機載激光雷達技術在林業資源調查中的應用

駱生亮

（山西亞太數字遙感新技術有限公司，山西 太原 030006）

0.引言

激光雷達（Light Detection And Ranging,LiDAR）是一項通過由傳感器所發出的激光來測定傳感器與目標物之間距離的主動遙感技術。機載激光雷達具有高精度、高分辨率、高自動化、高效率的優勢，已成為世界各國進行大面積數字地表數據獲取的重要手段。目前機載激光雷達在土地利用、工程建設規劃、城市規劃管理、海洋測量、防災、礦業、農業等方面應用廣泛。20 世紀80 年代中期激光雷達技術開始逐漸用于估測林業數據參數，主要通過識別三維坐標信息來定量對林業數據參數進行估測，特別是在估測林木空間結構和估計林木高度這方面有其獨有的優點。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，采用機載激光雷達數據可以獲取林區地理環境、估測平均樹高、郁閉度、林分密度、生物量和蓄積量等林業參數[1]。

1.機載激光雷達系統組成

機載激光雷達系統由空中測量平臺、數字化激光掃描儀、姿態測量和導航系統、數碼相機、數據處理軟件等組成。

1.1 空中測量平臺

空中測量平臺是航空激光掃描測量系統進行作業的空間載體和操作平臺，主要為直升飛機或其他飛機，用來搭載航空激光掃描測量系統所需要的各種儀器儀表和操作人員。

1.2 數字化激光掃描儀

數字化激光掃描儀是本系統的核心部分，它主要用來測量地物地貌的三維空間坐標信息。

1.3 姿態測量和導航系統

GPS 接收機、IMU 慣性制導儀、導航計算機構成了姿態測量和導航系統。GPS 接收機采用差分定位技術確定平臺的坐標。IMU 慣性制導儀測量航飛平臺的姿態，用于對發射激光束角度的校正以及地面圖像的糾正。

1.4 數碼相機

數碼相機拍攝的航片寬度應該調節到與激光掃描寬度相匹配。航片經過糾正、鑲嵌可形成數字正射影像。

1.5 數據處理軟件

激光掃描系統獲取的數據量龐大，由專業數據處理軟件處理。

2.機載激光雷達系統原理

機載激光雷達的工作方式和原理，即激光測距系統向探測目標主動發射高頻率的激光脈沖，直接獲取地物表面的距離、坡度、粗糙度和反射率等信息，經過處理生成高密度的三維空間坐標，即點云（如圖1 所示）。激光點云數據的每個點不僅具有x、y 平面坐標信息，還具有高程信息，即z 值，同時還可從不同視角對這些點云進行三維顯示、量測，計算點云所表達目標的表面積、體積等[2]。

圖1 LIDAR 系統原理示意圖

3.機載激光雷達技術在林業中的應用

目前遙感技術已大量用于林業資源的管理和普查、動態監測與分析、災害監測與預報、災情評估等。但絕大部分遙感傳感器只能提供水平分布信息，并不能獲得森林垂直結構參數。除此之外，傳統遙感技術在森林地區作業時面臨著諸多困難：外業控制困難，加密選點困難，影像匹配困難，立體測圖困難。而機載激光雷達技術的出現，正好彌補了上述技術領域和區域的缺陷和不足。

3.1 單木分割

當點云密度足以識別單木時，應用不同的單木分割算法對森林回波點進行分割，一旦準確分割后，可以獲取樹高、樹冠尺寸、樹冠基部高、斷面積、胸徑、立木蓄積和生物量等[3]。大部分單木分割算法都是基于冠層高度模型（CHM）。冠層高度模型（CHM）使用分水嶺分割算法，自下而上查看，CHM 的高點處可以看成山峰，低點處可以看成山谷，如果用水填充，不同山谷的水將開始匯合，為了避免這種情況，在水匯合的地方建立屏障，這些屏障將決定分割的結果（如圖2 所示）。CHM是激光雷達數據在林業中應用的一個重要模型，它是一個表達植被距離地面高度的表面模型，能夠提供冠層的水平和垂直分布情況。

圖2 CHM 分割示意圖

3.2 LiDAR 數據估測平均樹高

機載激光雷達估測樹高的基本原理是計算激光回波來自樹冠頂部和地面的距離差。樹高是反映材積和立地質量的重要參數，因此，樹高信息的提取具有十分重要的意義[4]。機載激光雷達估測樹高分為樣地水平和單木水平。單木水平樹高估測首先進行單木分割；樣地水平樹高估測分為直接提取和間接提取，直接提取是測量地面至樹頂的高度，間接提取是通過建立冠層高度與機載激光雷達提取的預測變量之間的相關關系來間接估測冠層高度[5]。使用LiDAR360 激光數據處理軟件機載林業—高度變量工具，生成林區高度變量統計表（如圖3、圖4 所示）：

圖3 LiDAR360 高度變量計算示意圖

圖4 LiDAR360 高度變量統計示意圖

3.3 LiDAR 數據估測葉面積指數（LAI）

葉面積指數是表征植被冠層結構最基本的參量之一，它的定義為單位地表面積上所有葉片表面積的一半。目前利用激光雷達數據進行LAI 反演主要是利用提取的冠層物理參數與實測的LAI 數據構建統計關系模型進行估測。這些物理參數間接地反映了激光點云在冠層中的分布，而LAI 激光在冠層中的穿透和攔截有關。激光穿透指數（地面點數目與所有點數目的比值，LPI）與激光攔截指數（一般指樹冠層激光點數目與所有點數目的比值）較多地應用在激光雷達數據反演森林LAI 中。使用LiDAR360 激光數據處理軟件機載林業—葉面積指數工具，計算林區葉面積指數（如圖5所示）：

圖5 LiDAR360 葉面積指數計算示意圖

3.4 LiDAR 數據估測郁閉度

郁閉度是林分冠層的垂直投影占林地面積的百分比，在森林經營管理中，郁閉度是確定撫育采伐強度的重要指標，也是進行森林蓄積量估測不可或缺的因子。郁閉度的估測還可以直接計算林分內植被回波數和地面回波數的百分比，100%則表示林分內樹冠密集，沒有開闊空間，反之則表示完全是開闊地。理論上通過計算非地面點的回波即可得到一定林分內的樹冠郁閉度，要得到地面回波需要進行點密度分析。Dickie 用ARC／INFO 生成地面點／非地面點比值密度柵格圖像，通過點密度柵格單元建立地面點密度增加和樹冠郁閉度減小之間的聯系，從而獲取樹冠郁閉度信息。使用LiDAR360 激光數據處理軟件機載林業—郁閉度計算工具，計算林區郁閉度（如圖6 所示）：

圖6 LiDAR360 郁閉度計算示意圖

3.5 LiDAR 數據估測林分密度

經過識別樹冠頂部來獲取單位面積內的樹木棵數就是林分密度。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，樹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，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數，從而估測各樣板地林分密度。

4.LiDAR 數據在林業中應用存在問題

4.1 測量精度不高

用激光雷達調查森林立木蓄積，有兩種方法，一種是單株樹法，這個方法好比X 光能把人的骨頭架子透視出來一樣，對主林層的樹木預測很精準，但對受到遮蔽的下林層樹木，會存在漏測和誤測的問題；另一種方法是樣地法，這種方法效率高，缺點是對主林層立木蓄積的預測精度不如單株樹法。

4.2 布設樣地工作量大

為提高估測精度必須在飛行區內設置一些樣地，進行人工調查，再據此擬合統計預測模型并編寫運算程序。因此，激光雷達調查的精確性，終歸還是取決于抽樣調查方案以及樣地實測。所以，樣地調查的質量是關鍵。樣地調查工作量巨大。

4.3 成本高

機載激光雷達的調查成本高，如果是第一次并且小面積地使用激光雷達技術，成本比較昂貴。調查區的規模越大，單位面積的均攤成本越低。

5.結束語

隨著LiDAR 傳感器的不斷進步，采集地表點密度的逐步提高，單束激光可接收回波數目的增多，LiDAR數據將提供更為豐富的地表和地物信息。就光斑大小和間隔而言，脈沖發射頻率和分辨率將會繼續提高，更加適應不同類型的地形。利用LiDAR 數據構建的三維虛擬現實系統將具有更為理想的現實模擬表達能力，其可靠程度也進一步提高。在此基礎之上進行更為精細的林地參數分析，如樹高、郁閉度、林分密度、生物量和蓄積量等，并對其做進一步地研究和應用將可獲得更為理想的結果[6]。