探析激光雷達數據在森林參數獲取中的應用

黃萬里

（湖南省農林工業勘察設計研究總院，湖南 長沙 410007）

所謂激光雷達，主要指的是通過發射激光束，準確探測目標的具體位置與速度等有關特征量的雷達系統，其工作原理與微波雷達相同，向目標發射相應的探測信號，并結合自身所接收到的自目標反射回來的信號和發射信號進行綜合對比，經過一系列處理之后，能夠獲取目標相關信息，例如，距離、方位、形狀與高度等等。近幾年來，政府有關部門越來越重視森林資源的利用率，為了保證我國森林資源實現高效利用，本文重點研究激光雷達數據在森林參數獲取之中的具體應用。

1 森林參數獲取中應用激光雷達數據的重要性

激光雷達是一項先進的主動遙感技術，利用傳感器發出的激光束，準確測量傳感器和目標物間的具體距離，并確定探測目標的實際位置。和被動光學遙感成像機理不同，激光雷達能夠有效探測植被空間結構，故在森林參數獲取當中運用激光雷達數據至關重要。最近幾年來，激光雷達在森林參數獲取中的應用范圍越來越廣，技術也逐漸趨于成熟，特別是在森林的高度估測與森林空間結構探測中。

林木高度能夠有效反映出森林土壤質量，故獲取準確的樹高信息特別重要，在林業遙感當中，森林高度信息的獲取難度特別大，但是，由于激光雷達的出現，能夠獲取準確的林木高度信息，減輕了有關人員的工作壓力。激光雷達數據處理流程：具有多次反射LiDAR數據-預處理-消除其他影響(利用多次反射)-分別實現線性預測法DEM檢測-刪除地面點-消除噪聲和碎點-得到樹木點。

2 激光雷達的特點分析

2.1 分辨率比較高

激光雷達能夠獲得特別高的角度、距離，包括速度分辨率等等。一般來講，角分辨率不小于0.1mard，能夠分辨出超過3 km距離的目標，而且可以在同一時間內跟蹤不同的目標。距離分辨率能夠達到0.1 m左右，速度分辨率不超過10 m/s，激光雷達距離與速度分辨率比較高，有關人員可以采用距離-多普勒成像技術獲取清晰的目標圖像。分辨率較高，也是激光雷達突出的優點。

2.2 隱蔽性較好

激光能夠實現直線傳播，具有良好的方向性，而且傳播的光束比較窄，一般僅能夠在傳播路徑中才能夠接收，故敵方想要截獲數據的難度特別大。激光雷達發射系統的口徑特別小，接收的區域也比較窄，敵方所發射的各項激光干擾信號想要進入到接收機之中的概率特別低。微波雷達容易受到外界電磁波的影響，降低各項數據的精確性，而激光雷達受外界電磁波影響特別小，具有良好的隱蔽性與適用性，即使在激烈的信息戰環境中應用，仍然能夠取得較好的應用效果。

2.3 低空探測性能較好

在微波雷達當中，受地物回波影響較大，低空區存在盲區，盲區即無法探測的領域。而激光雷達不同，目標被激光照射之后，才能夠出現反射，不受地物回波影響，故能夠實現零高度作業目標，其低空探測性能特別好。

2.4 體積小

一般的微波雷達體積較大，天線口徑能夠達到幾十米。而激光雷達不同，其體積較小，靈活性好，發射望遠鏡口徑通常在厘米級，一套系統質量僅有幾十公斤，系統的拆卸與架設特別方便。激光雷達系統的內部結構也特別簡單，減輕了維修人員的工作壓力，維修成本不斷下降[1]。

3 激光雷達數據在森林參數獲取中的應用研究

3.1 國外激光雷達數據在森林參數獲取中的應用

3.1.1 樹高與冠幅的有效估測

將激光雷達數據應用到森林參數獲取環節，能夠幫助有關人員更好地估測出林木樹高與冠幅，具體的估測要點見表1。

表1 運用激光雷達估測林木樹高與冠幅

另外，運用林木樹冠模型創建相應的等高線，準確計算出等高線的長度，設置相應的參數，篩選出等高線，將等高線轉換為多邊形[2]。在此過程當中，采用GIS疊加技術，結合高分辨率航空影像情況，提取樹頂，樹頂多邊形內部的最大數值即為樹高。

3.1.2 林分生物量與蓄積量的估測

利用激光雷達數據，準確估測林分生物量與蓄積量，研究人員運用統計分析法，構建完善的回歸模型，進一步提升了估測數值的準確性，保證模型參數更為準確。

結合林木的生長規律得知，林木高度與蓄積量之間存在一定聯系，此種生物約束機制能夠保證激光雷達反演的各項高度信息更為合理。因為林木生長方程和地域環境有關，故運用統計回歸法可以獲取準確信息[3]。

3.1.3 碳儲量的估測

現階段，國外有關研究人員利用激光雷達數據，能夠估測林木的碳儲量，運用小光斑機載雷達數據，準確估測出林木的碳儲量，主要分為以下兩種類型，具體見表2。

表2 模型構建要點

采用小光斑機載激光雷達數據，針對某地區的人工林進行碳儲量估測，通過在樣地水平之上構建碳儲量和激光雷達回歸模型，模型的模擬精度能夠達到72%左右，若在該回歸模型之中引入林木冠層結構信息數據，其模擬精度能夠達到80%以上，在模型當中引入密度信息之后，模擬精確度能夠達到87%以上。

3.2 國內激光雷達數據在森林參數獲取中的具體應用

當前我國森林參數獲取當中應用激光雷達較多，林業科學研究院的研究人員，結合星載記錄情況，認為將激光雷達數據應用在森林參數獲取當中，能夠有效提高森林參數的獲取速率，獲取的各項數據也較為精確[4]。

將三維激光掃描成像系統應用在森林立木測量當中，構建良好的立木三維模型，結合該模型，獲得了樹冠體積與表面積等測樹參數，并在此基礎之上，采用非線性回歸方程方法，構建樹冠體積與表面積回歸模型，將樹冠因子引入到模型當中，能夠保證獲取的森林參數更為精確。

4 結語

綜上，通過對激光雷達數據在森林參數獲取中的應用進行合理分析，例如國外激光雷達數據在森林參數獲取中的應用、國內激光雷達數據在森林參數獲取中的具體應用等等，能夠幫助研究人員更好地了解激光雷達系統操作要點，有效提高獲取的森林參數的準確性。