激光雷達在森林資源規劃設計調查中的應用

蒙增龍

（廣西南寧森科林業規劃設計有限公司，廣西 南寧 530000）

我國現有的遙感技術主要適用于森林資源管理、普查、動態監測、災情評估等多個領域，但傳統光學遙感技術只能提供二維層面的數據信息。盡管高空航拍影像可以精準探測林木變化情況及變化范圍，還能科學識別林木種類，但卻無法提取森林垂直結構等參數信息，因此無法得出森林垂直結構參數。與此同時，在森林區域進行攝影測量時，很可能面臨多種外界影響因素的干擾，如外業難以控制、加密選點不準確、影像匹配過于模糊等。但機載激光雷達技術的應運而生不但能解決以上問題，還能有效提升森林資源規劃設計調查工作的精準性。

1.激光雷達的測樹原理及應用方法

激光雷達主要由掃描儀、計算機、電源供應系統三部分組成，該三維激光掃描系統在指定應用過程中通常需要持續不斷地采集、分析、處理數據信息，同時基于掃描儀構建三維激光空間坐標系，通過觀察空間坐標系的點云圖來分析目標物體的采樣結果。

1.1 測樹原理

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

1.2 應用方法

針對大面積森林資源規劃設計進行調查時，可以通過大飛機機載激光雷達提取點云數據，這也是短時間內快速獲取大面積林業點云數據的重要方式和手段。激光雷達中包含的專業分析軟件有助于科學分析、處理點云數據，并從整體點云數據中區分單木數據，進而獲得樹高、樹冠尺寸、胸徑、生物量等參數指標，其精度也可以被控制在10cm以內。

地基激光雷達具體可以分為背包激光雷達、車載激光雷達等類型，在移動雷達設備的載體作用下，地基激光雷達可以實時獲取林木相關參數信息，其精度也可精確到2mm，特別是在小范圍內的林木參數與大面積林木樣本數據采集中有著較高的適用性。

小范圍內的林木參數統計可以通過無人機激光雷達實現，其在作業面積區域適中、地形結構單一的森林資源規劃設計調查中有著廣泛的應用前景。最重要的是，無人機激光雷達還具有操作簡便、靈活性強的優點，其在實際使用中還能從根本上解決道路運輸不通暢的問題。

2.光雷達在森林資源監測中的應用前景

2.1 局限性

在森林資源監測中應用激光雷達技術可以為相關工作人員提供科學可靠的數據信息，但這項技術在實際應用過程中仍存在明顯弊端。尤其在數據采集過程中，激光雷達很可能在感應器中高度占用運行空間，由此導致森林數據信息的處理速度過于緩慢，甚至還會經常出現卡頓的情況。最重要的是，激光雷達的應用成本遠高于森林監測方案的費用成本。這項技術在實際使用中需要利用小光斑激光對森林數據進行采樣，在此過程中不可避免的會出現樹冠遺漏的情況，從而導致最終獲得的采樣數據低于樹木的實際高度，因此經過小光斑激光采樣后，還需要借助大光斑激光完成森林數據采樣工作，其不僅有著掃描范圍廣的優勢，還能全面覆蓋森林中的樹冠，最終提取出的森林采樣數據還能與小光斑激光采樣數據形成互補。

但將這兩種技術結合再進行森林采樣，又會額外增加不必要的經費成本，甚至付出雙倍采集時間，因此必須積極完善這種激光雷達技術。

結合當前現有技術水平，在數據采樣中應用激光雷達技術時，很可能出現雷達數據不完整的情況。而激光雷達中的激光器在實際運行過程中，又會出現高壓脈沖波占用激光發射器通道的情況，而我國現有的激光發射器又會受到技術因素影響，出現激光數據供應不足的情況。

2.2 發展前景

激光雷達可以精準測量森林結構高度，有效彌補其他遙感技術的缺陷。與此同時，激光雷達還能通過智能化手段測量某些數據信息，有效避免人工測量引起的偏差。由于激光雷達技術普遍具有精準性高、傳播速度快的優點，因此其在實際使用中可以動態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中提取的數據信息，以此為森林資源分析工作的順利開展奠定良好基礎。盡管激光雷達可以保證資林資源監測的精準性，但卻無法大面積監測森林資源。但將這項技術與其他遙感技術進行有機結合，就能有效彌補數據數量不足的弊端，有效促進激光雷達在森林監測中的深化發展，并為遙感技術的創新與優化奠定良好基礎。

大面積采集森林數據信息時，可以針對森林結構高度、地形結構、垂直分布、水平分布等參數進行具體分析，并為森林資源的應用與管理提供科學可靠的參考依據，進一步提高生態環境的信息化建設水平。目前激光雷達已在森林資源監測中得到了廣泛應用，在未來發展階段應針對這一領域進行更深層次地研究與分析。

2.3 監測成果

將激光雷達應用到森林資源監測工作時，可以從森林整體結構高度、植被高度以及森林植被占有密度等方面著手分析監測成果。

激光雷達中的大光斑激光可以有效采集森林結構高度相關數據信息，在能量闕值內激光發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數據信息，且雷達中的數據轉換裝置可以將存儲的數據信息轉換為森林高度參數。

依托于激光發射原理，森林冠層頂部與雷達傳感器之間的距離為激光發射的初始信號，森林地面著位點為信號回波終點。森林冠層接收到雷達激光信號后，還會產生信號回訪波動，用傳感器記錄回訪波的峰值后就能計算差值，也就是明確森林結構高度、巖溶等復雜地貌在激光信號峰值中體現出的變化?；诖?，在森林高度計算過程中，還需要考慮其是否需要減去地面參差不齊的高度或寬度。

大光斑激光不但能將森林冠層到傳感器之間的信號傳達到雷達系統，將森林信號轉化為數字信號后，又能通過雷達智能篩選記錄下來的數據信息，同時獲得樹冠高度、地面監測點位等數據信息。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的大小，結合占有面積的比例，通過手繪分析的方式塑造森林垂直結構，還能為樹木垂直結構的分析奠定良好基礎。

對森林垂直結構進行技術層面的分析時，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構后，再為后續研究工作的順利開展奠定良好基礎。由于樹冠結構會隨著樹木生長發生變化，成年樹木的樹冠垂直結構更是具有明顯的復雜性，整個結構也呈現出了一定的勻稱性特點，而激光雷達發射出的激光又能根據這一樹木特點，基于樹木激光信號分析形成靈敏的反應機制。

激光雷達主要通過小光斑系統來完成生物密度方面的監測，計算植被脈沖波數量與地面脈沖波數量的比值后，就可以根據小光斑激光在植被脈沖波與地面脈沖波中占據的面積計算比值，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合，進而利用光學遙感數據反映出的定位信息，有效監測大范圍內的森林生物密度。經大量實驗研究表明，樹冠垂直結構與森林生物密度整體呈對數線性關系，在激光雷達中應用光學攝影模式時，可以將激光發射方式與光學攝影方式進行有機結合，在激光雷達的支持下通過樹冠垂直結構估測整個森林生物密度。實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聯，而激光雷達也可以通過高度信息演算確定樹木生長關系。

3.激光雷達在森林資源規劃設計調查中的應用

森林資源規劃設計調查作為一項重要的基礎工作，其調查對象主要面向的是縣級行政區域與森林經營單位，基于小班調查單元，充分滿足林業規劃與管理需要。針對各類林地面積及其權屬、林地種類、林地保護等級等要素進行森林資源規劃設計調查時，通常需要嚴格按照具體的要求和標準，從以下幾方面著手制定技術方案：首先，依托于目視解釋確定林地屬性，并在實地外業調查中逐一排查存疑的圖斑，最后利用激光雷達采集森林樹高、郁閉度等信息。在不同遙感手段支持下，可以實時監測森林內部信息，而激光雷達技術的有效應用，又能保證遙感數據獲取的精度，在提高林區冠層高度、郁閉度以及林區單木的位置高度后，就能有效減輕人工調查的工作負擔，并為森林資源調查的準確性提供基本保障。激光雷達原本就是一項主動遙感技術，這項技術在實際應用中極大地提高了森林參數提取的精確性。

將機載激光雷達與地基激光雷達進行綜合運用，可以精準獲得樹高、胸徑、郁閉度等參數信息。若機載激光雷達無法采集高空信息，則可以通過移動平臺激光雷達獲取三維結構信息，并在點云軟件支持下判別單木類型，進而采集林木位置、株數、胸徑等信息。

4.激光雷達在森林資源規劃設計調查中的數據處理

對某自治區域的森林資源規劃設計調查進行數據處理時，可以借助點云軟件完成以下數據處理工作：第一，點云合并。由于機載雷達數據主要以幅為單位，每一幅的覆蓋面積為1km2。在此基礎上將區域內的點云數據合并，可以有效提高數據處理效率。第二，去噪。由于點云數據中還包含著一部分雜質信息，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，將主體點云外的離散點云去除，進而有效處理測量數據中出現的粗糙毛刺和噪點。第四，建立數字高程模型。對于已經過去噪處理后的點云數據，可以通過插值的方式構建數字高程模型，以此采集地表高度等參數信息。第三，歸一化。將去噪點云數據與高程模型進行有機結合，就能得到歸一化的點云數據，將所有點與數據的值域進行歸一化處理，同時有效提高后續點云數據分析處理工作的效率。第四，生成種子點?；跉w一化的點云數據，對于需要提取的高植被點、林木高度等篩選參數，由于不同參數選擇帶來的結果不同，因此研究小組應根據樣例數據測試出最佳的參數值，同時獲得準確的喬木林種子點數據。第五，單木分割。以種子點數據為載體進行單木分割時，可以獲得相關數據信息。第六，提取郁閉度數據。將種子點數據進行統計分析，就可以確定每一像素值下的郁閉度值，進而得出整個目標區域的郁閉度值。

表1 激光雷達在森林資源規劃設計調查中的數據處理結果

5.激光雷達在森林資源規劃設計調查中應用的優缺點

5.1 優點

機載激光雷達技術的有效應用為高時空分辨率空間信息的獲取提供了技術層面的支持，在森林資源規劃設計調查中，機載激光雷達技術還能直接檢測植被高度。最重要的是，這項技術不僅能檢測出森林垂直結構信息，還能有效彌補其他遙感技術帶來的不足。此外，將激光雷達與其他遙感技術進行有機結合，還能切實提高森林參數獲取的精準性與全面性。

5.2 缺點

盡管激光雷達可以保證植被與林間地貌信息采集的準確性，但這項技術在實際應用過程中仍然存在多個方面的局限性。如數據處理軟件較少、無法專門處理點云數據、數據處理時間較長、費用成本相對較高等。由于激光雷達是以離散采樣的方式采集相關數據信息，一旦樹頂采樣數據出現明顯偏差，就會影響樹高預測的準確性，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。機載激光雷達技術原本就涉及到了測量、遙感、信號處理等多個領域，其本質上屬于多個學科交叉形成的綜合性技術，因此只有充分發揮各個學科相互協調的優勢，才能最大限度地提高機載激光雷達技術的應用水平。

6.結語

目前機載激光雷達技術在森林資源規劃設計調查中已得到了廣泛應用，其還在多個領域下的測量系統中發揮了至關重要的作用。激光雷達技術相比于其他遙感技術，其本質上屬于遙感技術的又一次革新。經大量實驗結果表明，機載激光雷達技術可以保證信息獲取的高效性與實效性，其在傳統航空遙感影像的配合下，將會為森林資源規劃設計調查提供更強有力的支撐。