激光雷達技術在森林資源監測中的研究進展

韋復國，邱世平

(1.崇左市林業科學研究所，廣西 崇左 532200；2.廣西南寧林業勘測設計院，廣西 南寧 530001)

森林資源是生態系統中的重要組成部分，同時也是國家的重要資源之一。森林資源監測對生態環境平衡及改善有著較大的幫助。傳統的森林資源監測依靠人力實地測量，由于森林面積龐大和在森林中涉足的面積有限，導致對森林資源的監測始終無法達到理想的監測程度，尤其是對一些巖溶和地形復雜的森林資源進行監測更難。隨著激光雷達技術的不斷發展，人們將此技術應用在森林資源監測中，為森林資源監測提供了便利的條件[1]。

激光雷達技術是應用傳感器向目標物體發出激光來測量傳感器到目標物體之間距離的遙感技術，具有分辨能力強、精準度高、抗體干擾能力強等優勢，因此可以應用于地表探測，收集森林中的地貌、地質、森林面積等數據信息[2]。20世紀80年代，激光雷達技術已經逐漸地應用到森林資源監測工作中，用于探測森林資源的各類數據參數，通過遙感圖像對森林參數進行定位估測，并應用三維坐標來確定森林的空間高度，經過幾十年來的發展，激光雷達技術在的森林資源探測方面已經有了較為成熟的發展與突破[3]。

本文對激光雷達在森林資源監測方面的成就進行展望與分析，并從中尋找出需要改進的地方，以便能進行更加深入的研究。

1 激光雷達技術在森林資源監測中的運用前景

1.1 激光雷達技術在森林資源監測方面的局限性

激光雷達技術雖然在森林資源監測方面為工作人員提供了大量數據信息，但是其仍然具有一定的缺陷。激光雷達技術在進行數據收集時會占用感應器的大部分運行空間，導致森林信息數據處理緩慢經常出現卡頓現象，并且應用激光雷達技術的成本高昂，相對于其他的森林監測方案費用將大大提升。激光雷達技術一般主要采用小光斑激光進行森林數據采樣，過程中常會出現遺漏樹冠的情況，導致獲取的采樣數據出現低估樹木高度的問題，所以在小光斑激光進行采樣后會應用大光斑激光進行采樣[4]。大光斑激光的掃描范圍廣，不容易遺漏森林中的樹冠，所獲取的森林采集數據能夠與小光斑激光所收集到的數據進行互補，但是若同時采用2種技術對森林進行采樣將會付出額外的大量經費，并且會浪費雙倍的采集時間，所以需要對這種激光雷達技術進行完善[5]。

根據目前的科技水平，激光雷達在進行森林數據采樣過程中會出現雷達數據缺少現象，激光雷達的激光器在運行過程中發出的高壓脈沖波會占用一部分激光發射器的通道，由于我國的激光發射器運行系統受到一定的技術限制，所以激光雷達能夠應用的激光數據常常出現供應不足的現象[6]。激光雷達進行森林監測中所發出的高壓脈沖波形圖見圖1。

圖1 激光雷達在進行森林監測中所發出的高壓脈沖波形圖

1.2 激光雷達技術在森林資源監測方面的前景

激光雷達能夠直接對森林的整體結構高度進行測量，這是其他遙感技術難以實現的，激光雷達可以相應地智能化測量森林的部分數據，減少人工對監測工作方面的資源投入[7]。激光具有精準性好、傳播速度快的特點，應用激光技術能及時報告森林中的狀況，在雷達中可以通過圖像記憶數據的方式體現出來，方便對森林資源進行分析。激光雷達雖然能夠提供比較精準的森林資源數據，但是無法大量地對森林資源進行監測，若與其他遙感技術相結合，彌補數據數量方面的問題，那么激光雷達技術將會在森林監測方面有更加深入的發展，還會基于遙感技術上有更深層次的突破[8]。激光雷達技術在森林資源監測中的遙感圖見圖2。

對森林進行大面積的數據采集，收集森林的結構高度、地形地貌、森林內部的垂直分布以及水平分布等，有利于更好地管理與利用森林資源，為建設良好的生態環境提供至關重要的參數，同時激光雷達技術也在近年的森林資源監測發展中表現良好，具備一定的發展前景[9]。

圖2 激光雷達技術在森林資源監測中的遙感圖

1.3 激光雷達技術在森林資源監測方面研究進展

在20世紀60年代初期，激光雷達技術開始運用于森林資源監測，主要對森林的基本數據進行預測，通過識別內容采用激光掃描對森林胸高斷面積和植被高度以及森林密度進行預測研究；20世紀90年代，科研人員已經能夠應用激光雷達相對準確地對森林資源進行監測，但是遙感圖像的清晰度還沒有進一步的突破；目前激光雷達已經能夠比較精準地以高清晰度形式來監測森林資源，科技人員正在對數字化控制激光雷達技術進行研究，激光雷達的數字化和智能化以及統計化將是未來的發展趨勢。

2 激光雷達技術在森林資源監測方面的成果

2.1 植物資源方面的監測成果

激光雷達在森林資源方面的監測主要有森林的整體結構高度、植被的具體高度及森林中植被的占有密度[10]。

當激光雷達采用大光斑激光時，適合進行森林結構高度的信息數據采集，激光發射器所發出的波形在能量閾值內上下波動，雷達中的能源控制器會一定間隔地進行能量數據記錄，隨后雷達中便會有數據轉換裝置將能源記錄器所記錄的數據轉換為相應的森林高度，根據激光發射的物理原理可知初始信號是森林冠層頂部到雷達傳感器的距離，而回波最終點是森林地面的著位點，根據此原理森林冠層收到雷達激光的信號后產生信號回訪波動，隨后回訪波的峰值被傳感器記錄，計算差值即為森林的結構高度，巖溶等復雜地形地貌會對激光的信號峰值產生影響，所以在計算森林高度的同時需要考慮到是否減去地面層次不齊的高度或寬度[11]。激光雷達在森林結構高度監測中的應用見圖3。

圖3 激光雷達監測森林結構高度

大光斑激光雷達直接將森林冠層的信號到傳感器的信號傳達到雷達系統中，將森林信號轉換為數字信號并進行記錄，所記錄的數據經過雷達智能篩選，只保存了樹木的樹冠高度以及地面監測點位置，雷達系統所記錄的樹冠部分包含樹干、枝葉、果實的垂直平面映射圖[12]。森林與傳感器之間的脈沖波形關系較好地體現了樹冠在垂直平面占有的面積，根據占有面積的比例可以通過手繪分析重新建立森林的垂直結構，為樹木的垂直結構分析創造了良好的條件[13]。

美國科研技術人員曾利用SJD脈沖波形完整地描述了樹木的垂直結構，并模擬了陽光在森林中的投射情況，將樹木的垂直結構進行截取分析，將森林垂直結構平面研究提升了一個新的層次[14]。隨著樹木的成長，樹冠的結構也會發生變化，成年樹木的樹冠垂直結構具有間隙大、結構雜等特點，從整體結構來看具有一定的勻稱型，激光雷達所發出的激光便根據樹木的這一特點對樹木的激光信號分析產生敏感的反應機制[15]。

2.2 生物密度方面的監測成果

對于生物密度方面的監測激光雷達一般應用小光斑系統，通過小光斑激光對森林中植被脈沖波數量和地面脈沖波數量的比值進行計算，并結合小光斑激光在森林中植被脈沖波與地面脈沖波所占有的面積進行比值計算[16]。2種比值均需要以脈沖在森林植被和地面的反射率作為最終的輸出對象，再與其他必要脈沖信息相結合，依靠光學遙感數據所提供的準確定位信息來監測較大范圍的森林生物密度[17]。激光雷達應用小光斑激光脈沖手段進行的監測見圖4。

圖4 小光斑激光脈沖監測

英國科學家曾應用光學攝影的方式測算了森林中的光學密度，發現樹冠的垂直結構與森林中的生物密度存在一定的聯系[18]。經過大量的實驗數據表明，樹冠的垂直結構與森林中的生物密度呈對數線性關系，將光學攝影的方式應用在激光雷達技術中，使激光的發射方式與光學攝影的方式相結合，可實現激光雷達通過精準的樹冠垂直結構測量估測整體森林生物密度[19]。由于樹木會隨著時間的變化而生長，但是樹木都具有一定的生長規律，在一定的時間范圍內樹木的高度、寬度以及樹冠剖面都與森林中的生物密度存在著一定的關系，樹木的生長關系也可被激光雷達技術通過高度信息演算出來[20]。樹木的生長周期見圖5。

圖5 樹木生長周期

2.3 其他方面的監測成果

通常溫帶氣候的森林植被葉面積較為均衡，不具備寒冷地帶的針狀林以及熱帶地區的大葉林，不需要采用獨特的激光檢測技術，常規的激光檢測便能對森林資源的葉面積進行良好的監測。Cao Minglan等[21]分別對森林中的垂直結構不同區域的葉面積進行采集，并通過數據計算出葉面積指數關系。由于Feng Litian等[22]所應用的雷達激光較強，有一定的穿透力，科技人員應用這一特點對森林資源中的地表進行穿透性監測，能夠監測森林中的土壤覆蓋程度以及地表水資源的儲備量。

3 激光雷達技術在森林資源監測方面的完善與改進

在應用普通激光雷達技術對森林資源進行監測時，會受到雷達運行空間不足、費用高昂、監測數據量有限等問題的制約，亟需提出一些有效的解決方法。

激光雷達在工作運行的過程中是可以進行移動的，因此可以將激光雷達系統以機載的方式體現出來，構成一套機載激光雷達系統[23]。在機載系統中增加激光掃描裝置、監視控制裝置、空間運行擴容等[24]。機載激光雷達具有一定的靈動性，能夠較全面地對森林中的各個方位進行監測[25]。在機載激光雷達中還增加了空間運行擴容，主要是為了解決激光雷達運行空間不足的問題，減少人工對雷達系統的信息數據提取次數[26]。由于擴容的質量較大會對機載續航能力產生一定的影響，因此所選用的擴容具備自給能力，應用的機載激光雷達在森林資源監測的過程中所增加的硬件設施與機載激光雷達相互結合，形成一套費用低、監測數據量大、運行空間充足的機載體系。

激光雷達中的激光掃描技術需要配合一些關鍵技術作為支撐才能實現放射激光脈沖波[27]，這一技術需要昂貴的費用來支撐[28]。在激光雷達系統中引用韋存存研究的激光二極管作為發射激光脈沖的介質[29]。在激光發射器的反映下激活激光二極管的發射流程促使激光雷達發射精準的激光脈沖，減少部分關鍵技術及監測成本[30]。本文引用的激光二極管結構見圖6。

4 激光雷達技術在森林資源監測中面臨的挑戰與研究熱點

與其他的技術相比較，應用激光雷達技術進行森林資源監測是在遙感技術監測方面的一大改革，可讓森林資源研究變得更方便準確。隨著高新科學技術的發展，激光雷達技術在森林監測方面還有著更深層次的提升潛力。近年來激光雷達對森林資源監測的分辨率一直處于高清狀態，對于一些森林細節資源無法進行精準的識別。目前各國科研人員正致力于高分辨率的遙感技術，將森林監測圖像變得更加清晰，提升可觀性，爭取將雷達檢測結果的分辨率達到 1 800 p，同時我國也正在研究高分辨率激光雷達遙感數據的應用范圍，針對激光雷達所提供的真實性數據分析其數據特征，研制開發新一代的軟件系統，為實現智能化激光雷達技術對森林監測夯實了一定的基礎。研究熱點趨勢分析見圖7。

圖6 激光二極管結構

圖7 研究熱點趨勢分析

圖7中的智能化環節為提升雷達圖分辨率的一大難點，目前的科技手段已經能夠通過手動調節對圖像清晰度進行控制，但進行智能化還需依靠芯片的硬件支撐，當前的科技手段還無法達到此領域。

5 結語

隨著生態環境問題的日益凸顯，人們對森林資源的重視程度也越來越高，森林資源在整個生態環境中扮演著不可或缺的角色，對其進行合理的監測是維持森林生態平衡的有效途徑之一，應用激光雷達技術對森林環境資源進行監測已比較成熟并取得了較好的成效，但仍有一些缺陷需要改進，本文首先對激光雷達取得的成就進行分析與肯定，同時針對一些不可避免的問題提出相應的改進措施。