應(ying)用(yong)背景

　　森林(lin)資源(yuan)調查作為(wei)掌握森林(lin)資源(yuan)現狀和發展變化的主要(yao)手段，對可持續森林(lin)資源(yuan)的經營管理(li)與保護具有(you)重要(yao)意義。

　　傳統(tong)的(de)森林調(diao)(diao)查(cha)(cha)技術較(jiao)(jiao)為落(luo)后和粗放，調(diao)(diao)查(cha)(cha)人員需(xu)要深入森林腹地，勞動(dong)強度高并伴隨著不可預(yu)見的(de)危險性。森林參數獲取依賴(lai)外業人員野外抽樣(yang)實地測(ce)量，所用手段僅限于手持式測(ce)高儀、胸(xiong)徑(jing)尺(chi)、卷尺(chi)等較(jiao)(jiao)為原(yuan)始的(de)測(ce)量儀器，不僅費時費力而且只能獲取到小范(fan)圍林區(qu)信(xin)息，調(diao)(diao)查(cha)(cha)范(fan)圍不全面(mian)。

　　遙感技術的飛速發展為實現高效和大面積(ji)森(sen)林(lin)資(zi)源調查帶來(lai)希望，但受制于光學遙感影像(xiang)無法“穿透”林(lin)冠而獲(huo)取森(sen)林(lin)垂直結構信息(xi)的現實，能夠得(de)到的有(you)效林(lin)分參數有(you)限。

應用方向(xiang)

　　激光雷達技(ji)術有(you)(you)著區別于傳統(tong)光學遙感嚴重(zhong)依賴太陽等外部光源的(de)特點(dian)，它通(tong)過(guo)自身主動發射激光束探(tan)測目標而擁有(you)(you)全天候(hou)作業的(de)能力。有(you)(you)了多回(hui)波技(ji)術的(de)加持，激光雷達發射的(de)脈沖激光束可透(tou)過(guo)林(lin)(lin)間隙抵達林(lin)(lin)木樹(shu)干甚至(zhi)于地面，獲(huo)取(qu)其三(san)維點(dian)云數據(ju)，從而完整(zheng)地得到森(sen)林(lin)(lin)垂直結構信息，最(zui)終實現樹(shu)高、胸徑(jing)、蓄積量(liang)等林(lin)(lin)木參數信息的(de)提取(qu)。

　　目前，對于大面積森林資源調查監測，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、樹高、胸徑、郁閉度等基礎林分參數的提取以及林分蓄積量的估算。

　　01、林分(fen)株數

　　株數即給定區域內林木的(de)數量信息，是描(miao)述(shu)林分密度(du)的(de)重要指(zhi)標。株數提取算法為基(ji)于點(dian)云數據生產的(de)冠層高(gao)度(du)模型（CHM）進(jin)行局域極大值(zhi)探測。經過對CHM進(jin)行遍歷得到窗口內的(de)最(zui)大值(zhi)，就(jiu)可得到樹冠頂點(dian)，從而得到株數信息。

　　CHM立體示意(yi)圖

基(ji)于CHM提取林木株(zhu)數示意圖

　　02、林分樹高

　　林(lin)分樹(shu)(shu)高在反映樹(shu)(shu)木生長狀態的(de)同時，也是估算森林(lin)蓄積量(liang)的(de)一個重(zhong)要參數。激光雷(lei)達(da)技術不僅(jin)能夠獲取林(lin)區冠層點云(yun)，也可(ke)以獲得林(lin)冠下(xia)的(de)地形點云(yun)。基于二者處(chu)理得到的(de)CHM，利用(yong)樹(shu)(shu)冠頂點即(ji)可(ke)提(ti)取得到單木樹(shu)(shu)高參數。

　　基于CHM提取(qu)林分樹(shu)高示(shi)意圖

　　03、林木胸(xiong)徑

　　林木胸(xiong)徑是評價林木生長狀況的重(zhong)要參(can)數之一。

　　人工測量(liang)(liang)方法(fa)為(wei)(wei)使用胸徑(jing)(jing)尺量(liang)(liang)取距離樹(shu)木(mu)(mu)(mu)(mu)根部1.3m處(chu)的(de)樹(shu)木(mu)(mu)(mu)(mu)直徑(jing)(jing)作(zuo)為(wei)(wei)胸徑(jing)(jing)參數。基于地面或SLAM型(xing)激(ji)光雷達點(dian)云(yun)(yun)數據(ju)提取樹(shu)木(mu)(mu)(mu)(mu)胸徑(jing)(jing)信息的(de)方法(fa)為(wei)(wei)Hough擬(ni)合圓(yuan)法(fa)，該法(fa)具體操作(zuo)為(wei)(wei)對樹(shu)木(mu)(mu)(mu)(mu)進行單木(mu)(mu)(mu)(mu)點(dian)云(yun)(yun)分割，在(zai)此基礎上截取1.3m胸徑(jing)(jing)高處(chu)的(de)點(dian)云(yun)(yun)數據(ju)生成(cheng)對應的(de)二維(wei)柵(zha)格圖像，隨(sui)后以Hough變換擬(ni)合圓(yuan)算(suan)法(fa)進行圓(yuan)形擬(ni)合，得到的(de)圓(yuan)形直徑(jing)(jing)可視為(wei)(wei)樹(shu)木(mu)(mu)(mu)(mu)胸徑(jing)(jing)。

　　截取(qu)1.3m處(chu)胸徑高處(chu)點云(yun)數據示意圖

　　基于(yu)圓形擬合獲得(de)胸徑(jing)參(can)數(shu)原理示意圖(tu)

　　04、林分郁閉度(du)

　　郁閉(bi)度是林木(mu)生長狀況的宏觀(guan)反映，是決(jue)定(ding)采伐(fa)強度的關鍵性(xing)因素。郁閉(bi)度是林木(mu)冠幅投影與(yu)林地面(mian)積的百分比。

　　傳統(tong)遙感(gan)手(shou)段需采(cai)用(yong)復雜的(de)(de)圖像處(chu)理算(suan)法對正射影像（DOM）進行林木冠(guan)幅(fu)(fu)分割，之后統(tong)計冠(guan)幅(fu)(fu)與林地面積的(de)(de)比值(zhi)計算(suan)郁閉度。基于多回波(bo)技(ji)術的(de)(de)激(ji)光雷達(da)則通過直接統(tong)計首次(ci)回波(bo)的(de)(de)植(zhi)被點(dian)數與首次(ci)回波(bo)總點(dian)數的(de)(de)比值(zhi)得到郁閉度，簡單且高效。

　　基于多回波(bo)技術提取林(lin)分郁閉度示(shi)意圖

激光(guang)雷達優勢

　　激光雷達在森林資源調查與(yu)監測(ce)中優勢明顯：

　　01、作業效率高，滿足大面積森林資源調查之需求

　　以海達數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。此外，得益于1500米長測距，不僅無懼高落差的山地地形，單次作業覆蓋面積大，調查作業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(da)作業半(ban)徑可(ke)達(da)30km，在(zai)航(hang)線規劃完畢后無(wu)需人工干預即可(ke)自動(dong)執行任務(wu)。作業人員無(wu)須深入林區，從(cong)而(er)確保人員調查安全，避免(mian)意外情況(kuang)發生。

　　03、森林資源調查的成果種類豐富

　　除(chu)了(le)常規遙(yao)感手段(duan)能夠(gou)獲(huo)取的(de)(de)林(lin)分數量、冠幅、郁閉(bi)度等常規參(can)(can)數外，激光(guang)雷達技術還可進行樹(shu)高、胸徑參(can)(can)數的(de)(de)直接(jie)獲(huo)取以及林(lin)分蓄積量等的(de)(de)精準估算，為森林(lin)資源調查提(ti)供更加準確而(er)全面的(de)(de)參(can)(can)數信息。

　　04、數據客觀準確，具有可回溯性

　　人工依賴現場抽(chou)樣調(diao)查(cha)，調(diao)查(cha)范圍、對(dui)象的(de)選(xuan)取往(wang)(wang)往(wang)(wang)具有隨(sui)機性(xing)和主觀性(xing)且調(diao)查(cha)活動只(zhi)能(neng)(neng)進行一次，不具備(bei)可回(hui)溯(su)性(xing)，這就可能(neng)(neng)導致(zhi)調(diao)查(cha)結果的(de)客觀性(xing)和準確性(xing)難以得到保障。

　　基于激(ji)光雷達技術，一(yi)方面可得(de)到(dao)覆蓋(gai)整個范(fan)圍的林木(mu)點云(yun)數據，另一(yi)方面可基于點云(yun)數據處理算法實現(xian)范(fan)圍內整體(ti)林分參(can)數的自動化提(ti)取。

　　此外，通過機載(zai)、地(di)面、SLAM等多源激光雷(lei)達數(shu)(shu)據的(de)(de)融合處理甚(shen)至(zhi)能(neng)夠滿足(zu)要求更加詳細的(de)(de)單(dan)木級林(lin)分參數(shu)(shu)提取。激光雷(lei)達技術提取林(lin)分參數(shu)(shu)具有(you)無可比擬(ni)的(de)(de)客觀性和有(you)效性。