林業(yè)資源調(diào)查中無人機(jī)載激光雷達(dá)技術(shù)的應(yīng)用

魯志峰

（廣東華勝云信息技術(shù)有限公司，廣東 廣州 510000）

20 世紀(jì)80年代起，機(jī)載激光雷達(dá)技術(shù)逐步被應(yīng)用到林業(yè)資源調(diào)查項(xiàng)目中。采用機(jī)載激光雷達(dá)技術(shù)可獲取及識別三維坐標(biāo)信息，實(shí)現(xiàn)對林業(yè)資源數(shù)據(jù)的動態(tài)化估測，尤其是在林分空間結(jié)構(gòu)以及林木高度估測等方面表現(xiàn)出了良好的應(yīng)用優(yōu)勢。經(jīng)過多年發(fā)展，如今將機(jī)載激光雷達(dá)技術(shù)與無人機(jī)技術(shù)相結(jié)合，進(jìn)而發(fā)展出無人機(jī)載激光雷達(dá)技術(shù)，相關(guān)技術(shù)具有操作方便、數(shù)據(jù)獲取簡單等優(yōu)勢，促使機(jī)載激光雷達(dá)技術(shù)在林業(yè)資源數(shù)據(jù)調(diào)查中得到廣泛應(yīng)用。因此，為更為深入確定林業(yè)資源調(diào)查中機(jī)載激光雷達(dá)技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀，以無人機(jī)載激光雷達(dá)技術(shù)為例，指出無人機(jī)載激光雷達(dá)技術(shù)的應(yīng)用優(yōu)勢及不足，并說明未來應(yīng)用前景，以期能夠?yàn)楹罄m(xù)機(jī)載激光雷達(dá)技術(shù)的發(fā)展提供一定參考。

1 無人機(jī)載激光雷達(dá)系統(tǒng)的構(gòu)成及工作原理

1.1 無人機(jī)載激光雷達(dá)系統(tǒng)的構(gòu)成

無人機(jī)載激光雷達(dá)系統(tǒng)主要由無人機(jī)、激光掃描儀、姿態(tài)測量和導(dǎo)航系統(tǒng)、數(shù)碼相機(jī)以及數(shù)據(jù)處理軟件等部分共同構(gòu)成。

無人機(jī)是無人機(jī)載激光雷達(dá)系統(tǒng)實(shí)施激光掃描作業(yè)時(shí)的空間載體和操作平臺，其上可以搭載無人機(jī)載激光雷達(dá)系統(tǒng)所需的各種儀器設(shè)備，并且可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程操作及控制，可有效降低數(shù)據(jù)采集時(shí)的能源損耗，降低林業(yè)資源調(diào)查的整體成本。

通常情況下無人機(jī)載激光雷達(dá)系統(tǒng)所采用的激光掃描儀為數(shù)字化激光掃描儀，其是整個(gè)無人機(jī)載激光雷達(dá)系統(tǒng)的核心所在，可以通過激光掃描來獲取地形地貌等三維空間信息。

姿態(tài)測量和導(dǎo)航系統(tǒng)主要由GPS 接收機(jī)、導(dǎo)航計(jì)算機(jī)、IMU 慣性制導(dǎo)儀等設(shè)備共同組成，其中GPS 接收機(jī)可以采用差分定位技術(shù)來獲取無人機(jī)坐標(biāo)信息；IMU 慣性制導(dǎo)儀則可以獲取無人機(jī)飛行過程中的飛行姿態(tài)，為激光掃描儀激光束發(fā)射角度及數(shù)碼相機(jī)圖像獲取提供角度糾正支持[1]。

為保障無人機(jī)載激光雷達(dá)系統(tǒng)的圖像數(shù)據(jù)采集效果，應(yīng)確保數(shù)碼相機(jī)所獲取的圖像數(shù)據(jù)寬度與激光掃描儀的掃描寬度一致，所獲取的圖像數(shù)據(jù)經(jīng)過糾正、鑲嵌等一系列處理后，成為為林業(yè)資源調(diào)查提供重要數(shù)據(jù)支持的數(shù)字正射影像。

激光掃描儀所獲取的數(shù)據(jù)信息量相對較大，通常需要對相關(guān)數(shù)據(jù)信息進(jìn)行預(yù)處理，此過程中所需軟件為數(shù)據(jù)處理軟件。

1.2 無人機(jī)載激光雷達(dá)系統(tǒng)的工作原理

無人機(jī)載激光雷達(dá)系統(tǒng)在運(yùn)作過程中會通過激光掃描儀主動向探測目標(biāo)發(fā)射高頻率激光脈沖，激光脈沖在照射到地物表面后會發(fā)生折射，進(jìn)而被無人機(jī)載激光雷達(dá)系統(tǒng)接收。此過程中，無人機(jī)載激光雷達(dá)系統(tǒng)可以直接獲取無人機(jī)距離地物表面的距離、坡度以及地物表面的粗糙度、反射率等數(shù)據(jù)信息，相關(guān)數(shù)據(jù)信息在經(jīng)過數(shù)據(jù)處理軟件分析處理后形成點(diǎn)云信息，即高密度三維空間坐標(biāo)信息[2]。在GPS、導(dǎo)航計(jì)算機(jī)、激光掃描儀等系統(tǒng)設(shè)備的支持下，無人機(jī)載激光雷達(dá)系統(tǒng)不僅可以獲取平面坐標(biāo)信息，還可以獲取地物的高程信息，并通過不同視角對相關(guān)三維坐標(biāo)信息進(jìn)行三維顯示和量測，并采用數(shù)據(jù)處理軟件獲取三維坐標(biāo)信息中所表達(dá)的地物表面積、體積等信息。無人機(jī)載激光雷達(dá)系統(tǒng)工作原理如圖1所示。

圖1 無人機(jī)載激光雷達(dá)系統(tǒng)工作原理示意圖

2 林業(yè)資源調(diào)查中無人機(jī)載激光雷達(dá)技術(shù)的具體應(yīng)用

2.1 單木分割

在無人機(jī)載激光雷達(dá)系統(tǒng)所獲取到的點(diǎn)云數(shù)據(jù)足以識別出林分中的單木時(shí)，系統(tǒng)會根據(jù)林木種類的不同，采用不同的單木分割算法，對林分中的激光反射點(diǎn)進(jìn)行有效點(diǎn)云數(shù)據(jù)分割。在完成點(diǎn)云數(shù)據(jù)精準(zhǔn)分割后，采用數(shù)據(jù)分析軟件進(jìn)行分析處理，獲取到林分中單木的樹高、樹冠、胸徑等一系列數(shù)據(jù)信息。現(xiàn)有的單木分割算法大多是以冠層高度模型為基礎(chǔ)，采用分水嶺分割算法，將林分高點(diǎn)視作“山峰”，低點(diǎn)視作“山谷”，通過“水”對“山谷”進(jìn)行填充，隨著“水”填充量的額持續(xù)增加，不同山谷內(nèi)的“水”也將會持續(xù)匯合，在匯合點(diǎn)出設(shè)置屏障，此片屏障便是分割結(jié)果[3]。在完成分割后，對單木進(jìn)行自上而下分析，構(gòu)建三維立體模型，獲取單木的水平分布及垂直分布信息。某林木資源調(diào)查項(xiàng)目通過無人機(jī)載激光雷達(dá)技術(shù)所獲取的數(shù)據(jù)信息如表1所示。

表1 某林木資源調(diào)查項(xiàng)目測量數(shù)據(jù)與實(shí)測數(shù)據(jù)對比表

2.2 樹高估測

采用數(shù)據(jù)處理軟件對激光掃描儀所發(fā)射的高頻脈沖接觸到樹冠頂部和地面反射后所獲取到的高程數(shù)據(jù)差進(jìn)行計(jì)算分析，進(jìn)而獲取到樹木的實(shí)際樹高。樹木樹高作為林業(yè)資源調(diào)查的重要參數(shù)之一，其將會直接影響樹木的質(zhì)量和材積。在實(shí)際樹高測量中，激光雷達(dá)系統(tǒng)所獲取到樹高估測數(shù)據(jù)主要分為樣地水平和單木水平2 種估測數(shù)據(jù)，其中樣地水平估測數(shù)據(jù)還分為直接提取數(shù)據(jù)和間接提取數(shù)據(jù)，直接提取數(shù)據(jù)指通過直接數(shù)據(jù)獲取的方式采集樹冠頂部到地面的相對高度數(shù)據(jù)，間接提取數(shù)據(jù)則是通過構(gòu)建樹木冠層高度數(shù)據(jù)與激光雷達(dá)系統(tǒng)提取變量之間的相互關(guān)系來間接預(yù)估樹木高度數(shù)據(jù)。

2.3 葉面積指數(shù)

葉面積作為樹木冠層結(jié)構(gòu)的基本參數(shù)之一，其通常被定義為單位地面標(biāo)記上所有葉片表面積的一半。在具體測量過程中，激光雷達(dá)系統(tǒng)會通過LAI（多種衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)反演葉面積指數(shù)）反演，即通過激光掃描儀獲取樹木冠層物理常數(shù)信息與實(shí)測LAI 指數(shù)數(shù)據(jù)來構(gòu)建統(tǒng)計(jì)關(guān)系模型，進(jìn)而根據(jù)模型對樹木葉面積指數(shù)進(jìn)行估測計(jì)算。相關(guān)物理數(shù)據(jù)可以間接反映激光掃描儀所獲取點(diǎn)云數(shù)據(jù)在樹木冠層中的分布情況，通常情況下，LAI 指數(shù)與激光掃描儀所發(fā)生激光脈沖在樹木冠層中的穿透和攔截情況有著直接關(guān)聯(lián)，其中穿透指激光穿透指數(shù)，即激光雷達(dá)系統(tǒng)所獲取到的地面點(diǎn)數(shù)量與所有激光點(diǎn)數(shù)量的比值；攔截指激光攔截指數(shù)，即樹木冠層激光點(diǎn)數(shù)量與所有激光點(diǎn)數(shù)量的比值。

2.4 郁閉度估計(jì)

林木郁閉度指林木冠層的垂直投影占林地面積的比值。通常情況下，林木郁閉度是林木資源采伐強(qiáng)度科學(xué)確定的重要指標(biāo)因素，也是當(dāng)前林木資源蓄積量估測的重要指標(biāo)之一。此外，林木郁閉度還可以用于估算林分內(nèi)激光反射數(shù)量與地面反射數(shù)量的比值。例如，當(dāng)林木的郁閉度為100%時(shí)，說明林分內(nèi)樹木極為茂盛，內(nèi)部沒有開拓空間，不利于林下資源的生長；反之則表示林分區(qū)域開拓空間過多，需要繼續(xù)增加林木資源量。從理論角度來看，對激光雷達(dá)系統(tǒng)所獲取到的非地面反射點(diǎn)數(shù)量進(jìn)行分析計(jì)算便可以得到林分中林木郁閉度，但想要保障此結(jié)果的真實(shí)性和有效性，還需要獲取地面反射點(diǎn)數(shù)據(jù)密度分析數(shù)據(jù)。

2.5 林分密度估測

所謂林分密度是通過已識別分析的樹冠頂部數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)估分析后，獲取到的單位面積內(nèi)林木資源總數(shù)，林分密度的獲取核心在于合理進(jìn)行樹冠分割。具體應(yīng)用過程中，激光雷達(dá)系統(tǒng)會根據(jù)識別數(shù)據(jù)形成樹冠高程模型，并以此為基礎(chǔ)合理選擇變化窗口在區(qū)域范圍內(nèi)進(jìn)行最大值求解，將此過程中所獲取到的最大值作為樹冠頂部。常用的選擇變化窗口形狀為圓形狀和矩形狀搜索窗口，相關(guān)窗口的大小主要受樹木高度的影響，樹木越高，則搜索窗口的大小也將會越大，通過合理選擇變化窗口的方式獲取局部最大值，進(jìn)而利用局部最大值預(yù)估區(qū)域范圍樹木總數(shù)，估測出林分密度。

3 林業(yè)資源調(diào)查中無人機(jī)載激光雷達(dá)技術(shù)的應(yīng)用不足及展望

3.1 無人機(jī)載激光雷達(dá)技術(shù)的應(yīng)用不足

結(jié)合當(dāng)前實(shí)際來看，由于現(xiàn)有技術(shù)限制，無人機(jī)載激光雷達(dá)技術(shù)在林業(yè)資源調(diào)查中應(yīng)用時(shí)仍然存在測量精度較低、樣地布設(shè)工作量大、實(shí)際測量成本較高等不足。

通常情況下，采用無人機(jī)載激光雷達(dá)技術(shù)對林木資源進(jìn)行調(diào)查時(shí)，主要采用單株樹法和樣地法2 種方法。采用單株樹法調(diào)查時(shí)，獲取的數(shù)據(jù)及預(yù)測精度較高，但對受主林層遮蔽的下林層樹木的預(yù)測精度卻相對較低，甚至?xí)霈F(xiàn)誤測、漏測等情況，難以真正保障數(shù)據(jù)測量的精準(zhǔn)性和有效性；采用樣地法調(diào)查時(shí)，雖然測量效率相對較高，但預(yù)測精度低于采用單株樹法時(shí)的預(yù)測精度。

為有效提高無人機(jī)載激光雷達(dá)技術(shù)的測量精度，在實(shí)際測量前需在測量區(qū)域內(nèi)設(shè)置多個(gè)樣地，并安排專人對現(xiàn)場進(jìn)行人工數(shù)據(jù)采集，之后根據(jù)采集數(shù)據(jù)擬合預(yù)測模型，編寫數(shù)據(jù)處理程序，進(jìn)而再將編寫后的程序應(yīng)用到具體林業(yè)資源調(diào)查過程中。由此可見，樣地調(diào)查結(jié)果將會直接影響后續(xù)林業(yè)資源調(diào)查結(jié)果，而想要真正保障樣地調(diào)查結(jié)果的有效性，必須加大樣地調(diào)查工作量，促使無人機(jī)載激光雷達(dá)技術(shù)整體工作量大幅度增加。

無人機(jī)載激光雷達(dá)技術(shù)更適用于實(shí)際規(guī)模較大的調(diào)查區(qū)域，由于樣地調(diào)查、模型擬合、程序編寫等諸多因素的影響，無人機(jī)載激光雷達(dá)技術(shù)的前期成本相對較高，若是在小面積調(diào)查區(qū)域使用，其分?jǐn)偝杀緞t會相對較高，而隨著分?jǐn)偯娣e的持續(xù)加大，無人機(jī)載激光雷達(dá)技術(shù)的實(shí)際分?jǐn)偝杀疽矊掷m(xù)減少。

3.2 無人機(jī)載激光雷達(dá)技術(shù)的應(yīng)用前景

利用無人機(jī)載激光雷達(dá)技術(shù)可以為獲取高時(shí)空分辨率的空間信息提供更為有效的技術(shù)方案，此特征促使相關(guān)技術(shù)在諸多領(lǐng)域均有著良好的應(yīng)用前景。其中在林業(yè)資源調(diào)查方面，利用無人機(jī)載激光雷達(dá)技術(shù)可領(lǐng)取垂直結(jié)構(gòu)和水平結(jié)構(gòu)的信息，為林業(yè)資源調(diào)查提供更為全面、有效的數(shù)據(jù)支持，不僅有利于推動林業(yè)資源調(diào)查的進(jìn)一步發(fā)展，還有利于與其他技術(shù)手段相結(jié)合，構(gòu)建出更適用于林業(yè)資源調(diào)查的新型技術(shù)手段。

4 結(jié)束語

隨著無人機(jī)載激光雷達(dá)技術(shù)的快速發(fā)展，如今無人機(jī)載激光雷達(dá)技術(shù)在林業(yè)資源調(diào)查中應(yīng)用時(shí)所采集的地表點(diǎn)密度也在持續(xù)增加，單束激光脈沖所能夠獲取的反射數(shù)量也有所增加，進(jìn)而促使系統(tǒng)可以獲取更多的地表、地物信息。從林業(yè)資源調(diào)查項(xiàng)目實(shí)際需求以及無人機(jī)載激光雷達(dá)技術(shù)的不足來看，在未來無人機(jī)載激光雷達(dá)技術(shù)的激光脈沖發(fā)射頻率和數(shù)據(jù)采集分辨率將會不斷提升，進(jìn)而促使無人機(jī)載激光雷達(dá)技術(shù)可以適用于不同地形、不同種類林木資源調(diào)查過程中。同時(shí)，無人機(jī)載激光雷達(dá)技術(shù)所構(gòu)建出的三維虛擬仿真模型將具有更強(qiáng)的虛擬現(xiàn)實(shí)表達(dá)能力，相關(guān)模型的可靠性也將會進(jìn)一步提升。在相關(guān)特點(diǎn)的支持下，無人機(jī)載激光雷達(dá)技術(shù)在林業(yè)資源調(diào)查中應(yīng)用時(shí)所獲取到的數(shù)據(jù)參數(shù)的精準(zhǔn)性和有效性也會得到提升，最終獲取到更為理想的數(shù)據(jù)成果。