基于背包式激光雷達的林木胸徑和樹高提取

趙 琦，李 震，陳麗華，劉志斌，湯雷吼，楊洪武，楊桂賢，羅天嘯，譚 俊，劉中襲

(1. 廣西壯族自治區(qū)森林資源與生態(tài)環(huán)境監(jiān)測中心，廣西 南寧 530000； 2. 廣西壯族自治區(qū)國有派陽山林場，廣西 崇左 532500)

森林生態(tài)系統(tǒng)是重要的生態(tài)系統(tǒng)，物質(zhì)資源豐富，在涵養(yǎng)水源、保持水土、維持生態(tài)平衡方面具有重要的作用[1]。激光雷達通過傳感器發(fā)出的激光來測量傳感器與目標物之間的距離，探測目標的位置、特性等。隨著激光雷達技術(shù)的發(fā)展，其在林業(yè)調(diào)查中發(fā)揮了越來越重要的作用[1-6]。根據(jù)遙感平臺不同，激光雷達可劃分為星載、機載、車載、地基、背包式[7]。背包式激光雷達新型、便攜，具有易操作、查看簡單方便、效率高等優(yōu)點。

目前對背包式雷達的研究較少。本文通過利用其提取廣西派陽山林場7個樣地林木的胸徑、樹高，與實測值進行對比研究，以豐富其在林業(yè)調(diào)查中的應(yīng)用實踐。

1 研究地區(qū)概況和數(shù)據(jù)獲取

1.1 研究區(qū)概況

派陽山林場位于廣西壯族自治區(qū)西南部寧明縣境內(nèi)，地處東經(jīng)106°30′～107°34′，北緯21°46′～22°3′之間。林場以低山為主，有部分丘陵和中山。屬北熱帶季風氣候區(qū)，日照充足，熱量充沛，夏長冬短，干濕季節(jié)明顯。場內(nèi)土壤有赤紅壤、黃紅壤、紫色土共3個土類。區(qū)域內(nèi)地帶性植被為季節(jié)性雨林。經(jīng)近60年森林采伐——人工造林，場內(nèi)現(xiàn)有森林植被中，人工林占77%，天然林只占23%。由于人為活動干擾極大，少見原生性植被遺存，絕大部分已為次生性植被代替。人工植被以馬尾松林、桉樹林和八角林為主，有少量的杉木林、濕地松林、荷木林、火力楠林、肉桂林、米老排林、紅錐林等。

1.2 數(shù)據(jù)獲取

本次實驗在派陽山林場設(shè)置7個樣地，對樣地內(nèi)的林木進行編號并進行每木檢尺，分別測量樣木胸徑、樹高及樣地坡度。單木的起測胸徑為5 cm；對胸徑采用胸徑尺進行測量，樹高用激光測高器測量，坡度用坡度計進行測量。以具有標志的樣木為起點，記錄各樣地樣木的相對位置。樣地基本情況見表1。

表1 樣地基本情況

數(shù)據(jù)采集使用的設(shè)備為北京數(shù)據(jù)綠土有限公司研發(fā)的LiBackpack 50背包式激光雷達。本次數(shù)據(jù)采集時間為2020年9月4日，共利用激光雷達掃描7個樣地。樣地1、2、3樹木比較稀疏，采用圖1所示的掃描路徑；樣地4、5、6、7樹木比較密集，采用圖2所示的掃描路徑。

圖1 樣地掃描路線1示意

圖2 樣地掃描路線2示意

2 數(shù)據(jù)處理

2.1 數(shù)據(jù)預(yù)處理

采用的數(shù)據(jù)處理軟件為LiDAR 360。在掃描獲得的點云數(shù)據(jù)中，行走路線軌跡清晰可見。掃描時，方形樣地的4個角點分別站立4個人，可在點云數(shù)據(jù)中看到人形。根據(jù)行走軌跡和4個人形對點云數(shù)據(jù)進行裁剪，裁剪完成后進行去噪、地面點濾波、地面點歸一化，根據(jù)樣木的相對位置與點云數(shù)據(jù)進行比對匹配。

2.2 胸徑樹高提取

進行TLS種子點編輯，批量提取胸徑。批量提取后的胸徑并不精準。進行單木篩選、繪制剖面區(qū)域。對胸徑擬合結(jié)果進行編輯與檢查。進行單木分割，提取樹高。分割完成后再次對種子點進行檢查和編輯。

2.3 精度評價

1)決定系數(shù)(R2)

R2越大，則因變量與自變量之間的相關(guān)性越強，這是對回歸直線擬合優(yōu)度的檢驗。計算公式為：

(1)

2)實測值和提取值之間的均方根差(RMSE)

RMSE越小，表明預(yù)測值的效果越好。計算公式為：

(2)

式中：RMSE為均方根誤差；wi為提取單木對應(yīng)的實測單木胸徑、樹高；Wi為提取胸徑；n為提取的樣木數(shù)。

3 結(jié)果與分析

3.1 單木識別結(jié)果

7個樣地的實測株數(shù)、背包式激光雷達識別到的株數(shù)，過檢、漏檢株數(shù)及檢測率見表2所示。

從表2中可見，因1、2、3、5號樣地雜灌少，通視條件較好，檢測率較高， 4、6、7號樣地林下灌木雜草較多，通視條件較差。林下通視條件差造成一些林木無法識別，檢測率較低。

表2 各樣地單木識別結(jié)果

3.2 胸徑提取結(jié)果

采用背包式激光雷達提取的樣木胸徑與實測胸徑的回歸關(guān)系如圖3所示。樣地相關(guān)性大小排序為1號>3號>2號>5號>6號>4號>7號。1號樣地為針闊混交林，密度較小，雜灌較少，坡度較小，通視條件好，因此激光雷達胸徑提取值和實測值相關(guān)性最高。2號、3號、5號為桉樹過熟林經(jīng)過人工撫育，雜灌少，通視條件好，提取胸徑和實測胸徑相關(guān)性較高，R2=0.966。4號、6號、7號樣地坡度大，密度較大，樹枝樹干之間存在遮擋，林下通視條件較差，雜灌多，胸徑提取值和實測值相關(guān)性較低。

圖3 樣木胸徑提取值與實測值回歸分析

3.3 樹高提取結(jié)果

分析結(jié)果表明，樹高提取值和實測值相關(guān)性為1號>2號>3號>5號>6號>4號>7號。1號樣地干形規(guī)則，密度較小，樹冠之間遮擋角小，因此相關(guān)性較高。2號、3號樣地為桉樹過熟林、5號樣地為桉樹近熟林，干性都較為規(guī)則，且經(jīng)過撫育，雜灌較少，通視條件好，樹高提取和實測值相關(guān)性較高。4號、6號、7號樣地密度較大、通視條件較差，樹冠與樹冠之間存在遮擋，樹高提取值和實測值相關(guān)性較低(圖4)。

圖4 樣木樹高提取值與實測值回歸分析

3.4 實測蓄積和提取蓄積對比

經(jīng)分析，各樣地樣木蓄積激光雷達提取值與實測值對比如表3所示。

從表3可以看出，樣地1號、2號、3號、5號因雜灌少、通視條件較好，樣地提取的樣木總蓄積和實測總蓄積較為接近；4號、6號、7號樣地因雜灌較多，通視條件較差，樣地提取的樣木總蓄積和實測總蓄積相對差異較大。

表3 實測蓄積與提取蓄積對比

4 結(jié)果與討論

1)在干形規(guī)則、雜灌較少、通視條件好的樣地，單木識別精度較高；幼樹較多，密度較大，林下通視條件差時識別精度較低。

2)經(jīng)過撫育，雜灌少、通視條件好的樣地，胸徑提取值與實測值的相關(guān)性較高。密度大、樹冠之間、冠葉之間相互遮擋的樣地提取樹高和實測樹高的相關(guān)性相對較低。

3)樹冠之間、冠葉之間相互遮擋，影響掃描，各個樣地提取的單木樹高總體上小于實測樹高，樹高提取值和實測值的相關(guān)性相對低于胸徑提取值和實測值的相關(guān)性。

4)背包式激光雷達提取的總蓄積和實測總蓄積之間的差值小于10%，說明采用激光雷達有助于對森林蓄積量的調(diào)查。