基于無人機激光雷達(dá)三維綠量快速測量研究及應(yīng)用

李明勝

LI Mingsheng

（上海長興島開發(fā)建設(shè)有限公司，上海 201903）

( Shanghai Changxing Island Development and Construction Co., Ltd, Shanghai, China, 201903 )

三維綠量是表征城市植被生態(tài)效益的綜合指標(biāo)。以上海浦江郊野公園香樟林地為對象，通過無人機激光雷達(dá)與傳統(tǒng)樣地調(diào)查分別對研究區(qū)香樟三維綠量進(jìn)行測算對比分析。結(jié)果發(fā)現(xiàn)：（1）相對于傳統(tǒng)樣地調(diào)查，無人機激光雷達(dá)手段可大幅提高測量植被三維綠量的精度與效率；（2）上海浦江郊野公園香樟樣地的總?cè)S綠量為2 936.55 m3，平均三維綠量密度為2.17 m3/m2，單木三維綠量與冠幅的線性相關(guān)性更為顯著。結(jié)果旨在為城市植被三維綠量快速測量提供方法參考。

無人機激光雷達(dá)；三維綠量；香樟；快速測量

隨著城市化水平的不斷提高，城市熱島及其衍生的一系列生態(tài)影響開始顯現(xiàn)，城市植被作為城市熱島降溫效應(yīng)的藍(lán)綠基礎(chǔ)設(shè)施受到了廣泛關(guān)注[1-4]。過去對城市植被的研究大都基于二維尺度來開展，對其三維空間結(jié)構(gòu)方面的探討不多[5-8]。而從二維到三維評價角度的轉(zhuǎn)變，是更加全面評估城市植被生態(tài)功能的必然要求[9]。三維綠量正是這樣一種表征城市植被生態(tài)效益的三維指標(biāo)，其最早于1995年由上海市綠化三維量遙感調(diào)查項目提出[10]，代表城市內(nèi)所有生長植物的莖葉所占據(jù)的空間體積可為城市綠地規(guī)劃設(shè)計提供科學(xué)依據(jù)。

城市三維綠量的主要研究方法有方程模擬、平面模擬、立體量推算等[11-13]。其中方程模擬法不僅耗時耗力，且其精度十分依賴調(diào)查數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性；平面模擬則需根據(jù)不同情景建立冠幅—冠高回歸方程，再根據(jù)冠形計算三維綠量，相對誤差也較大；立體量推算主要采用分層抽樣進(jìn)行三維綠量測定。于東海等[14]使用無人機傾斜航空攝影的手段，建立了單株樹木的點云模型，發(fā)現(xiàn)該點云模型的精度可滿足林業(yè)調(diào)查中對樹高及樹冠體積的計算要求。Francesco Nexl等[15]利用便攜式三維激光掃描儀ZF成像儀對實驗樹木的生物量增長情況進(jìn)行了持續(xù)的監(jiān)測，這被認(rèn)為是一種無損的監(jiān)測方法。西班牙學(xué)者Fernández-Sar rí a[16]則利用地面激光掃描系統(tǒng)（TLS）估計了橄欖樹的生物量，總結(jié)了生物量與樹冠體積參數(shù)之間的緊密關(guān)系。新興的無人機技術(shù)降低了采集成本，提高了數(shù)據(jù)時效性，激光雷達(dá)則可獲得形態(tài)各異不同樹種的三維點云信息[17]，使其可測得更準(zhǔn)確的樹冠特征數(shù)據(jù)[18]，國內(nèi)并未見使用無人機激光雷達(dá)測量三維綠量的相關(guān)報導(dǎo)，相較于傳統(tǒng)的調(diào)查手段，無人機與激光雷達(dá)的結(jié)合，使得在測量植被三維綠量時可以很好地兼顧效率和精度，且成本低，是一種新興值得探究的技術(shù)手段。

上海是全球最早進(jìn)行城市森林規(guī)劃和建設(shè)的城市之一，城市植被結(jié)構(gòu)與功能的完善是城市森林建設(shè)過程中的重點，而如何準(zhǔn)確高效地進(jìn)行三維綠量監(jiān)測和評估，是城市森林管理中必須解決的難題。香樟（Cinnamomum camphora）作為上海本地的優(yōu)勢樹種（林地中占比約38%），對其三維綠量的快速監(jiān)測和評估具有重要意義。因此，本研究基于無人機激光雷達(dá)所獲取的浦江郊野公園三維激光點云與調(diào)查數(shù)據(jù)，探究城市植被三維綠量的快速測量和評估，擬為上海市城市林地結(jié)構(gòu)優(yōu)化和三維綠量的快速評測提供科學(xué)依據(jù)。

1 數(shù)據(jù)與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)是位于上海市閔行區(qū)浦江郊野公園內(nèi)的一塊30 m×30 m的純香樟林地，無其他喬灌木樹種（圖1），香樟在上海林地中占比高達(dá)38%，具有典型代表性。

圖1 研究區(qū)及樟樹樣點分布Fig.1 Distribution of the study area and camphor tree-like points

1.2 數(shù)據(jù)來源

1.2.1 無人機激光雷達(dá)點云數(shù)據(jù)

采用飛馬D2000四旋翼無人機搭載飛馬lidar3000激光雷達(dá)系統(tǒng)于2021年9月29日對上海市浦江郊野公園進(jìn)行激光雷達(dá)點云掃描，飛行高度120 m，點云密度41點/m2，采樣頻率20 HZ，飛行速度14 m/s。飛行時間15 min，掃描面積約266 668 m2。根據(jù)香樟樣地范圍對獲得的三維激光點云數(shù)據(jù)進(jìn)行裁剪，利用lidar360軟件在機載林業(yè)模塊下對研究區(qū)點云數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，獲得如圖2所示的香樟樣地三維激光點云數(shù)據(jù)。

圖2 香樟點云和剖面圖Fig.2 Sample tree point clouds and their profiles

1.2.2 香樟樣地調(diào)查數(shù)據(jù)

香樟樣地調(diào)查數(shù)據(jù)于2021年9月29日在上海浦江郊野公園測得，包括區(qū)內(nèi)33株香樟的位置（經(jīng)緯度）、樹高、胸徑、枝下高、橫（東西）縱（南北）向冠長。其中樹高和枝下高用以計算樹冠的高度，樹冠的橫縱向冠長用于計算冠徑。樣地香樟特征情況見表1。

表1 樣地樟樹特征Tab.1 Characteristics of Cinnamomum camphora trees

1.3 研究方法

1.3.1 無人機激光雷達(dá)三維綠量計算

無人機激光雷達(dá)三維綠量的計算是基于lidar360軟件的機載林業(yè)模塊進(jìn)行的，在lidar360軟件中，對三維激光數(shù)據(jù)經(jīng)過去噪、提取地面點、歸一化、單木分割和屬性提取等處理，獲得每株單木的經(jīng)緯度坐標(biāo)、樹高（Tree Height）、冠徑（Crown Diameter）、冠幅（Crown Area）和樹冠體積（Crown Volume）等單木屬性數(shù)據(jù)，其中樹冠體積為對應(yīng)單木的三維綠量。圖3為lidar360軟件處理點云數(shù)據(jù)工作流程。

圖3 lidar360處理點云數(shù)據(jù)原理Fig.3 The lidar360 processes the point-cloud data principle

1.3.2 樣地調(diào)查三維綠量計算

樣地調(diào)查三維綠量的計算參考劉曉彤等[19]對太原市綠地?zé)岘h(huán)境效應(yīng)研究中所用方法。不同形態(tài)的樹冠有著不同的體積計算公式，通過查閱文獻(xiàn)，確定香香樟冠形狀屬于卵形[20]，卵形樹冠體積計算方法如公式（1）。

式中，x為平均冠徑，即東西、南北冠長的平均值，y為冠高，V為樹冠體積，即三維綠量。

2 結(jié)果與分析

2.1 樣地香樟三維綠量分布特征

圖4a為樣地調(diào)查測得的三維綠量分布特征，樣地西南角的23、24及33號香樟三維綠量最高，樣地東部的15、16及17號香樟的三維綠量次之。圖4b為無人機激光雷達(dá)手段測得的樣地三維綠量分布特征，樣地西南角的23、24及33號香樟同為高值中心，東南角的28、29號香樟的三維綠量也相對較高，1號香樟三維綠量也較中心區(qū)域略高。兩種測量方式下三維綠量的分布均表現(xiàn)為四周高中心低的分布特征。

圖4 樣地三維綠量分布特征Fig.4 Distribution characteristics of sample area three-dimensional vegetation volume

2.2 無人機激光雷達(dá)點云與調(diào)查估算數(shù)據(jù)對比

表2為樣地內(nèi)香樟樣本調(diào)查特征與通過無人機激光雷達(dá)測得的香樟特征對比情況。平均樹高方面，香樟調(diào)查平均樹高為9.32 m，無人機激光雷達(dá)測得平均樹高為10.73 m，比無人機激光雷達(dá)的值低15.17%。因為人工測量樹高時，樹梢的最高點主要靠測量人員的判斷。而無人機機載三維激光點云是根據(jù)點云統(tǒng)計中的最高點作為樹高，樹高值的測量更加準(zhǔn)確。

表2 無人機激光雷達(dá)手段與傳統(tǒng)調(diào)查估算樟樹特征值Tab.2 UAV lidar means and traditional measured estimation of sample tree characteristic value

（1）平均冠徑方面。香樟調(diào)查平均冠徑為8.95 m，無人機激光雷達(dá)測得平均冠徑為6.81 m，調(diào)查值比無人機激光雷達(dá)測量值高23.94%，這是因為調(diào)查冠徑采用的橫縱冠長兩者平均值估算得來。（2）平均冠幅方面。香樟調(diào)查平均冠幅為258.33 m2，無人機激光雷達(dá)測得平均冠幅為40.06 m2，調(diào)查值比無人機激光雷達(dá)測得值高84.49%，這是由于調(diào)查冠幅是將香樟冠幅理想地簡化為圓形，然后依據(jù)圓面積公式求得，而實際冠幅很難是理想的圓形，同時計算冠幅時用到的冠徑參數(shù)也是依據(jù)橫縱冠長，所以調(diào)查值會偏大。（3）三維綠量方面。香樟調(diào)查平均三維綠量為300.27 m3，無人機激光雷達(dá)測得平均三維綠量為88.98 m3，調(diào)查值比無人機激光雷達(dá)的測量值高70.36%，這是由于用調(diào)查數(shù)據(jù)計算三維綠量時，因香樟生長密集，彼此樹冠之間有交匯，而調(diào)查時并沒有對交匯處的樹冠進(jìn)行去重復(fù)處理，故而調(diào)查計算所得三維綠量并不能很好地反映樹冠交匯處的多次計算問題。（4）綠量密度方面。香樟調(diào)查平均三維綠量密度為1.14 m3/m2，無人機激光雷達(dá)計算的平均三維綠量密度為2.17 m3/m2，調(diào)查值比無人機激光雷達(dá)測量值低89.31%，這是由樹冠交匯處的冠幅重復(fù)計算導(dǎo)致的。樣地范圍為30 m×30 m共900 m2的區(qū)域，調(diào)查香樟總冠幅（單木冠幅總和）為8 525.04 m2，比點云香樟總冠幅（1 322.10 m2）高7 202.94 m2，高了近5.45倍。（5）總?cè)S綠量方面?；谡{(diào)查計算的總?cè)S綠量比無人機激光雷達(dá)所測高出了5.45倍，相較于樣地調(diào)查數(shù)據(jù)，基于無人機激光雷達(dá)所測的總?cè)S綠量更加精確。

2.3 單木三維綠量影響因子分析

用線性擬合的方式分別擬合香樟樹高、胸徑、冠徑以及冠幅與三維綠量之間的關(guān)系，擬合直線附近的灰色區(qū)域為95%置信水平區(qū)。圖5可知，最終得到的R2結(jié)果分別為0.42、0.35、0.87和0.88，香樟三維綠量與冠幅的線性相關(guān)性更強。因此在林地三維綠量的計算中如何獲得更精細(xì)的冠幅二維和三維數(shù)據(jù)是將來研究的重點。

圖5 三維綠量與各影響因子的線性回歸結(jié)果Fig.5 Linear regression results of the Three-dimensional vegetation volume and each influence factor

2.4 無人機激光雷達(dá)快速測量三維綠量的應(yīng)用場景

城市是人類活動的主要空間載體。承載了全球約75%的人口。城市森林和城市綠地是城市中唯一的近自然生態(tài)空間，對于維持碳平衡、緩減熱島效應(yīng)、提升生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)等方面具有重要作用。在城市綠地管理中，可以采用無人機激光雷達(dá)手段對城市林地的三維綠量進(jìn)行快速測量和評價，結(jié)合城市生態(tài)和環(huán)境效益對城市森林和綠地進(jìn)行綜合評價與優(yōu)化；在城市森林和綠地碳匯研究和管理中，也可采用無人機激光雷手段對大面積林地進(jìn)行的三維綠量進(jìn)行快速調(diào)查，從而為碳中和、碳匯管理和碳交易提供準(zhǔn)確的科學(xué)數(shù)據(jù)。

3 討論與結(jié)論

李肖肖等[21]基于背包式激光雷達(dá)對城市綠地樹木的三維綠量進(jìn)行了估算，其結(jié)果表明相較于傳統(tǒng)方法，激光雷達(dá)方法更符合樹木的實際情況。本文通過傳統(tǒng)調(diào)查與無人機激光雷達(dá)對上海浦江郊野公園香樟林的三維綠量進(jìn)行測算，發(fā)現(xiàn)兩種測量方法下樣地中心區(qū)域的三維綠量均相對較低，無人機激光雷達(dá)測量的單木特征整體精度要優(yōu)于調(diào)查計算，與李肖肖等人研究結(jié)果一致。相較于調(diào)查數(shù)據(jù)，無人機激光雷達(dá)計算精度提升從高到低依次為三維綠量密度、冠幅、三維綠量、冠徑、樹高。在總?cè)S綠量方面，調(diào)查數(shù)據(jù)計算的三維綠量值比無人機激光雷達(dá)高2.73倍。由此可見，無人機激光雷達(dá)測量方法相較傳統(tǒng)調(diào)查方法在計算三維綠量精度方面有大幅提升[22]。這是由于在對香樟進(jìn)行樣地調(diào)查時，屬于抽樣調(diào)查，而無人機三維激光雷達(dá)可以對冠層和樹高等參數(shù)進(jìn)行精細(xì)的刻畫和描述。

樣地調(diào)查方法在數(shù)據(jù)獲取方面也有很大的弊端，諸如成本高、效率低下等；而無人機激光雷達(dá)則可以很好地彌補這些缺憾，其成本低、時效性強、效率高、精度準(zhǔn)、計算方便。不過無人機激光雷達(dá)在快速測算三維綠量方面也有其不足，如其所獲取到的點云只包含地面和較高的樹冠，樹下點云較少。如果林地郁閉度不高，單木分割精度會很好；但如果郁閉度高，單木分割效果會受到很大影響，從而導(dǎo)致單木三維綠量與實際情況出現(xiàn)較大誤差[23-24]。相對而言，在城市森林和綠地三維綠量測量時，無人機激光雷達(dá)具有廣闊的應(yīng)用和發(fā)展空間。

本研究基于無人機激光雷達(dá)及樣地調(diào)查，分別對上海浦江郊野公園樣地的三維綠量進(jìn)行計算。結(jié)果表明，在計算三維綠量時，傳統(tǒng)的調(diào)查方法在單木冠徑、冠幅、三維綠量及綠量密度等方面都會產(chǎn)生較大的偏差（23%～89%），在測算總體三維綠量方面，無人機激光雷達(dá)手段相對于傳統(tǒng)調(diào)查估算方法有著明顯的精度及效率提升；經(jīng)計算，上海浦江郊野公園樣地的總?cè)S綠量為2 936.54 m3，平均三維綠量密度2.17 m3/m2；單木三維綠量與冠幅的線性相關(guān)性更高。本研究可為城市森林和綠地三維綠量的快速測量和評估提供科學(xué)依據(jù)。