應用背景

　　森林資源調查作為掌握森林資源現(xiàn)狀和發(fā)展變化的主要手段，對可持續(xù)森林資源的經營管理與保護具有重要意義。

　　傳統(tǒng)的森林調查技術較為落后和粗放，調查人員需要深入森林腹地，勞動強度高并伴隨著不可預見的危險性。森林參數(shù)獲取依賴外業(yè)人員野外抽樣實地測量，所用手段僅限于手持式測高儀、胸徑尺、卷尺等較為原始的測量儀器，不僅費時費力而且只能獲取到小范圍林區(qū)信息，調查范圍不全面。

　　遙感技術的飛速發(fā)展為實現(xiàn)高效和大面積森林資源調查帶來希望，但受制于光學遙感影像無法“穿透”林冠而獲取森林垂直結構信息的現(xiàn)實，能夠得到的有效林分參數(shù)有限。

應用方向

　　激光雷達技術有著區(qū)別于傳統(tǒng)光學遙感嚴重依賴太陽等外部光源的特點，它通過自身主動發(fā)射激光束探測目標而擁有全天候作業(yè)的能力。有了多回波技術的加持，激光雷達發(fā)射的脈沖激光束可透過林間隙抵達林木樹干甚至于地面，獲取其三維點云數(shù)據(jù)，從而完整地得到森林垂直結構信息，最終實現(xiàn)樹高、胸徑、蓄積量等林木參數(shù)信息的提取。

　　目前，對于大面積森林資源調查監(jiān)測，主要以機載激光雷達形式為主，輔以地面和SLAM型三維激光掃描儀。激光雷達技術主要應用于株數(shù)、樹高、胸徑、郁閉度等基礎林分參數(shù)的提取以及林分蓄積量的估算。

　　01、林分株數(shù)

　　株數(shù)即給定區(qū)域內林木的數(shù)量信息，是描述林分密度的重要指標。株數(shù)提取算法為基于點云數(shù)據(jù)生產的冠層高度模型（CHM）進行局域極大值探測。經過對CHM進行遍歷得到窗口內的最大值，就可得到樹冠頂點，從而得到株數(shù)信息。

　　CHM立體示意圖

基于CHM提取林木株數(shù)示意圖

　　02、林分樹高

　　林分樹高在反映樹木生長狀態(tài)的同時，也是估算森林蓄積量的一個重要參數(shù)。激光雷達技術不僅能夠獲取林區(qū)冠層點云，也可以獲得林冠下的地形點云。基于二者處理得到的CHM，利用樹冠頂點即可提取得到單木樹高參數(shù)。

　　基于CHM提取林分樹高示意圖

　　03、林木胸徑

　　林木胸徑是評價林木生長狀況的重要參數(shù)之一。

　　人工測量方法為使用胸徑尺量取距離樹木根部1.3m處的樹木直徑作為胸徑參數(shù)。基于地面或SLAM型激光雷達點云數(shù)據(jù)提取樹木胸徑信息的方法為Hough擬合圓法，該法具體操作為對樹木進行單木點云分割，在此基礎上截取1.3m胸徑高處的點云數(shù)據(jù)生成對應的二維柵格圖像，隨后以Hough變換擬合圓算法進行圓形擬合，得到的圓形直徑可視為樹木胸徑。

　　截取1.3m處胸徑高處點云數(shù)據(jù)示意圖

　　基于圓形擬合獲得胸徑參數(shù)原理示意圖

　　04、林分郁閉度

　　郁閉度是林木生長狀況的宏觀反映，是決定采伐強度的關鍵性因素。郁閉度是林木冠幅投影與林地面積的百分比。

　　傳統(tǒng)遙感手段需采用復雜的圖像處理算法對正射影像（DOM）進行林木冠幅分割，之后統(tǒng)計冠幅與林地面積的比值計算郁閉度。基于多回波技術的激光雷達則通過直接統(tǒng)計首次回波的植被點數(shù)與首次回波總點數(shù)的比值得到郁閉度，簡單且高效。

　　基于多回波技術提取林分郁閉度示意圖

激光雷達優(yōu)勢

　　激光雷達在森林資源調查與監(jiān)測中優(yōu)勢明顯：

　　01、作業(yè)效率高，滿足大面積森林資源調查之需求

　　以海達數(shù)云機載激光雷達智喙PM-1500為例，其擁有四次回波，高達200萬點/秒的掃描速度，可有效獲取樹枝、樹干、地表等全面的三維信息，以便于精確地提取林分參數(shù)。此外，得益于1500米長測距，不僅無懼高落差的山地地形，單次作業(yè)覆蓋面積大，調查作業(yè)效率也得到極大的提高。

　　02、人工干預少，人員安全

　　智喙PM-1500機載激光雷達作業(yè)半徑可達30km，在航線規(guī)劃完畢后無需人工干預即可自動執(zhí)行任務。作業(yè)人員無須深入林區(qū)，從而確保人員調查安全，避免意外情況發(fā)生。

　　03、森林資源調查的成果種類豐富

　　除了常規(guī)遙感手段能夠獲取的林分數(shù)量、冠幅、郁閉度等常規(guī)參數(shù)外，激光雷達技術還可進行樹高、胸徑參數(shù)的直接獲取以及林分蓄積量等的精準估算，為森林資源調查提供更加準確而全面的參數(shù)信息。

　　04、數(shù)據(jù)客觀準確，具有可回溯性

　　人工依賴現(xiàn)場抽樣調查，調查范圍、對象的選取往往具有隨機性和主觀性且調查活動只能進行一次，不具備可回溯性，這就可能導致調查結果的客觀性和準確性難以得到保障。

　　基于激光雷達技術，一方面可得到覆蓋整個范圍的林木點云數(shù)據(jù)，另一方面可基于點云數(shù)據(jù)處理算法實現(xiàn)范圍內整體林分參數(shù)的自動化提取。

　　此外，通過機載、地面、SLAM等多源激光雷達數(shù)據(jù)的融合處理甚至能夠滿足要求更加詳細的單木級林分參數(shù)提取。激光雷達技術提取林分參數(shù)具有無可比擬的客觀性和有效性。