激光雷達技術(shù)在森林資源監(jiān)測中的研究進展

韋復(fù)國，邱世平

(1.崇左市林業(yè)科學(xué)研究所，廣西 崇左 532200；2.廣西南寧林業(yè)勘測設(shè)計院，廣西 南寧 530001)

森林資源是生態(tài)系統(tǒng)中的重要組成部分，同時也是國家的重要資源之一。森林資源監(jiān)測對生態(tài)環(huán)境平衡及改善有著較大的幫助。傳統(tǒng)的森林資源監(jiān)測依靠人力實地測量，由于森林面積龐大和在森林中涉足的面積有限，導(dǎo)致對森林資源的監(jiān)測始終無法達到理想的監(jiān)測程度，尤其是對一些巖溶和地形復(fù)雜的森林資源進行監(jiān)測更難。隨著激光雷達技術(shù)的不斷發(fā)展，人們將此技術(shù)應(yīng)用在森林資源監(jiān)測中，為森林資源監(jiān)測提供了便利的條件[1]。

激光雷達技術(shù)是應(yīng)用傳感器向目標(biāo)物體發(fā)出激光來測量傳感器到目標(biāo)物體之間距離的遙感技術(shù)，具有分辨能力強、精準(zhǔn)度高、抗體干擾能力強等優(yōu)勢，因此可以應(yīng)用于地表探測，收集森林中的地貌、地質(zhì)、森林面積等數(shù)據(jù)信息[2]。20世紀80年代，激光雷達技術(shù)已經(jīng)逐漸地應(yīng)用到森林資源監(jiān)測工作中，用于探測森林資源的各類數(shù)據(jù)參數(shù)，通過遙感圖像對森林參數(shù)進行定位估測，并應(yīng)用三維坐標(biāo)來確定森林的空間高度，經(jīng)過幾十年來的發(fā)展，激光雷達技術(shù)在的森林資源探測方面已經(jīng)有了較為成熟的發(fā)展與突破[3]。

本文對激光雷達在森林資源監(jiān)測方面的成就進行展望與分析，并從中尋找出需要改進的地方，以便能進行更加深入的研究。

1 激光雷達技術(shù)在森林資源監(jiān)測中的運用前景

1.1 激光雷達技術(shù)在森林資源監(jiān)測方面的局限性

激光雷達技術(shù)雖然在森林資源監(jiān)測方面為工作人員提供了大量數(shù)據(jù)信息，但是其仍然具有一定的缺陷。激光雷達技術(shù)在進行數(shù)據(jù)收集時會占用感應(yīng)器的大部分運行空間，導(dǎo)致森林信息數(shù)據(jù)處理緩慢經(jīng)常出現(xiàn)卡頓現(xiàn)象，并且應(yīng)用激光雷達技術(shù)的成本高昂，相對于其他的森林監(jiān)測方案費用將大大提升。激光雷達技術(shù)一般主要采用小光斑激光進行森林數(shù)據(jù)采樣，過程中常會出現(xiàn)遺漏樹冠的情況，導(dǎo)致獲取的采樣數(shù)據(jù)出現(xiàn)低估樹木高度的問題，所以在小光斑激光進行采樣后會應(yīng)用大光斑激光進行采樣[4]。大光斑激光的掃描范圍廣，不容易遺漏森林中的樹冠，所獲取的森林采集數(shù)據(jù)能夠與小光斑激光所收集到的數(shù)據(jù)進行互補，但是若同時采用2種技術(shù)對森林進行采樣將會付出額外的大量經(jīng)費，并且會浪費雙倍的采集時間，所以需要對這種激光雷達技術(shù)進行完善[5]。

根據(jù)目前的科技水平，激光雷達在進行森林數(shù)據(jù)采樣過程中會出現(xiàn)雷達數(shù)據(jù)缺少現(xiàn)象，激光雷達的激光器在運行過程中發(fā)出的高壓脈沖波會占用一部分激光發(fā)射器的通道，由于我國的激光發(fā)射器運行系統(tǒng)受到一定的技術(shù)限制，所以激光雷達能夠應(yīng)用的激光數(shù)據(jù)常常出現(xiàn)供應(yīng)不足的現(xiàn)象[6]。激光雷達進行森林監(jiān)測中所發(fā)出的高壓脈沖波形圖見圖1。

圖1 激光雷達在進行森林監(jiān)測中所發(fā)出的高壓脈沖波形圖

1.2 激光雷達技術(shù)在森林資源監(jiān)測方面的前景

激光雷達能夠直接對森林的整體結(jié)構(gòu)高度進行測量，這是其他遙感技術(shù)難以實現(xiàn)的，激光雷達可以相應(yīng)地智能化測量森林的部分數(shù)據(jù)，減少人工對監(jiān)測工作方面的資源投入[7]。激光具有精準(zhǔn)性好、傳播速度快的特點，應(yīng)用激光技術(shù)能及時報告森林中的狀況，在雷達中可以通過圖像記憶數(shù)據(jù)的方式體現(xiàn)出來，方便對森林資源進行分析。激光雷達雖然能夠提供比較精準(zhǔn)的森林資源數(shù)據(jù)，但是無法大量地對森林資源進行監(jiān)測，若與其他遙感技術(shù)相結(jié)合，彌補數(shù)據(jù)數(shù)量方面的問題，那么激光雷達技術(shù)將會在森林監(jiān)測方面有更加深入的發(fā)展，還會基于遙感技術(shù)上有更深層次的突破[8]。激光雷達技術(shù)在森林資源監(jiān)測中的遙感圖見圖2。

對森林進行大面積的數(shù)據(jù)采集，收集森林的結(jié)構(gòu)高度、地形地貌、森林內(nèi)部的垂直分布以及水平分布等，有利于更好地管理與利用森林資源，為建設(shè)良好的生態(tài)環(huán)境提供至關(guān)重要的參數(shù)，同時激光雷達技術(shù)也在近年的森林資源監(jiān)測發(fā)展中表現(xiàn)良好，具備一定的發(fā)展前景[9]。

圖2 激光雷達技術(shù)在森林資源監(jiān)測中的遙感圖

1.3 激光雷達技術(shù)在森林資源監(jiān)測方面研究進展

在20世紀60年代初期，激光雷達技術(shù)開始運用于森林資源監(jiān)測，主要對森林的基本數(shù)據(jù)進行預(yù)測，通過識別內(nèi)容采用激光掃描對森林胸高斷面積和植被高度以及森林密度進行預(yù)測研究；20世紀90年代，科研人員已經(jīng)能夠應(yīng)用激光雷達相對準(zhǔn)確地對森林資源進行監(jiān)測，但是遙感圖像的清晰度還沒有進一步的突破；目前激光雷達已經(jīng)能夠比較精準(zhǔn)地以高清晰度形式來監(jiān)測森林資源，科技人員正在對數(shù)字化控制激光雷達技術(shù)進行研究，激光雷達的數(shù)字化和智能化以及統(tǒng)計化將是未來的發(fā)展趨勢。

2 激光雷達技術(shù)在森林資源監(jiān)測方面的成果

2.1 植物資源方面的監(jiān)測成果

激光雷達在森林資源方面的監(jiān)測主要有森林的整體結(jié)構(gòu)高度、植被的具體高度及森林中植被的占有密度[10]。

當(dāng)激光雷達采用大光斑激光時，適合進行森林結(jié)構(gòu)高度的信息數(shù)據(jù)采集，激光發(fā)射器所發(fā)出的波形在能量閾值內(nèi)上下波動，雷達中的能源控制器會一定間隔地進行能量數(shù)據(jù)記錄，隨后雷達中便會有數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換裝置將能源記錄器所記錄的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的森林高度，根據(jù)激光發(fā)射的物理原理可知初始信號是森林冠層頂部到雷達傳感器的距離，而回波最終點是森林地面的著位點，根據(jù)此原理森林冠層收到雷達激光的信號后產(chǎn)生信號回訪波動，隨后回訪波的峰值被傳感器記錄，計算差值即為森林的結(jié)構(gòu)高度，巖溶等復(fù)雜地形地貌會對激光的信號峰值產(chǎn)生影響，所以在計算森林高度的同時需要考慮到是否減去地面層次不齊的高度或?qū)挾萚11]。激光雷達在森林結(jié)構(gòu)高度監(jiān)測中的應(yīng)用見圖3。

圖3 激光雷達監(jiān)測森林結(jié)構(gòu)高度

大光斑激光雷達直接將森林冠層的信號到傳感器的信號傳達到雷達系統(tǒng)中，將森林信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號并進行記錄，所記錄的數(shù)據(jù)經(jīng)過雷達智能篩選，只保存了樹木的樹冠高度以及地面監(jiān)測點位置，雷達系統(tǒng)所記錄的樹冠部分包含樹干、枝葉、果實的垂直平面映射圖[12]。森林與傳感器之間的脈沖波形關(guān)系較好地體現(xiàn)了樹冠在垂直平面占有的面積，根據(jù)占有面積的比例可以通過手繪分析重新建立森林的垂直結(jié)構(gòu)，為樹木的垂直結(jié)構(gòu)分析創(chuàng)造了良好的條件[13]。

美國科研技術(shù)人員曾利用SJD脈沖波形完整地描述了樹木的垂直結(jié)構(gòu)，并模擬了陽光在森林中的投射情況，將樹木的垂直結(jié)構(gòu)進行截取分析，將森林垂直結(jié)構(gòu)平面研究提升了一個新的層次[14]。隨著樹木的成長，樹冠的結(jié)構(gòu)也會發(fā)生變化，成年樹木的樹冠垂直結(jié)構(gòu)具有間隙大、結(jié)構(gòu)雜等特點，從整體結(jié)構(gòu)來看具有一定的勻稱型，激光雷達所發(fā)出的激光便根據(jù)樹木的這一特點對樹木的激光信號分析產(chǎn)生敏感的反應(yīng)機制[15]。

2.2 生物密度方面的監(jiān)測成果

對于生物密度方面的監(jiān)測激光雷達一般應(yīng)用小光斑系統(tǒng)，通過小光斑激光對森林中植被脈沖波數(shù)量和地面脈沖波數(shù)量的比值進行計算，并結(jié)合小光斑激光在森林中植被脈沖波與地面脈沖波所占有的面積進行比值計算[16]。2種比值均需要以脈沖在森林植被和地面的反射率作為最終的輸出對象，再與其他必要脈沖信息相結(jié)合，依靠光學(xué)遙感數(shù)據(jù)所提供的準(zhǔn)確定位信息來監(jiān)測較大范圍的森林生物密度[17]。激光雷達應(yīng)用小光斑激光脈沖手段進行的監(jiān)測見圖4。

圖4 小光斑激光脈沖監(jiān)測

英國科學(xué)家曾應(yīng)用光學(xué)攝影的方式測算了森林中的光學(xué)密度，發(fā)現(xiàn)樹冠的垂直結(jié)構(gòu)與森林中的生物密度存在一定的聯(lián)系[18]。經(jīng)過大量的實驗數(shù)據(jù)表明，樹冠的垂直結(jié)構(gòu)與森林中的生物密度呈對數(shù)線性關(guān)系，將光學(xué)攝影的方式應(yīng)用在激光雷達技術(shù)中，使激光的發(fā)射方式與光學(xué)攝影的方式相結(jié)合，可實現(xiàn)激光雷達通過精準(zhǔn)的樹冠垂直結(jié)構(gòu)測量估測整體森林生物密度[19]。由于樹木會隨著時間的變化而生長，但是樹木都具有一定的生長規(guī)律，在一定的時間范圍內(nèi)樹木的高度、寬度以及樹冠剖面都與森林中的生物密度存在著一定的關(guān)系，樹木的生長關(guān)系也可被激光雷達技術(shù)通過高度信息演算出來[20]。樹木的生長周期見圖5。

圖5 樹木生長周期

2.3 其他方面的監(jiān)測成果

通常溫帶氣候的森林植被葉面積較為均衡，不具備寒冷地帶的針狀林以及熱帶地區(qū)的大葉林，不需要采用獨特的激光檢測技術(shù)，常規(guī)的激光檢測便能對森林資源的葉面積進行良好的監(jiān)測。Cao Minglan等[21]分別對森林中的垂直結(jié)構(gòu)不同區(qū)域的葉面積進行采集，并通過數(shù)據(jù)計算出葉面積指數(shù)關(guān)系。由于Feng Litian等[22]所應(yīng)用的雷達激光較強，有一定的穿透力，科技人員應(yīng)用這一特點對森林資源中的地表進行穿透性監(jiān)測，能夠監(jiān)測森林中的土壤覆蓋程度以及地表水資源的儲備量。

3 激光雷達技術(shù)在森林資源監(jiān)測方面的完善與改進

在應(yīng)用普通激光雷達技術(shù)對森林資源進行監(jiān)測時，會受到雷達運行空間不足、費用高昂、監(jiān)測數(shù)據(jù)量有限等問題的制約，亟需提出一些有效的解決方法。

激光雷達在工作運行的過程中是可以進行移動的，因此可以將激光雷達系統(tǒng)以機載的方式體現(xiàn)出來，構(gòu)成一套機載激光雷達系統(tǒng)[23]。在機載系統(tǒng)中增加激光掃描裝置、監(jiān)視控制裝置、空間運行擴容等[24]。機載激光雷達具有一定的靈動性，能夠較全面地對森林中的各個方位進行監(jiān)測[25]。在機載激光雷達中還增加了空間運行擴容，主要是為了解決激光雷達運行空間不足的問題，減少人工對雷達系統(tǒng)的信息數(shù)據(jù)提取次數(shù)[26]。由于擴容的質(zhì)量較大會對機載續(xù)航能力產(chǎn)生一定的影響，因此所選用的擴容具備自給能力，應(yīng)用的機載激光雷達在森林資源監(jiān)測的過程中所增加的硬件設(shè)施與機載激光雷達相互結(jié)合，形成一套費用低、監(jiān)測數(shù)據(jù)量大、運行空間充足的機載體系。

激光雷達中的激光掃描技術(shù)需要配合一些關(guān)鍵技術(shù)作為支撐才能實現(xiàn)放射激光脈沖波[27]，這一技術(shù)需要昂貴的費用來支撐[28]。在激光雷達系統(tǒng)中引用韋存存研究的激光二極管作為發(fā)射激光脈沖的介質(zhì)[29]。在激光發(fā)射器的反映下激活激光二極管的發(fā)射流程促使激光雷達發(fā)射精準(zhǔn)的激光脈沖，減少部分關(guān)鍵技術(shù)及監(jiān)測成本[30]。本文引用的激光二極管結(jié)構(gòu)見圖6。

4 激光雷達技術(shù)在森林資源監(jiān)測中面臨的挑戰(zhàn)與研究熱點

與其他的技術(shù)相比較，應(yīng)用激光雷達技術(shù)進行森林資源監(jiān)測是在遙感技術(shù)監(jiān)測方面的一大改革，可讓森林資源研究變得更方便準(zhǔn)確。隨著高新科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，激光雷達技術(shù)在森林監(jiān)測方面還有著更深層次的提升潛力。近年來激光雷達對森林資源監(jiān)測的分辨率一直處于高清狀態(tài)，對于一些森林細節(jié)資源無法進行精準(zhǔn)的識別。目前各國科研人員正致力于高分辨率的遙感技術(shù)，將森林監(jiān)測圖像變得更加清晰，提升可觀性，爭取將雷達檢測結(jié)果的分辨率達到 1 800 p，同時我國也正在研究高分辨率激光雷達遙感數(shù)據(jù)的應(yīng)用范圍，針對激光雷達所提供的真實性數(shù)據(jù)分析其數(shù)據(jù)特征，研制開發(fā)新一代的軟件系統(tǒng)，為實現(xiàn)智能化激光雷達技術(shù)對森林監(jiān)測夯實了一定的基礎(chǔ)。研究熱點趨勢分析見圖7。

圖6 激光二極管結(jié)構(gòu)

圖7 研究熱點趨勢分析

圖7中的智能化環(huán)節(jié)為提升雷達圖分辨率的一大難點，目前的科技手段已經(jīng)能夠通過手動調(diào)節(jié)對圖像清晰度進行控制，但進行智能化還需依靠芯片的硬件支撐，當(dāng)前的科技手段還無法達到此領(lǐng)域。

5 結(jié)語

隨著生態(tài)環(huán)境問題的日益凸顯，人們對森林資源的重視程度也越來越高，森林資源在整個生態(tài)環(huán)境中扮演著不可或缺的角色，對其進行合理的監(jiān)測是維持森林生態(tài)平衡的有效途徑之一，應(yīng)用激光雷達技術(shù)對森林環(huán)境資源進行監(jiān)測已比較成熟并取得了較好的成效，但仍有一些缺陷需要改進，本文首先對激光雷達取得的成就進行分析與肯定，同時針對一些不可避免的問題提出相應(yīng)的改進措施。