蒙增龍

（廣西南寧森科林業(yè)規(guī)劃設(shè)計有限公司，廣西 南寧 530000）

我國現(xiàn)有的遙感技術(shù)主要適用于森林資源管理、普查、動態(tài)監(jiān)測、災(zāi)情評估等多個領(lǐng)域，但傳統(tǒng)光學(xué)遙感技術(shù)只能提供二維層面的數(shù)據(jù)信息。盡管高空航拍影像可以精準(zhǔn)探測林木變化情況及變化范圍，還能科學(xué)識別林木種類，但卻無法提取森林垂直結(jié)構(gòu)等參數(shù)信息，因此無法得出森林垂直結(jié)構(gòu)參數(shù)。與此同時，在森林區(qū)域進(jìn)行攝影測量時，很可能面臨多種外界影響因素的干擾，如外業(yè)難以控制、加密選點(diǎn)不準(zhǔn)確、影像匹配過于模糊等。但機(jī)載激光雷達(dá)技術(shù)的應(yīng)運(yùn)而生不但能解決以上問題，還能有效提升森林資源規(guī)劃設(shè)計調(diào)查工作的精準(zhǔn)性。

1.激光雷達(dá)的測樹原理及應(yīng)用方法

激光雷達(dá)主要由掃描儀、計算機(jī)、電源供應(yīng)系統(tǒng)三部分組成，該三維激光掃描系統(tǒng)在指定應(yīng)用過程中通常需要持續(xù)不斷地采集、分析、處理數(shù)據(jù)信息，同時基于掃描儀構(gòu)建三維激光空間坐標(biāo)系，通過觀察空間坐標(biāo)系的點(diǎn)云圖來分析目標(biāo)物體的采樣結(jié)果。

1.1 測樹原理

激光雷達(dá)的測樹原理指根據(jù)脈沖激光來回發(fā)射傳播的時間差確定儀器與掃描點(diǎn)之間的距離，基于脈沖反射的水平、垂直數(shù)值來確定掃描點(diǎn)的三維坐標(biāo)值，從而通過判別掃描點(diǎn)的反射角度來確定地物類型。

1.2 應(yīng)用方法

針對大面積森林資源規(guī)劃設(shè)計進(jìn)行調(diào)查時，可以通過大飛機(jī)機(jī)載激光雷達(dá)提取點(diǎn)云數(shù)據(jù)，這也是短時間內(nèi)快速獲取大面積林業(yè)點(diǎn)云數(shù)據(jù)的重要方式和手段。激光雷達(dá)中包含的專業(yè)分析軟件有助于科學(xué)分析、處理點(diǎn)云數(shù)據(jù)，并從整體點(diǎn)云數(shù)據(jù)中區(qū)分單木數(shù)據(jù)，進(jìn)而獲得樹高、樹冠尺寸、胸徑、生物量等參數(shù)指標(biāo)，其精度也可以被控制在10cm以內(nèi)。

地基激光雷達(dá)具體可以分為背包激光雷達(dá)、車載激光雷達(dá)等類型，在移動雷達(dá)設(shè)備的載體作用下，地基激光雷達(dá)可以實(shí)時獲取林木相關(guān)參數(shù)信息，其精度也可精確到2mm，特別是在小范圍內(nèi)的林木參數(shù)與大面積林木樣本數(shù)據(jù)采集中有著較高的適用性。

小范圍內(nèi)的林木參數(shù)統(tǒng)計可以通過無人機(jī)激光雷達(dá)實(shí)現(xiàn)，其在作業(yè)面積區(qū)域適中、地形結(jié)構(gòu)單一的森林資源規(guī)劃設(shè)計調(diào)查中有著廣泛的應(yīng)用前景。最重要的是，無人機(jī)激光雷達(dá)還具有操作簡便、靈活性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，其在實(shí)際使用中還能從根本上解決道路運(yùn)輸不通暢的問題。

2.光雷達(dá)在森林資源監(jiān)測中的應(yīng)用前景

2.1 局限性

在森林資源監(jiān)測中應(yīng)用激光雷達(dá)技術(shù)可以為相關(guān)工作人員提供科學(xué)可靠的數(shù)據(jù)信息，但這項技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用過程中仍存在明顯弊端。尤其在數(shù)據(jù)采集過程中，激光雷達(dá)很可能在感應(yīng)器中高度占用運(yùn)行空間，由此導(dǎo)致森林?jǐn)?shù)據(jù)信息的處理速度過于緩慢，甚至還會經(jīng)常出現(xiàn)卡頓的情況。最重要的是，激光雷達(dá)的應(yīng)用成本遠(yuǎn)高于森林監(jiān)測方案的費(fèi)用成本。這項技術(shù)在實(shí)際使用中需要利用小光斑激光對森林?jǐn)?shù)據(jù)進(jìn)行采樣，在此過程中不可避免的會出現(xiàn)樹冠遺漏的情況，從而導(dǎo)致最終獲得的采樣數(shù)據(jù)低于樹木的實(shí)際高度，因此經(jīng)過小光斑激光采樣后，還需要借助大光斑激光完成森林?jǐn)?shù)據(jù)采樣工作，其不僅有著掃描范圍廣的優(yōu)勢，還能全面覆蓋森林中的樹冠，最終提取出的森林采樣數(shù)據(jù)還能與小光斑激光采樣數(shù)據(jù)形成互補(bǔ)。

但將這兩種技術(shù)結(jié)合再進(jìn)行森林采樣，又會額外增加不必要的經(jīng)費(fèi)成本，甚至付出雙倍采集時間，因此必須積極完善這種激光雷達(dá)技術(shù)。

結(jié)合當(dāng)前現(xiàn)有技術(shù)水平，在數(shù)據(jù)采樣中應(yīng)用激光雷達(dá)技術(shù)時，很可能出現(xiàn)雷達(dá)數(shù)據(jù)不完整的情況。而激光雷達(dá)中的激光器在實(shí)際運(yùn)行過程中，又會出現(xiàn)高壓脈沖波占用激光發(fā)射器通道的情況，而我國現(xiàn)有的激光發(fā)射器又會受到技術(shù)因素影響，出現(xiàn)激光數(shù)據(jù)供應(yīng)不足的情況。

2.2 發(fā)展前景

激光雷達(dá)可以精準(zhǔn)測量森林結(jié)構(gòu)高度，有效彌補(bǔ)其他遙感技術(shù)的缺陷。與此同時，激光雷達(dá)還能通過智能化手段測量某些數(shù)據(jù)信息，有效避免人工測量引起的偏差。由于激光雷達(dá)技術(shù)普遍具有精準(zhǔn)性高、傳播速度快的優(yōu)點(diǎn)，因此其在實(shí)際使用中可以動態(tài)性檢測出森林資源分布情況，并以圖像記憶的方式還原雷達(dá)中提取的數(shù)據(jù)信息，以此為森林資源分析工作的順利開展奠定良好基礎(chǔ)。盡管激光雷達(dá)可以保證資林資源監(jiān)測的精準(zhǔn)性，但卻無法大面積監(jiān)測森林資源。但將這項技術(shù)與其他遙感技術(shù)進(jìn)行有機(jī)結(jié)合，就能有效彌補(bǔ)數(shù)據(jù)數(shù)量不足的弊端，有效促進(jìn)激光雷達(dá)在森林監(jiān)測中的深化發(fā)展，并為遙感技術(shù)的創(chuàng)新與優(yōu)化奠定良好基礎(chǔ)。

大面積采集森林?jǐn)?shù)據(jù)信息時，可以針對森林結(jié)構(gòu)高度、地形結(jié)構(gòu)、垂直分布、水平分布等參數(shù)進(jìn)行具體分析，并為森林資源的應(yīng)用與管理提供科學(xué)可靠的參考依據(jù)，進(jìn)一步提高生態(tài)環(huán)境的信息化建設(shè)水平。目前激光雷達(dá)已在森林資源監(jiān)測中得到了廣泛應(yīng)用，在未來發(fā)展階段應(yīng)針對這一領(lǐng)域進(jìn)行更深層次地研究與分析。

2.3 監(jiān)測成果

將激光雷達(dá)應(yīng)用到森林資源監(jiān)測工作時，可以從森林整體結(jié)構(gòu)高度、植被高度以及森林植被占有密度等方面著手分析監(jiān)測成果。

激光雷達(dá)中的大光斑激光可以有效采集森林結(jié)構(gòu)高度相關(guān)數(shù)據(jù)信息，在能量闕值內(nèi)激光發(fā)生器中的波形將會上下波動，而能源控制器則能間隔記錄相關(guān)數(shù)據(jù)信息，且雷達(dá)中的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換裝置可以將存儲的數(shù)據(jù)信息轉(zhuǎn)換為森林高度參數(shù)。

依托于激光發(fā)射原理，森林冠層頂部與雷達(dá)傳感器之間的距離為激光發(fā)射的初始信號，森林地面著位點(diǎn)為信號回波終點(diǎn)。森林冠層接收到雷達(dá)激光信號后，還會產(chǎn)生信號回訪波動，用傳感器記錄回訪波的峰值后就能計算差值，也就是明確森林結(jié)構(gòu)高度、巖溶等復(fù)雜地貌在激光信號峰值中體現(xiàn)出的變化?；诖耍谏指叨扔嬎氵^程中，還需要考慮其是否需要減去地面參差不齊的高度或?qū)挾取?/p>

大光斑激光不但能將森林冠層到傳感器之間的信號傳達(dá)到雷達(dá)系統(tǒng)，將森林信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號后，又能通過雷達(dá)智能篩選記錄下來的數(shù)據(jù)信息，同時獲得樹冠高度、地面監(jiān)測點(diǎn)位等數(shù)據(jù)信息。森林冠層與傳感器之間的脈沖波形可以反映出樹冠在垂直平面中占據(jù)的大小，結(jié)合占有面積的比例，通過手繪分析的方式塑造森林垂直結(jié)構(gòu)，還能為樹木垂直結(jié)構(gòu)的分析奠定良好基礎(chǔ)。

對森林垂直結(jié)構(gòu)進(jìn)行技術(shù)層面的分析時，可以事先模擬陽光在森林中的投射情況，截取一部分森林垂直結(jié)構(gòu)后，再為后續(xù)研究工作的順利開展奠定良好基礎(chǔ)。由于樹冠結(jié)構(gòu)會隨著樹木生長發(fā)生變化，成年樹木的樹冠垂直結(jié)構(gòu)更是具有明顯的復(fù)雜性，整個結(jié)構(gòu)也呈現(xiàn)出了一定的勻稱性特點(diǎn)，而激光雷達(dá)發(fā)射出的激光又能根據(jù)這一樹木特點(diǎn)，基于樹木激光信號分析形成靈敏的反應(yīng)機(jī)制。

激光雷達(dá)主要通過小光斑系統(tǒng)來完成生物密度方面的監(jiān)測，計算植被脈沖波數(shù)量與地面脈沖波數(shù)量的比值后，就可以根據(jù)小光斑激光在植被脈沖波與地面脈沖波中占據(jù)的面積計算比值，且這兩種比值都需要以脈沖在森林植被和地面中的反射率為主要輸出對象，并將其與其他必要脈沖信息結(jié)合，進(jìn)而利用光學(xué)遙感數(shù)據(jù)反映出的定位信息，有效監(jiān)測大范圍內(nèi)的森林生物密度。經(jīng)大量實(shí)驗研究表明，樹冠垂直結(jié)構(gòu)與森林生物密度整體呈對數(shù)線性關(guān)系，在激光雷達(dá)中應(yīng)用光學(xué)攝影模式時，可以將激光發(fā)射方式與光學(xué)攝影方式進(jìn)行有機(jī)結(jié)合，在激光雷達(dá)的支持下通過樹冠垂直結(jié)構(gòu)估測整個森林生物密度。實(shí)際上樹木的生長情況普遍伴隨著時間的變化，并且樹木高度、寬度、樹冠剖面都與森林生物密度存在一定的關(guān)聯(lián)，而激光雷達(dá)也可以通過高度信息演算確定樹木生長關(guān)系。

3.激光雷達(dá)在森林資源規(guī)劃設(shè)計調(diào)查中的應(yīng)用

森林資源規(guī)劃設(shè)計調(diào)查作為一項重要的基礎(chǔ)工作，其調(diào)查對象主要面向的是縣級行政區(qū)域與森林經(jīng)營單位，基于小班調(diào)查單元，充分滿足林業(yè)規(guī)劃與管理需要。針對各類林地面積及其權(quán)屬、林地種類、林地保護(hù)等級等要素進(jìn)行森林資源規(guī)劃設(shè)計調(diào)查時，通常需要嚴(yán)格按照具體的要求和標(biāo)準(zhǔn)，從以下幾方面著手制定技術(shù)方案：首先，依托于目視解釋確定林地屬性，并在實(shí)地外業(yè)調(diào)查中逐一排查存疑的圖斑，最后利用激光雷達(dá)采集森林樹高、郁閉度等信息。在不同遙感手段支持下，可以實(shí)時監(jiān)測森林內(nèi)部信息，而激光雷達(dá)技術(shù)的有效應(yīng)用，又能保證遙感數(shù)據(jù)獲取的精度，在提高林區(qū)冠層高度、郁閉度以及林區(qū)單木的位置高度后，就能有效減輕人工調(diào)查的工作負(fù)擔(dān)，并為森林資源調(diào)查的準(zhǔn)確性提供基本保障。激光雷達(dá)原本就是一項主動遙感技術(shù)，這項技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用中極大地提高了森林參數(shù)提取的精確性。

將機(jī)載激光雷達(dá)與地基激光雷達(dá)進(jìn)行綜合運(yùn)用，可以精準(zhǔn)獲得樹高、胸徑、郁閉度等參數(shù)信息。若機(jī)載激光雷達(dá)無法采集高空信息，則可以通過移動平臺激光雷達(dá)獲取三維結(jié)構(gòu)信息，并在點(diǎn)云軟件支持下判別單木類型，進(jìn)而采集林木位置、株數(shù)、胸徑等信息。

4.激光雷達(dá)在森林資源規(guī)劃設(shè)計調(diào)查中的數(shù)據(jù)處理

對某自治區(qū)域的森林資源規(guī)劃設(shè)計調(diào)查進(jìn)行數(shù)據(jù)處理時，可以借助點(diǎn)云軟件完成以下數(shù)據(jù)處理工作：第一，點(diǎn)云合并。由于機(jī)載雷達(dá)數(shù)據(jù)主要以幅為單位，每一幅的覆蓋面積為1km2。在此基礎(chǔ)上將區(qū)域內(nèi)的點(diǎn)云數(shù)據(jù)合并，可以有效提高數(shù)據(jù)處理效率。第二，去噪。由于點(diǎn)云數(shù)據(jù)中還包含著一部分雜質(zhì)信息，如空氣中的懸浮顆粒物等。在處理過程中可以選擇適合的濾波方法，將主體點(diǎn)云外的離散點(diǎn)云去除，進(jìn)而有效處理測量數(shù)據(jù)中出現(xiàn)的粗糙毛刺和噪點(diǎn)。第四，建立數(shù)字高程模型。對于已經(jīng)過去噪處理后的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，可以通過插值的方式構(gòu)建數(shù)字高程模型，以此采集地表高度等參數(shù)信息。第三，歸一化。將去噪點(diǎn)云數(shù)據(jù)與高程模型進(jìn)行有機(jī)結(jié)合，就能得到歸一化的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，將所有點(diǎn)與數(shù)據(jù)的值域進(jìn)行歸一化處理，同時有效提高后續(xù)點(diǎn)云數(shù)據(jù)分析處理工作的效率。第四，生成種子點(diǎn)。基于歸一化的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，對于需要提取的高植被點(diǎn)、林木高度等篩選參數(shù)，由于不同參數(shù)選擇帶來的結(jié)果不同，因此研究小組應(yīng)根據(jù)樣例數(shù)據(jù)測試出最佳的參數(shù)值，同時獲得準(zhǔn)確的喬木林種子點(diǎn)數(shù)據(jù)。第五，單木分割。以種子點(diǎn)數(shù)據(jù)為載體進(jìn)行單木分割時，可以獲得相關(guān)數(shù)據(jù)信息。第六，提取郁閉度數(shù)據(jù)。將種子點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計分析，就可以確定每一像素值下的郁閉度值，進(jìn)而得出整個目標(biāo)區(qū)域的郁閉度值。

表1 激光雷達(dá)在森林資源規(guī)劃設(shè)計調(diào)查中的數(shù)據(jù)處理結(jié)果

5.激光雷達(dá)在森林資源規(guī)劃設(shè)計調(diào)查中應(yīng)用的優(yōu)缺點(diǎn)

5.1 優(yōu)點(diǎn)

機(jī)載激光雷達(dá)技術(shù)的有效應(yīng)用為高時空分辨率空間信息的獲取提供了技術(shù)層面的支持，在森林資源規(guī)劃設(shè)計調(diào)查中，機(jī)載激光雷達(dá)技術(shù)還能直接檢測植被高度。最重要的是，這項技術(shù)不僅能檢測出森林垂直結(jié)構(gòu)信息，還能有效彌補(bǔ)其他遙感技術(shù)帶來的不足。此外，將激光雷達(dá)與其他遙感技術(shù)進(jìn)行有機(jī)結(jié)合，還能切實(shí)提高森林參數(shù)獲取的精準(zhǔn)性與全面性。

5.2 缺點(diǎn)

盡管激光雷達(dá)可以保證植被與林間地貌信息采集的準(zhǔn)確性，但這項技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用過程中仍然存在多個方面的局限性。如數(shù)據(jù)處理軟件較少、無法專門處理點(diǎn)云數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)處理時間較長、費(fèi)用成本相對較高等。由于激光雷達(dá)是以離散采樣的方式采集相關(guān)數(shù)據(jù)信息，一旦樹頂采樣數(shù)據(jù)出現(xiàn)明顯偏差，就會影響樹高預(yù)測的準(zhǔn)確性，因此在處理過程中，通常需要提高采樣密度、降低飛行高度，但這也額外增加了不必要的飛行成本。機(jī)載激光雷達(dá)技術(shù)原本就涉及到了測量、遙感、信號處理等多個領(lǐng)域，其本質(zhì)上屬于多個學(xué)科交叉形成的綜合性技術(shù)，因此只有充分發(fā)揮各個學(xué)科相互協(xié)調(diào)的優(yōu)勢，才能最大限度地提高機(jī)載激光雷達(dá)技術(shù)的應(yīng)用水平。

6.結(jié)語

目前機(jī)載激光雷達(dá)技術(shù)在森林資源規(guī)劃設(shè)計調(diào)查中已得到了廣泛應(yīng)用，其還在多個領(lǐng)域下的測量系統(tǒng)中發(fā)揮了至關(guān)重要的作用。激光雷達(dá)技術(shù)相比于其他遙感技術(shù)，其本質(zhì)上屬于遙感技術(shù)的又一次革新。經(jīng)大量實(shí)驗結(jié)果表明，機(jī)載激光雷達(dá)技術(shù)可以保證信息獲取的高效性與實(shí)效性，其在傳統(tǒng)航空遙感影像的配合下，將會為森林資源規(guī)劃設(shè)計調(diào)查提供更強(qiáng)有力的支撐。