃描測量系統(tǒng)所需要的各種儀器儀表和操作人員。

1.2 數(shù)字化激光掃描儀

數(shù)字化激光掃描儀是本系統(tǒng)的核心部分，它主要用來測量地物地貌的三維空間坐標(biāo)信息。

1.3 姿態(tài)測量和導(dǎo)航系統(tǒng)

GPS 接收機(jī)、IMU 慣性制導(dǎo)儀、導(dǎo)航計算機(jī)構(gòu)成了姿態(tài)測量和導(dǎo)航系統(tǒng)。GPS 接收機(jī)采用差分定位技術(shù)確定平臺的坐標(biāo)。IMU 慣性制導(dǎo)儀測量航飛平臺的姿態(tài)，用于對發(fā)射激光束角度的校正以及地面圖像的糾正。

1.4 數(shù)碼相機(jī)

數(shù)碼相機(jī)拍攝的航片寬度應(yīng)該調(diào)節(jié)到與激光掃描寬度相匹配。航片經(jīng)過糾正、鑲嵌可形成數(shù)字正射影像。

1.5 數(shù)據(jù)處理軟件

激光掃描系統(tǒng)獲取的數(shù)據(jù)量龐大，由專業(yè)數(shù)據(jù)處理軟件處理。

2.機(jī)載激光雷達(dá)系統(tǒng)原理

機(jī)載激光雷達(dá)的工作方式和原理，即激光測距系統(tǒng)向探測目標(biāo)主動發(fā)射高頻率的激光脈沖，直接獲取地物表面的距離、坡度、粗糙度和反射率等信息，經(jīng)過處理生成高密度的三維空間坐標(biāo)，即點(diǎn)云（如圖1 所示）。激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)的每個點(diǎn)不僅具有x、y 平面坐標(biāo)信息，還具有高程信息，即z 值，同時還可從不同視角對這些點(diǎn)云進(jìn)行三維顯示、量測，計算點(diǎn)云所表達(dá)目標(biāo)的表面積、體積等[2]。

圖1 LIDAR 系統(tǒng)原理示意圖

3.機(jī)載激光雷達(dá)技術(shù)在林業(yè)中的應(yīng)用

目前遙感技術(shù)已大量用于林業(yè)資源的管理和普查、動態(tài)監(jiān)測與分析、災(zāi)害監(jiān)測與預(yù)報、災(zāi)情評估等。但絕大部分遙感傳感器只能提供水平分布信息，并不能獲得森林垂直結(jié)構(gòu)參數(shù)。除此之外，傳統(tǒng)遙感技術(shù)在森林地區(qū)作業(yè)時面臨著諸多困難：外業(yè)控制困難，加密選點(diǎn)困難，影像匹配困難，立體測圖困難。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。

3.1 單木分割

當(dāng)點(diǎn)云密度足以識別單木時，應(yīng)用不同的單木分割算法對森林回波點(diǎn)進(jìn)行分割，一旦準(zhǔn)確分割后，可以獲取樹高、樹冠尺寸、樹冠基部高、斷面積、胸徑、立木蓄積和生物量等[3]。大部分單木分割算法都是基于冠層高度模型（CHM）。冠層高度模型（CHM）使用分水嶺分割算法，自下而上查看，CHM 的高點(diǎn)處可以看成山峰，低點(diǎn)處可以看成山谷，如果用水填充，不同山谷的水將開始匯合，為了避免這種情況，在水匯合的地方建立屏障，這些屏障將決定分割的結(jié)果（如圖2 所示）。CHM是激光雷達(dá)數(shù)據(jù)在林業(yè)中應(yīng)用的一個重要模型，它是一個表達(dá)植被距離地面高度的表面模型，能夠提供冠層的水平和垂直分布情況。

圖2 CHM 分割示意圖

3.2 LiDAR 數(shù)據(jù)估測平均樹高

機(jī)載激光雷達(dá)估測樹高的基本原理是計算激光回波來自樹冠頂部和地面的距離差。樹高是反映材積和立地質(zhì)量的重要參數(shù)，因此，樹高信息的提取具有十分重要的意義[4]。機(jī)載激光雷達(dá)估測樹高分為樣地水平和單木水平。單木水平樹高估測首先進(jìn)行單木分割；樣地水平樹高估測分為直接提取和間接提取，直接提取是測量地面至樹頂?shù)母叨?，間接提取是通過建立冠層高度與機(jī)載激光雷達(dá)提取的預(yù)測變量之間的相關(guān)關(guān)系來間接估測冠層高度[5]。使用LiDAR360 激光數(shù)據(jù)處理軟件機(jī)載林業(yè)—高度變量工具，生成林區(qū)高度變量統(tǒng)計表（如圖3、圖4 所示）：

圖3 LiDAR360 高度變量計算示意圖

圖4 LiDAR360 高度變量統(tǒng)計示意圖

3.3 LiDAR 數(shù)據(jù)估測葉面積指數(shù)（LAI）

葉面積指數(shù)是表征植被冠層結(jié)構(gòu)最基本的參量之一，它的定義為單位地表面積上所有葉片表面積的一半。目前利用激光雷達(dá)數(shù)據(jù)進(jìn)行LAI 反演主要是利用提取的冠層物理參數(shù)與實(shí)測的LAI 數(shù)據(jù)構(gòu)建統(tǒng)計關(guān)系模型進(jìn)行估測。這些物理參數(shù)間接地反映了激光點(diǎn)云在冠層中的分布，而LAI 激光在冠層中的穿透和攔截有關(guān)。激光穿透指數(shù)（地面點(diǎn)數(shù)目與所有點(diǎn)數(shù)目的比值，LPI）與激光攔截指數(shù)（一般指樹冠層激光點(diǎn)數(shù)目與所有點(diǎn)數(shù)目的比值）較多地應(yīng)用在激光雷達(dá)數(shù)據(jù)反演森林LAI 中。使用LiDAR360 激光數(shù)據(jù)處理軟件機(jī)載林業(yè)—葉面積指數(shù)工具，計算林區(qū)葉面積指數(shù)（如圖5所示）：

圖5 LiDAR360 葉面積指數(shù)計算示意圖

3.4 LiDAR 數(shù)據(jù)估測郁閉度

郁閉度是林分冠層的垂直投影占林地面積的百分比，在森林經(jīng)營管理中，郁閉度是確定撫育采伐強(qiáng)度的重要指標(biāo)，也是進(jìn)行森林蓄積量估測不可或缺的因子。郁閉度的估測還可以直接計算林分內(nèi)植被回波數(shù)和地面回波數(shù)的百分比，100%則表示林分內(nèi)樹冠密集，沒有開闊空間，反之則表示完全是開闊地。理論上通過計算非地面點(diǎn)的回波即可得到一定林分內(nèi)的樹冠郁閉度，要得到地面回波需要進(jìn)行點(diǎn)密度分析。Dickie 用ARC／INFO 生成地面點(diǎn)／非地面點(diǎn)比值密度柵格圖像，通過點(diǎn)密度柵格單元建立地面點(diǎn)密度增加和樹冠郁閉度減小之間的聯(lián)系，從而獲取樹冠郁閉度信息。使用LiDAR360 激光數(shù)據(jù)處理軟件機(jī)載林業(yè)—郁閉度計算工具，計算林區(qū)郁閉度（如圖6 所示）：

圖6 LiDAR360 郁閉度計算示意圖

3.5 LiDAR 數(shù)據(jù)估測林分密度

經(jīng)過識別樹冠頂部來獲取單位面積內(nèi)的樹木棵數(shù)就是林分密度。所以，研究的重點(diǎn)就是樹冠的分割。首先要用機(jī)載激光雷達(dá)數(shù)據(jù)形成樹冠高模型，然后，選擇變化的窗口在局部進(jìn)行最大值的搜索，將高程值中最大的激光點(diǎn)作為樹冠頂部。圓形狀和矩形狀是搜索窗口的主要形狀，樹的高度影響著窗口大小，樹高增大冠幅就增大隨之搜索窗口就越大，利用變動的窗口來求局部最大值識別樹頂用來估計各樣板地的樹木株數(shù)，從而估測各樣板地林分密度。

4.LiDAR 數(shù)據(jù)在林業(yè)中應(yīng)用存在問題

4.1 測量精度不高

用激光雷達(dá)調(diào)查森林立木蓄積，有兩種方法，一種是單株樹法，這個方法好比X 光能把人的骨頭架子透視出來一樣，對主林層的樹木預(yù)測很精準(zhǔn)，但對受到遮蔽的下林層樹木，會存在漏測和誤測的問題；另一種方法是樣地法，這種方法效率高，缺點(diǎn)是對主林層立木蓄積的預(yù)測精度不如單株樹法。

4.2 布設(shè)樣地工作量大

為提高估測精度必須在飛行區(qū)內(nèi)設(shè)置一些樣地，進(jìn)行人工調(diào)查，再據(jù)此擬合統(tǒng)計預(yù)測模型并編寫運(yùn)算程序。因此，激光雷達(dá)調(diào)查的精確性，終歸還是取決于抽樣調(diào)查方案以及樣地實(shí)測。所以，樣地調(diào)查的質(zhì)量是關(guān)鍵。樣地調(diào)查工作量巨大。

4.3 成本高

機(jī)載激光雷達(dá)的調(diào)查成本高，如果是第一次并且小面積地使用激光雷達(dá)技術(shù)，成本比較昂貴。調(diào)查區(qū)的規(guī)模越大，單位面積的均攤成本越低。

5.結(jié)束語

隨著LiDAR 傳感器的不斷進(jìn)步，采集地表點(diǎn)密度的逐步提高，單束激光可接收回波數(shù)目的增多，LiDAR數(shù)據(jù)將提供更為豐富的地表和地物信息。就光斑大小和間隔而言，脈沖發(fā)射頻率和分辨率將會繼續(xù)提高，更加適應(yīng)不同類型的地形。利用LiDAR 數(shù)據(jù)構(gòu)建的三維虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)將具有更為理想的現(xiàn)實(shí)模擬表達(dá)能力，其可靠程度也進(jìn)一步提高。在此基礎(chǔ)之上進(jìn)行更為精細(xì)的林地參數(shù)分析，如樹高、郁閉度、林分密度、生物量和蓄積量等，并對其做進(jìn)一步地研究和應(yīng)用將可獲得更為理想的結(jié)果[6]。