基于背包式激光雷达的林木胸径和树高提取

赵 琦，李 震，陈丽华，刘志斌，汤雷吼，杨洪武，杨桂贤，罗天啸，谭 俊，刘中袭

(1. 广西壮族自治区森林资源与生态环境监测中心，广西 南宁 530000； 2. 广西壮族自治区国有派阳山林场，广西 崇左 532500)

森林生态系统是重要的生态系统，物质资源丰富，在涵养水源、保持水土、维持生态平衡方面具有重要的作用[1]。激光雷达通过传感器发出的激光来测量传感器与目标物之间的距离，探测目标的位置、特性等。随着激光雷达技术的发展，其在林业调查中发挥了越来越重要的作用[1-6]。根据遥感平台不同，激光雷达可划分为星载、机载、车载、地基、背包式[7]。背包式激光雷达新型、便携，具有易操作、查看简单方便、效率高等优点。

目前对背包式雷达的研究较少。本文通过利用其提取广西派阳山林场7个样地林木的胸径、树高，与实测值进行对比研究，以丰富其在林业调查中的应用实践。

1 研究地区概况和数据获取

1.1 研究区概况

派阳山林场位于广西壮族自治区西南部宁明县境内，地处东经106°30′～107°34′，北纬21°46′～22°3′之间。林场以低山为主，有部分丘陵和中山。属北热带季风气候区，日照充足，热量充沛，夏长冬短，干湿季节明显。场内土壤有赤红壤、黄红壤、紫色土共3个土类。区域内地带性植被为季节性雨林。经近60年森林采伐——人工造林，场内现有森林植被中，人工林占77%，天然林只占23%。由于人为活动干扰极大，少见原生性植被遗存，绝大部分已为次生性植被代替。人工植被以马尾松林、桉树林和八角林为主，有少量的杉木林、湿地松林、荷木林、火力楠林、肉桂林、米老排林、红锥林等。

1.2 数据获取

本次实验在派阳山林场设置7个样地，对样地内的林木进行编号并进行每木检尺，分别测量样木胸径、树高及样地坡度。单木的起测胸径为5 cm；对胸径采用胸径尺进行测量，树高用激光测高器测量，坡度用坡度计进行测量。以具有标志的样木为起点，记录各样地样木的相对位置。样地基本情况见表1。

表1 样地基本情况

数据采集使用的设备为北京数据绿土有限公司研发的LiBackpack 50背包式激光雷达。本次数据采集时间为2020年9月4日，共利用激光雷达扫描7个样地。样地1、2、3树木比较稀疏，采用图1所示的扫描路径；样地4、5、6、7树木比较密集，采用图2所示的扫描路径。

图1 样地扫描路线1示意

图2 样地扫描路线2示意

2 数据处理

2.1 数据预处理

采用的数据处理软件为LiDAR 360。在扫描获得的点云数据中，行走路线轨迹清晰可见。扫描时，方形样地的4个角点分别站立4个人，可在点云数据中看到人形。根据行走轨迹和4个人形对点云数据进行裁剪，裁剪完成后进行去噪、地面点滤波、地面点归一化，根据样木的相对位置与点云数据进行比对匹配。

2.2 胸径树高提取

进行TLS种子点编辑，批量提取胸径。批量提取后的胸径并不精准。进行单木筛选、绘制剖面区域。对胸径拟合结果进行编辑与检查。进行单木分割，提取树高。分割完成后再次对种子点进行检查和编辑。

2.3 精度评价

1)决定系数(R2)

R2越大，则因变量与自变量之间的相关性越强，这是对回归直线拟合优度的检验。计算公式为：

(1)

2)实测值和提取值之间的均方根差(RMSE)

RMSE越小，表明预测值的效果越好。计算公式为：

(2)

式中：RMSE为均方根误差；wi为提取单木对应的实测单木胸径、树高；Wi为提取胸径；n为提取的样木数。

3 结果与分析

3.1 单木识别结果

7个样地的实测株数、背包式激光雷达识别到的株数，过检、漏检株数及检测率见表2所示。

从表2中可见，因1、2、3、5号样地杂灌少，通视条件较好，检测率较高， 4、6、7号样地林下灌木杂草较多，通视条件较差。林下通视条件差造成一些林木无法识别，检测率较低。

表2 各样地单木识别结果

3.2 胸径提取结果

采用背包式激光雷达提取的样木胸径与实测胸径的回归关系如图3所示。样地相关性大小排序为1号>3号>2号>5号>6号>4号>7号。1号样地为针阔混交林，密度较小，杂灌较少，坡度较小，通视条件好，因此激光雷达胸径提取值和实测值相关性最高。2号、3号、5号为桉树过熟林经过人工抚育，杂灌少，通视条件好，提取胸径和实测胸径相关性较高，R2=0.966。4号、6号、7号样地坡度大，密度较大，树枝树干之间存在遮挡，林下通视条件较差，杂灌多，胸径提取值和实测值相关性较低。

图3 样木胸径提取值与实测值回归分析

3.3 树高提取结果

分析结果表明，树高提取值和实测值相关性为1号>2号>3号>5号>6号>4号>7号。1号样地干形规则，密度较小，树冠之间遮挡角小，因此相关性较高。2号、3号样地为桉树过熟林、5号样地为桉树近熟林，干性都较为规则，且经过抚育，杂灌较少，通视条件好，树高提取和实测值相关性较高。4号、6号、7号样地密度较大、通视条件较差，树冠与树冠之间存在遮挡，树高提取值和实测值相关性较低(图4)。

图4 样木树高提取值与实测值回归分析

3.4 实测蓄积和提取蓄积对比

经分析，各样地样木蓄积激光雷达提取值与实测值对比如表3所示。

从表3可以看出，样地1号、2号、3号、5号因杂灌少、通视条件较好，样地提取的样木总蓄积和实测总蓄积较为接近；4号、6号、7号样地因杂灌较多，通视条件较差，样地提取的样木总蓄积和实测总蓄积相对差异较大。

表3 实测蓄积与提取蓄积对比

4 结果与讨论

1)在干形规则、杂灌较少、通视条件好的样地，单木识别精度较高；幼树较多，密度较大，林下通视条件差时识别精度较低。

2)经过抚育，杂灌少、通视条件好的样地，胸径提取值与实测值的相关性较高。密度大、树冠之间、冠叶之间相互遮挡的样地提取树高和实测树高的相关性相对较低。

3)树冠之间、冠叶之间相互遮挡，影响扫描，各个样地提取的单木树高总体上小于实测树高，树高提取值和实测值的相关性相对低于胸径提取值和实测值的相关性。

4)背包式激光雷达提取的总蓄积和实测总蓄积之间的差值小于10%，说明采用激光雷达有助于对森林蓄积量的调查。