告別危險作業，鐳射雷達讓森林資源調查更安全高效

應用背景

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

傳統的森林調查技術較為落後和粗放，調查人員需要深入森林腹地，勞動強度高並伴隨著不可預見的危險性。森林引數獲取依賴外業人員野外抽樣實地測量，所用手段僅限於手持式測高儀、胸徑尺、捲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範圍林區資訊，調查範圍不全面。

遙感技術的飛速發展為實現高效和大面積森林資源調查帶來希望，但受制於光學遙感影像無法“穿透”林冠而獲取森林垂直結構資訊的現實，能夠得到的有效林分引數有限。

應用方向

鐳射雷達技術有著區別於傳統光學遙感嚴重依賴太陽等外部光源的特點，它透過自身主動發射鐳射束探測目標而擁有全天候作業的能力。有了多回波技術的加持，鐳射雷達發射的脈衝鐳射束可透過林間隙抵達林木樹幹甚至於地面，獲取其三維點雲資料，從而完整地得到森林垂直結構資訊，最終實現樹高、胸徑、蓄積量等林木引數資訊的提取。

目前，對於大面積森林資源調查監測，主要以機載鐳射雷達形式為主，輔以地面和SLAM型

三維鐳射掃描器

。鐳射雷達技術主要應用於株數、樹高、胸徑、鬱閉度等基礎林分引數的提取以及林分蓄積量的估算。

01、林分株數

株數即給定區域內林木的數量資訊，是描述林分密度的重要指標。株數提取演算法為基於點雲資料生產的冠層高度模型（CHM）進行局域極大值探測。經過對CHM進行遍歷得到視窗內的最大值，就可得到樹冠頂點，從而得到株數資訊。

CHM立體示意圖

基於CHM提取林木株數示意圖

02、林分樹高

林分樹高在反映樹木生長狀態的同時，也是估算森林蓄積量的一個重要引數。鐳射雷達技術不僅能夠獲取林區冠層點雲，也可以獲得林冠下的地形點雲。基於二者處理得到的CHM，利用樹冠頂點即可提取得到單木樹高參數。

基於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引數之一。

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引數。基於地面或SLAM型鐳射雷達點雲資料提取樹木胸徑資訊的方法為Hough擬合圓法，該法具體操作為對樹木進行單木點雲分割，在此基礎上擷取1。3m胸徑高處的點雲資料生成對應的二維柵格影象，隨後以Hough變換擬合圓演算法進行圓形擬合，得到的圓形直徑可視為樹木胸徑。

擷取1。3m處胸徑高處點雲資料示意圖

基於圓形擬合獲得胸徑引數原理示意圖

04、林分鬱閉度

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

傳統遙感手段需採用複雜的影象處理演算法對正射影像（DOM）進行林木冠幅分割，之後統計冠幅與林地面積的比值計算鬱閉度。基於多回波技術的鐳射雷達則透過直接統計首次回波的植被點數與首次回波總點數的比值得到鬱閉度，簡單且高效。

基於多回波技術提取林分鬱閉度示意圖

鐳射雷達優勢

鐳射雷達在森林資源調查與監測中優勢明顯：

01、作業效率高，滿足大面積森林資源調查之需求

以海達數雲

機載鐳射雷達智喙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、樹幹、地表等全面的三維資訊，以便於精確地提取林分引數。此外，得益於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機載鐳射雷達作業半徑可達30km，在航線規劃完畢後無需人工干預即可自動執行任務。作業人員無須深入林區，從而確保人員調查安全，避免意外情況發生。

03、森林資源調查的成果種類豐富

除了常規遙感手段能夠獲取的林分數量、冠幅、鬱閉度等常規引數外，鐳射雷達技術還可進行樹高、胸徑引數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引數資訊。

04、資料客觀準確，具有可回溯性

人工依賴現場抽樣調查，調查範圍、物件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。

基於鐳射雷達技術，一方面可得到覆蓋整個範圍的林木點雲資料，另一方面可基於點雲資料處理演算法實現範圍內整體林分引數的自動化提取。

此外，透過機載、地面、SLAM等多源鐳射雷達資料的融合處理甚至能夠滿足要求更加詳細的單木級林分引數提取。鐳射雷達技術提取林分引數具有無可比擬的客觀性和有效性。