机载激光雷达技术在森林资源调查中的应用

柳祥来

摘要：指出了机栽激光雷达技术，可以对地面的三维数据进行直接捕捉，在林业数据估计等方面也有其优点，因此，在林业资源的调查中有着较多的运用。基于此，介绍了激光雷达系统的基本工作原理和系统构成，对激光雷达技术在林木蓄积量、获取树高、树林分布密度和生物量等森林数据的获取运用也作了详细分析。

关键词：机栽激光雷达技术;数据;林业

中图分类号：S7 文献标识码：A 文章编号：1674-9944（2019）15-0244-02

1引言

用传感器发出的激光来测量传感器和目标物体之间的距离的主动遥感技术被称作激光雷达技术。通过不同的勘测目标，可以将其分为两类，即对地勘测和对空勘测，对地激光雷达的主要功能就是收集地貌、地质、土地利用率等信息数据，对空激光雷达就是通过向空中投射激光束和接收经空气中漂浮颗粒所反弹回来的回波进行对大气化学和物理性质的检测。对于搭载拍照传感器的载体又进行了分类，机载、车载、定位、星载等四类都属于对地激光雷达的范畴，在这四类中，机载对地激光雷达装置是常见的激光雷达装置。

在20世纪80年代，中期激光雷达技术开始逐渐用于估测森林数据参数，主要通过识别三维坐标信息来定量对森林数据参数进行估测，特别是在估测林木空间结构和估计森林高度这方面有其独有的优点，对于遥感技术来说，激光雷达技术的出现是一个新的突破。经过几十年的发展，激光雷达技术在林业研究方面的技术已逐渐趋于成熟。许多研究机构已经证明了激光雷达技术在森林资源调查中是越来越重要的，对于估测林分特点可以采用激光扫描数据来进行研究，比如胸高端面积，树高和林分蓄积量。

2机载激光雷达系统的构成

机载激光雷达系统主要组成部分分别是全球定位系统、激光扫描系统、监视控制系统和惯性测量装置等。他们共同构成了机载激光雷达系统。其中，机载激光雷达的核心部分便是机载激光雷达的传感器，传感器主要是用来发射测量激光脉冲和接收脉冲因遇到阻碍而反弹回来的回波。为机载激光雷达系统提供定位服务的毫无疑问就是全球定位系统了。惯性测量装置主要运用于监测机载激光雷达系统所在平台的飞行状态。在分析机载激光雷达数据的同时，监视控制系统还为相关操作人员提供必要的实时监控信息，这些信息包含很多内容，其中就包括全球定位系统，惯性测量装置和传感器等各部分的运行状态和飞机平台的飞行轨迹。还有其他类的数字扫描系统装备在一些机载激光雷达系统当中，为了使多光谱数字影像的分辨率达到更高，这些影像为机载激光雷达数据的研究提供了一些信息。

3机载激光雷达系统的工作原理

机载激光雷达系统如果想要测量传感器与被测物体之间的距离d，就需要进行计算，首先测量脉冲由传感器发出至传感器收到由于地面物体反弹回来的脉冲回波所用的时间t，和激光在这段时间里的传播速度c。所以根据公式，d就等于传播速度c与传播时间￡乘积的一半。在采集数据期间，测量脉冲不断地从机载激光雷达系统中发射出来，监控器将测量脉冲对应的回波发生点的三维坐标逐一记录下来，记录下来的三维点集而形成的坐标信息就是机载激光雷达系统提供的勘测成果。机载激光雷达分为两个环节，及发射测量脉冲和接收反弹回来的回波信号。每一束测量脉冲发射出去之后，由于他的覆盖范围内有不同的地物组成，这就对测量造成了影响，会导致反射强度的不同，所以，传感器收到的信号强弱和回波的数量也不同。测量一束脉冲的多个回波数目是许多传感器都有的功能，这种技术被称为单束多回波技术。多回波的机载激光雷达数据对树木稀疏地区的单株立木分析非常有效，因为在树木稀疏的地区时，机载激光雷达传感器所发射出的脉冲在没有遇到障碍的情况下可以直达地面，不同高度的树枝会反弹回波信号，这些回波信号对树冠的层次信息作了一个描述。所以在疏林地区多回波技术非常适用。

4机载激光雷达数据在森林资源中的运用

初期，利用地面反弹回来的回波进行地形图的制作是机载激光雷达的主要作用，而忽视了机载激光雷达在森林资源调查方面的作用。在近年来，机载激光雷达技术在森林资源调查方面的运用才被一些欧洲的林业资源管理专家逐渐运用。机载激光雷达数据通常运用在森林三维结构方面，不过最主要的还是在监测和森林资源调查方面的使用。对于传统的光学遥感技术，如果想要获得林木的三维结构参数需要借助它的辅助信息，否则只能获取二维信息，而对于机载激光雷达数据可以对三维结构参数进行直接获取，使得林木垂直分布数据的估测可以直接通过三维可视化来实现，这种方式对单株木参数的获取十分有效，比如树冠高度，树的高度。

4.1运用机载激光雷达数据测量树高

通过计算来自地面和树冠顶部的激光回波的距离之差就是机载激光雷达系统测量树高的原理。作为反映立地质量和材积的重要数据，关于树高信息的获取是非常有用的。一些研究发现松树林区和草地的机载激光雷达的首回波的平均高度与目标物体的平均高度有很大的联系。但是，激光回波概率在针业树冠顶部非常低，这就造成了一个问题，就是机载激光雷达所勘测出来的树高比真实值要低。一些研究机构对36个林分进行系统的研究。最后取得的结论是现场调查的树高和获取的林分高有着91%的巨大相关。可是实地调研的树高普遍比林分高多出4.1～5.5m，后来又用单株树胸高断面积加权的平均树高，这样计算出来的树高还是比实际的树高高出2.1～3.6m，最后在林分里分布多个相等面积的栅格，把每个栅格中最高的树的高度作为平均树高，最后实际的树高与测量出来的树高之间的误差就缩小到了0.4～1.9m.目前认为，这种方法对估测树高很准确。

4.2测量林分密度

经过识别树冠顶部来获取单位面积内的树木棵树就是林分密度。所以，研究的重点就是树冠的分割。首先要用机载激光雷达数据形成树冠高模型，然后，选择变化的窗口在局部进行最大值的搜索，将高程值中最大的激光点作为树冠顶部。圆形状和矩形状是搜索窗口的主要形状，書的高度影响着窗口大小，树高增大冠幅就增大随之搜索窗口就越大，研究者利用变动的窗口来求局部最大值识别树顶用来估计各样板地的树木株树，最终的结果显示阔叶树样地和松树地的林木株树估测值与实际值的相关系数为0.26，在这里面，等优势树种和优势树种的勘测精度最高。

4.3对林分生物量和蓄积量进行估测

如果要采用机载激光雷达技术对蓄积量和林分生物量进行检测，那么一般采用的方法是用统计分析建立回归模型进行估测，胸径，株树，树高都属于模型参数。所以用机载激光雷达数据精准的勘测胸径，株树，树高是进行生物量和蓄积参数的获取工作必须进行的一个环节。此外，树木的胸径，高度和蓄积量与树木的生长规律有一定的相关关系，激光雷达反演的高度信息进行森林生物量建模的基本依据就是这种树木特别的约束功能。可是树的品种与地理环境与树木的相关生长方程联系很密切，通常由于当地树木生长方程的缺乏，而采取统计回归的方案。研究一般认为机载激光雷达数据可以结合地面调查来勘测林区高科技分辨率的蓄积量以及树高。用局部最大值的方法獲取冠幅和单株木树高是研究中的首要任务，然后通过回归模型对胸高断面积和胸径的计算，在现有的生物量和材积计算公式的基础上对材积和生物量进行分别计算，最后的估测精度比仅用机载激光雷达数据进行测量的要高。

5机载激光雷达技术在森林调查中的应用前景

5.1机载激光雷达技术的局限性

即使机载激光雷达在获取植物信息和林区地貌有一定优势，但它在实际应用还是由一定的局限性，例如理论体系的系统性，数据处理软件和数据资源的匮乏，于其他遥感技术相比，费用较高，而且对于机载激光雷达技术来说，由于采用的是离散采样，所以如果树顶的采样错误就会导致树高估计也会错误。为了避免这一问题，往往需要增大采样密度，飞行高度也要降低，从而导致资金增加。机载激光雷达技术是多个学科交叉在一块的技术，包含了测量，遥感，信号处理等多个学科，如果想要充分发挥它的优势和作用，就必须使各个学科互相协作。

5.2机载激光雷达技术的应用前景

机载激光雷达技术发展前景广阔，在多个领域的新型测量系统中都可以运用，它为获取高时空分辨率的空间信息提供了崭新的方案。在森林资源调查方面，它的优势是可以对植被的高度直接进行测量，获取林区的垂直结构信息，弥补了其它遥感手段的不足。其它遥感数据和机载激光雷达技术融合后可以提供更全面，更准确的森林参数，而且有利于新型的定量遥感技术的发展。

6结语

与其他遥感技术相比，激光雷达技术称得上是遥感技术上的一次革新，运用新技术在森林资源的研究中使得调查更加快捷，准确。随着新技术的广泛运用，未来的森林资源调查会更加准确。