機載激光雷達技術在森林資源調查中的應用

柳祥來

摘要：指出了機栽激光雷達技術，可以對地面的三維數據進行直接捕捉，在林業數據估計等方面也有其優點，因此，在林業資源的調查中有著較多的運用。基于此，介紹了激光雷達系統的基本工作原理和系統構成，對激光雷達技術在林木蓄積量、獲取樹高、樹林分布密度和生物量等森林數據的獲取運用也作了詳細分析。

關鍵詞：機栽激光雷達技術;數據;林業

中圖分類號：S7 文獻標識碼：A 文章編號：1674-9944（2019）15-0244-02

1引言

用傳感器發出的激光來測量傳感器和目標物體之間的距離的主動遙感技術被稱作激光雷達技術。通過不同的勘測目標，可以將其分為兩類，即對地勘測和對空勘測，對地激光雷達的主要功能就是收集地貌、地質、土地利用率等信息數據，對空激光雷達就是通過向空中投射激光束和接收經空氣中漂浮顆粒所反彈回來的回波進行對大氣化學和物理性質的檢測。對于搭載拍照傳感器的載體又進行了分類，機載、車載、定位、星載等四類都屬于對地激光雷達的范疇，在這四類中，機載對地激光雷達裝置是常見的激光雷達裝置。

在20世紀80年代，中期激光雷達技術開始逐漸用于估測森林數據參數，主要通過識別三維坐標信息來定量對森林數據參數進行估測，特別是在估測林木空間結構和估計森林高度這方面有其獨有的優點，對于遙感技術來說，激光雷達技術的出現是一個新的突破。經過幾十年的發展，激光雷達技術在林業研究方面的技術已逐漸趨于成熟。許多研究機構已經證明了激光雷達技術在森林資源調查中是越來越重要的，對于估測林分特點可以采用激光掃描數據來進行研究，比如胸高端面積，樹高和林分蓄積量。

2機載激光雷達系統的構成

機載激光雷達系統主要組成部分分別是全球定位系統、激光掃描系統、監視控制系統和慣性測量裝置等。他們共同構成了機載激光雷達系統。其中，機載激光雷達的核心部分便是機載激光雷達的傳感器，傳感器主要是用來發射測量激光脈沖和接收脈沖因遇到阻礙而反彈回來的回波。為機載激光雷達系統提供定位服務的毫無疑問就是全球定位系統了。慣性測量裝置主要運用于監測機載激光雷達系統所在平臺的飛行狀態。在分析機載激光雷達數據的同時，監視控制系統還為相關操作人員提供必要的實時監控信息，這些信息包含很多內容，其中就包括全球定位系統，慣性測量裝置和傳感器等各部分的運行狀態和飛機平臺的飛行軌跡。還有其他類的數字掃描系統裝備在一些機載激光雷達系統當中，為了使多光譜數字影像的分辨率達到更高，這些影像為機載激光雷達數據的研究提供了一些信息。

3機載激光雷達系統的工作原理

機載激光雷達系統如果想要測量傳感器與被測物體之間的距離d，就需要進行計算，首先測量脈沖由傳感器發出至傳感器收到由于地面物體反彈回來的脈沖回波所用的時間t，和激光在這段時間里的傳播速度c。所以根據公式，d就等于傳播速度c與傳播時間￡乘積的一半。在采集數據期間，測量脈沖不斷地從機載激光雷達系統中發射出來，監控器將測量脈沖對應的回波發生點的三維坐標逐一記錄下來，記錄下來的三維點集而形成的坐標信息就是機載激光雷達系統提供的勘測成果。機載激光雷達分為兩個環節，及發射測量脈沖和接收反彈回來的回波信號。每一束測量脈沖發射出去之后，由于他的覆蓋范圍內有不同的地物組成，這就對測量造成了影響，會導致反射強度的不同，所以，傳感器收到的信號強弱和回波的數量也不同。測量一束脈沖的多個回波數目是許多傳感器都有的功能，這種技術被稱為單束多回波技術。多回波的機載激光雷達數據對樹木稀疏地區的單株立木分析非常有效，因為在樹木稀疏的地區時，機載激光雷達傳感器所發射出的脈沖在沒有遇到障礙的情況下可以直達地面，不同高度的樹枝會反彈回波信號，這些回波信號對樹冠的層次信息作了一個描述。所以在疏林地區多回波技術非常適用。

4機載激光雷達數據在森林資源中的運用

初期，利用地面反彈回來的回波進行地形圖的制作是機載激光雷達的主要作用，而忽視了機載激光雷達在森林資源調查方面的作用。在近年來，機載激光雷達技術在森林資源調查方面的運用才被一些歐洲的林業資源管理專家逐漸運用。機載激光雷達數據通常運用在森林三維結構方面，不過最主要的還是在監測和森林資源調查方面的使用。對于傳統的光學遙感技術，如果想要獲得林木的三維結構參數需要借助它的輔助信息，否則只能獲取二維信息，而對于機載激光雷達數據可以對三維結構參數進行直接獲取，使得林木垂直分布數據的估測可以直接通過三維可視化來實現，這種方式對單株木參數的獲取十分有效，比如樹冠高度，樹的高度。

4.1運用機載激光雷達數據測量樹高

通過計算來自地面和樹冠頂部的激光回波的距離之差就是機載激光雷達系統測量樹高的原理。作為反映立地質量和材積的重要數據，關于樹高信息的獲取是非常有用的。一些研究發現松樹林區和草地的機載激光雷達的首回波的平均高度與目標物體的平均高度有很大的聯系。但是，激光回波概率在針業樹冠頂部非常低，這就造成了一個問題，就是機載激光雷達所勘測出來的樹高比真實值要低。一些研究機構對36個林分進行系統的研究。最后取得的結論是現場調查的樹高和獲取的林分高有著91%的巨大相關。可是實地調研的樹高普遍比林分高多出4.1～5.5m，后來又用單株樹胸高斷面積加權的平均樹高，這樣計算出來的樹高還是比實際的樹高高出2.1～3.6m，最后在林分里分布多個相等面積的柵格，把每個柵格中最高的樹的高度作為平均樹高，最后實際的樹高與測量出來的樹高之間的誤差就縮小到了0.4～1.9m.目前認為，這種方法對估測樹高很準確。

4.2測量林分密度

經過識別樹冠頂部來獲取單位面積內的樹木棵樹就是林分密度。所以，研究的重點就是樹冠的分割。首先要用機載激光雷達數據形成樹冠高模型，然后，選擇變化的窗口在局部進行最大值的搜索，將高程值中最大的激光點作為樹冠頂部。圓形狀和矩形狀是搜索窗口的主要形狀，書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，研究者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樹，最終的結果顯示闊葉樹樣地和松樹地的林木株樹估測值與實際值的相關系數為0.26，在這里面，等優勢樹種和優勢樹種的勘測精度最高。

4.3對林分生物量和蓄積量進行估測

如果要采用機載激光雷達技術對蓄積量和林分生物量進行檢測，那么一般采用的方法是用統計分析建立回歸模型進行估測，胸徑，株樹，樹高都屬于模型參數。所以用機載激光雷達數據精準的勘測胸徑，株樹，樹高是進行生物量和蓄積參數的獲取工作必須進行的一個環節。此外，樹木的胸徑，高度和蓄積量與樹木的生長規律有一定的相關關系，激光雷達反演的高度信息進行森林生物量建模的基本依據就是這種樹木特別的約束功能。可是樹的品種與地理環境與樹木的相關生長方程聯系很密切，通常由于當地樹木生長方程的缺乏，而采取統計回歸的方案。研究一般認為機載激光雷達數據可以結合地面調查來勘測林區高科技分辨率的蓄積量以及樹高。用局部最大值的方法獲取冠幅和單株木樹高是研究中的首要任務，然后通過回歸模型對胸高斷面積和胸徑的計算，在現有的生物量和材積計算公式的基礎上對材積和生物量進行分別計算，最后的估測精度比僅用機載激光雷達數據進行測量的要高。

5機載激光雷達技術在森林調查中的應用前景

5.1機載激光雷達技術的局限性

即使機載激光雷達在獲取植物信息和林區地貌有一定優勢，但它在實際應用還是由一定的局限性，例如理論體系的系統性，數據處理軟件和數據資源的匱乏，于其他遙感技術相比，費用較高，而且對于機載激光雷達技術來說，由于采用的是離散采樣，所以如果樹頂的采樣錯誤就會導致樹高估計也會錯誤。為了避免這一問題，往往需要增大采樣密度，飛行高度也要降低，從而導致資金增加。機載激光雷達技術是多個學科交叉在一塊的技術，包含了測量，遙感，信號處理等多個學科，如果想要充分發揮它的優勢和作用，就必須使各個學科互相協作。

5.2機載激光雷達技術的應用前景

機載激光雷達技術發展前景廣闊，在多個領域的新型測量系統中都可以運用，它為獲取高時空分辨率的空間信息提供了嶄新的方案。在森林資源調查方面，它的優勢是可以對植被的高度直接進行測量，獲取林區的垂直結構信息，彌補了其它遙感手段的不足。其它遙感數據和機載激光雷達技術融合后可以提供更全面，更準確的森林參數，而且有利于新型的定量遙感技術的發展。

6結語

與其他遙感技術相比，激光雷達技術稱得上是遙感技術上的一次革新，運用新技術在森林資源的研究中使得調查更加快捷，準確。隨著新技術的廣泛運用，未來的森林資源調查會更加準確。