无人机载激光雷达在林业资源调查的应用

吴擢城

摘 要：基于无人机载平台的激光雷达测距技术近年来发展十分迅速，对于山区等复杂地形情况下方便携带和灵活性较强的轻小型LiDAR的一直是研究热点。本文采用中科院光电研究院研制的轻小型无人机载激光雷达系统，并搭载于多旋翼无人机开展的林业资源应用试验，提出了一种适用于复杂地形的林业资源调查解决方案，并进行了单木数据分割、树干株树、树干胸径、树木冠幅重要林业参数的提取，试验数据分析结果充分展示了无人机载激光雷达系统在林业资源调查上的优势，验证了其可靠性。

关键词：林业调查;激光雷达;无人机

长期以来，森林资源小面积精准监测主要是利用围径尺、测高器、皮尺等工具测量树高、胸径、树冠面积等。但是利用传统方法进行森林资源管理和普查费力、费时，而且劳动强度大，由于受各种条件的限制，有时候甚至不能进行。因此，外业调查费时费工。目前遥感技术已大量用于林业资源的管理和普查、动态监测与分析、灾害监测与预报、灾情评估等。但绝大部分遥感传感器只能提供水平分布的详细信息，并不能获得森林垂直结构参数。除此之外，摄影测量在森林地区作业时面临着诸多困难：外业控制困难，加密选点困难，影响匹配困难，立体测图困难。而机载激光雷达技术的出现，正好弥补了上述技术领域和区域的缺陷和不足。

本文采用中国科学院光电研究院研制的轻小型激光雷达系统并基于实测数据，进行了森林激光点云提取、单木数据分割、树木胸径计算、树木冠幅计算方面的应用，证实了其在林业资源调查上的可靠性和优势，为林业资源调查提出了新的思路与方法。

一、设备介绍

在轻小型无人机载激光雷达硬件结构配置上，整体的设备安装到一个无线电遥控的六旋翼无人机上 。无人机全系统重9kg（无人机和激光雷达），最大飞行时间40分钟，折叠后飞机大小：543mm*460mm*558mm。载荷相对于飞行平台是通过结构件链接并通过减震部件独立开的，以此为了消除飞行时产生的高频振动。激光雷达系统由一个激光扫描头和组合导航单元组成。

二、试验介绍

试验地点在中国福建省三明市尤溪县，时间是2017年11月21日-11月28日，无人机及实地采集的激光雷达点经过匹配处理，生成笛卡尔坐标系下的点云，飞行由人工和自主飞行组成，具体作业流程如下：在进入林业样地扫描飞行之前先进行快速直线和“8”字绕行来进行组合导航的校准精度的提高;安装到舵机上的摄像头通过LightBridge2将图像传递给飞手，飞手做完快速直线和“8”字后升高到预定高度，沿航线进行飞行。航线结束后飞出样地做完“8”字绕行和快速直线后返回并降落。

无人机载激光雷达系统可根据不同需求分别进行事后差分和精密单点后处理，此次试验的飞行绝对高度在150-500m（距地面相对高度在50-100m之间），根据林地情况每平方米点密度从70到150不等。为了验证飞行数据的准确性，考虑到在多树木地区样地范围不好确定的问题，对研究区进行了相应的地面调查，主要方法是：

1.增加地面控制点，在离样地不远的空旷处摆设明显地物。

2.架设全站仪，精确测量控制点到试验样地四角点的精确关系，方便在后续的点云数据中精确圈出样地范围。

三、方法

本结将基于无人机载激光雷达系统获取的激光雷达点云数据，并根据林业资源普查经验，对激光雷达点进行了：样地树木株数、树木高度、树木冠幅、树木胸径及蓄积量的计算，讨论以便证明无人机载激光雷达系统对于复杂山地情况下的灵活性和高精度性。本次试验采用Inertial Explorer8.60进行组合导航后处理，并采用Liforest软件和自研软件进行点云数据处理。

四、林业资源应用

在实验区的选取上，本文有针对性的选取了3块试验样地。基于LiForest和自研软件进行信息提取，在去除噪声点和无效点后，进行株数、树木胸径和冠幅的统计，其中，树木的顶点代表样地树木高度、伞柄粗细代表树木胸径、开伞的大小代表树冠的直径。最終数据进行统计，如表1所示。

五、结语

在对样地数据进行统计比对的时候我们可以看出：

1.三块样地在株树的统计上都有较准确的结果，不论是对于树叶较稀疏的1号林地还是对于树木较密集的2号人工林地和3号混交林地。

2.在对三块样地进行树高统计的时候，反演值和实地量测值有1-2m的差值，一方面可能是由于人工量测的时候只是采用简单的三角测量方法，另一方面可能是由于地面落叶较厚，无法量测从地表到树顶的确切高度，实地量测值的精度也有待考察。

3.在进行冠幅统计的时候，激光雷达点云的统计出来的冠幅都要较实地量测值较小，这是由于树木冠幅之间较多重叠导致

4.由于树木胸径上的激光雷达点较少（由于树冠较多遮挡引起），所以本实验采用已有数据的经验模型，即通过树高和冠幅的值来确定胸径，因此，在胸径测量上有较多误差，后续可以通过取多组样本进行训练提高精度。

基于以上林业资源的应用试验，对于多山地的林业资源调查，微小型激光雷达的性能已经得到了很好的验证，中科院光电研究院研制的轻小型激光雷达不仅具有造价便宜、灵活多变等优点，其高精度的地面分辨率和作业效率也验证了轻小型激光雷达在林业资源应用方面的广泛应用前景。

参考文献：

[1]张彦林，冯仲科，杨伯钢，马友平，姚山. LIDAR技术在林业调查中的应用研究[J].林业资源管理，2007，（06）：73-77.

[2]杨伯钢，冯仲科，罗旭，祝晓坤，董明，全明玉，韩光瞬.LIDAR技术在树高测量上的应用与精度分析[J].北京林业大学学报，2007，（S2）：78-81.

[3]王永平.机载LIDAR数据处理及林业三维信息提取研究[D].中国测绘科学研究院，2006.

[4]李旺，牛铮，王成，高帅，冯琦，陈瀚阅.机载LiDAR数据估算样地和单木尺度森林地上生物量[J].遥感学报，2015，19（04）：669-679.