現(xiàn)代化森林資源調(diào)查技術探究

鐘廣紅

摘 要 森林資源調(diào)查對于森林資源管理具有重要意義，傳統(tǒng)調(diào)查方法主要依賴人工現(xiàn)場調(diào)查，存在效率低、人工成本高等劣勢?；诖?，介紹了森林資源調(diào)查的主要內(nèi)容和目前先進的調(diào)查手段，著重討論了地基激光雷達調(diào)查技術和無人機航測技術，以期為相關調(diào)查實踐提供一定理論指導。

關鍵詞 森林資源;調(diào)查技術;地基激光雷達調(diào)查技術;無人機航測技術

中圖分類號：F326.2 文獻標志碼：B DOI：10.19415/j.cnki.1673-890x.2019.27.038

1 森林資源調(diào)查

森林資源的有效管理是人類持續(xù)發(fā)展的基礎，而森林資源調(diào)查的目的是宏觀掌握森林現(xiàn)狀和動態(tài)，以便于更科學合理地管理。森林資源以林木、林地以及生長在林區(qū)范圍內(nèi)的動植物及其環(huán)境條件為主，因此以上對象都是森林資源調(diào)查的重點。森林資源的調(diào)查原則是從小見大，最基礎的調(diào)查是樹種組成，然后測量分布面積，進而分析林分大小、營林狀況、蓄積量、年齡、生物多樣性、森林健康、采伐設施、土壤等。從調(diào)查手段角度來說，傳統(tǒng)的調(diào)查技術手段主要是對實際樣地進行抽樣調(diào)查，采用的調(diào)查工具有測高器、皮尺、胸徑尺和羅盤儀等。隨著科學技術和計算機技術的發(fā)展，傳統(tǒng)調(diào)查技術逐漸被淘汰，跨學科綜合技術手段在林業(yè)調(diào)查中的應用日益廣泛，如衛(wèi)星遙感、電子經(jīng)緯儀、機載孔徑雷達和無人機等。

2 現(xiàn)代化森林資源調(diào)查技術

2.1 地基激光雷達森林資源調(diào)查技術

2.1.1 地基激光雷達技術

森林資源調(diào)查對調(diào)查技術的要求是不產(chǎn)生破壞性和準確獲取信息，而地基激光雷達（Terrestrial Laser Scanning，簡稱TLS）能夠充分滿足這一要求。它通過高分辨率冠層測量技術有效穿透森林，在對森林資源不產(chǎn)生任何損害的情況下準確獲取研究區(qū)域內(nèi)點云數(shù)據(jù)，通過不同區(qū)域內(nèi)點數(shù)據(jù)構(gòu)成森林資源科學研究的大數(shù)據(jù)信息，完全彌補了傳統(tǒng)調(diào)查方法的弊端，省時省力，又能減少工作量，而且通過精確測量技術有效避免了人為測量的誤差。

2.1.2 單木參數(shù)提取

TLS在森林資源調(diào)查中的優(yōu)勢是能夠精確提取單木參數(shù)和林分參數(shù)，如表1中的各項指標。但TLS也存在一定的局限性，例如在森林資源的調(diào)查過程中不能直接獲取樹齡、樹種、樹木材質(zhì)等非結(jié)構(gòu)性參數(shù)，需要結(jié)合其他調(diào)查手段和方法才能形成系統(tǒng)的調(diào)查體系。

TLS探測單木的方法可分為二維層搜索方法、測距圖像聚類法和點云處理方法，其中，點云處理屬于微觀層面，按照點與點之間的幾何關系識別樹干;二維層搜索方法是通過點云切片來識別樹干;測距圖像聚類法是對測量圖像進行分組，能夠準確將三位轉(zhuǎn)換到二維，再通過點云切片進行分析統(tǒng)計。

2.1.3 林分結(jié)構(gòu)研究

林分結(jié)構(gòu)分析是森林資源動態(tài)調(diào)查中非常重要的部分。傳統(tǒng)的調(diào)查在林分冠層測量與分析中誤差較大，而TLS能夠準確獲得3D點云數(shù)據(jù)，準確分析冠層結(jié)構(gòu)。TLS在森林資源調(diào)查過程中受林況和地形影響較大，會在一定程度上影響參數(shù)獲取的準確性，也缺乏深層次的研究。有研究表明，在森林資源調(diào)查中多站拼接獲得的數(shù)據(jù)明顯高于單站，因為多站拼接方式避免了地形和資源分布的特殊性，能夠更加客觀全面地對森林資源進行動態(tài)分析。也有學者在數(shù)據(jù)調(diào)查中發(fā)現(xiàn)，隨著株數(shù)密度的增加，TLS單站探測率降低，在株數(shù)密度小于1 000株/hm2的稀疏林中探測率約為80%，在株數(shù)密度大于1 000株/hm2的密林中探測率為70%左右，而對于TLS多站掃描拼接探測率則在62%～100%[1]。

地基激光雷達技術進行森林調(diào)查與監(jiān)測研究時所提取各項參數(shù)的精度如表2所示。地基激光雷達不僅能夠從地面獲取樹冠結(jié)構(gòu)、生物量、立木材積等單木參數(shù)，而且其憑借較強的抗干擾能力和較高的分辨率已逐步取代傳統(tǒng)光學的森林監(jiān)測方法。從表2中參數(shù)精確度分析，TLS對單木位置和胸徑的獲取精確度較高，樹冠葉分布和葉片含水量參數(shù)獲取的精確度不是十分理想，需要借助其他手段獲取更精確的數(shù)據(jù)。在林分參數(shù)獲取方面，葉面積指數(shù)精確度更高。從研究內(nèi)容分析，TLS在參數(shù)獲取中應從簡單到復雜，從樹高、胸徑、冠幅、位置等單木參數(shù)的提取逐漸發(fā)展到郁閉度、葉面積指數(shù)、立木材積、地上生物量等林分結(jié)構(gòu)參數(shù)方面的研究。

2.2 無人機航測技術

樊仲謀等[2]對南方林業(yè)采育場分別進行了樣地調(diào)查和無人機航測飛行試驗，測量測樹因子提取與預估模型建立的方法。大體步驟如下。1）無人機系統(tǒng)參數(shù)。采用飛馬智能航測系統(tǒng)F1000，索尼α5100數(shù)碼相機，傳感器尺寸為23.5 mm×15.6 mm，有效像素為2 430萬，Arcgis10.1軟件。2） 運行及后處理參數(shù)。于2016年7月24日上午9：00開始飛行，按照10cm分辨率，航向重疊度80%，旁向重疊度70%的要求設計10條航線，飛行時間30min，覆蓋面積5.41 km2。使用pix4d軟件進行像片畸變校正、自動空三處理、連接點與控制點校正、外方位元素計算和平差處理。使用Arcgis10.1的測量工具測量樹冠南北和東西邊緣之間的距離，并計算其平均值;考慮郁閉度較大，樣地中地面點坐標不足，采用克里格插值方法獲得其數(shù)字高程模型，繼而通過樹冠中心高度和數(shù)字高程模型獲取其近似樹高;對樹高和冠幅各提取4次，取其算術平均值以減少因觀測和軟件操作帶來的誤差。

無人機森林樣地調(diào)查法通過無人機獲取地面影像數(shù)據(jù)生成數(shù)字表面模型和數(shù)字正射影像進行調(diào)查，主要獲取冠幅、樹高、面積、株數(shù)、密度和郁閉度等地面影像數(shù)據(jù)，精確度較高，樹高平均相對誤差為4.0%，誤差最大值為0.9 m，而相對誤差最大值為0.5 m，相對誤差為7.6%;冠幅平均相對誤差為4.9%，誤差最大值為0.5 m，相對誤差最大值為0.3 m，相對誤差為9.1%，滿足森林調(diào)查要求。無人機森林樣地調(diào)查的優(yōu)勢是可以反復多次進行，對森林資源不會產(chǎn)生任何不良影響，而且調(diào)查范圍比較廣泛，調(diào)查能力和調(diào)查效率遠優(yōu)于傳統(tǒng)森林資源調(diào)查法[3-4]。

3 結(jié)語

隨著科學技術和計算機技術的發(fā)展，傳統(tǒng)森林資源調(diào)查手段也在不斷更新。地基激光雷達技術和無人機航測技術等先進調(diào)查手段不僅監(jiān)測精度能滿足林業(yè)調(diào)查的需求，而且具備數(shù)字化、可重復分析利用等優(yōu)勢。雖然這些現(xiàn)代化調(diào)查手段在實際應用中還存在一些問題，但未來隨著技術的發(fā)展和儀器設備的更新，會有更多的學者參與到研究中，對森林資源調(diào)查手段進行更深層次的探索，促使現(xiàn)代化森林資源調(diào)查手段在森林資源調(diào)查中發(fā)揮較大潛力。

參考文獻：

[1] 魏芬娟，陳崇成，葉曉燕，等.森林資源調(diào)查與督查的移動GIS研發(fā)及應用[J/OL].計算機工程與應用：1-11[2019-05-03]（2019-08-10）.http：//kns.cnki.net/kcms/detail/11.2127.TP.20190416.1717.012.html.

[2] 樊仲謀，周成軍，周新年，等.無人機航測技術在森林資源調(diào)查中的應用[J].森林與環(huán)境學報，2018，38（3）：297-301.

[3] 晏穎杰，范少輝，官鳳英.地基激光雷達技術在森林調(diào)查中的應用研究進展[J].世界林業(yè)研究，2018，31（4）：42-47.

[4] 夏明鵬，官鳳英，范少輝，等.TLS技術在森林資源調(diào)查中的應用現(xiàn)狀與展望[J].西北林學院學報，2018，33（3）：238-244.

（責任編輯：趙中正）