探析激光雷達(dá)數(shù)據(jù)在森林參數(shù)獲取中的應(yīng)用

黃萬里

（湖南省農(nóng)林工業(yè)勘察設(shè)計研究總院，湖南 長沙 410007）

所謂激光雷達(dá)，主要指的是通過發(fā)射激光束，準(zhǔn)確探測目標(biāo)的具體位置與速度等有關(guān)特征量的雷達(dá)系統(tǒng)，其工作原理與微波雷達(dá)相同，向目標(biāo)發(fā)射相應(yīng)的探測信號，并結(jié)合自身所接收到的自目標(biāo)反射回來的信號和發(fā)射信號進(jìn)行綜合對比，經(jīng)過一系列處理之后，能夠獲取目標(biāo)相關(guān)信息，例如，距離、方位、形狀與高度等等。近幾年來，政府有關(guān)部門越來越重視森林資源的利用率，為了保證我國森林資源實(shí)現(xiàn)高效利用，本文重點(diǎn)研究激光雷達(dá)數(shù)據(jù)在森林參數(shù)獲取之中的具體應(yīng)用。

1 森林參數(shù)獲取中應(yīng)用激光雷達(dá)數(shù)據(jù)的重要性

激光雷達(dá)是一項先進(jìn)的主動遙感技術(shù)，利用傳感器發(fā)出的激光束，準(zhǔn)確測量傳感器和目標(biāo)物間的具體距離，并確定探測目標(biāo)的實(shí)際位置。和被動光學(xué)遙感成像機(jī)理不同，激光雷達(dá)能夠有效探測植被空間結(jié)構(gòu)，故在森林參數(shù)獲取當(dāng)中運(yùn)用激光雷達(dá)數(shù)據(jù)至關(guān)重要。最近幾年來，激光雷達(dá)在森林參數(shù)獲取中的應(yīng)用范圍越來越廣，技術(shù)也逐漸趨于成熟，特別是在森林的高度估測與森林空間結(jié)構(gòu)探測中。

林木高度能夠有效反映出森林土壤質(zhì)量，故獲取準(zhǔn)確的樹高信息特別重要，在林業(yè)遙感當(dāng)中，森林高度信息的獲取難度特別大，但是，由于激光雷達(dá)的出現(xiàn)，能夠獲取準(zhǔn)確的林木高度信息，減輕了有關(guān)人員的工作壓力。激光雷達(dá)數(shù)據(jù)處理流程：具有多次反射LiDAR數(shù)據(jù)-預(yù)處理-消除其他影響(利用多次反射)-分別實(shí)現(xiàn)線性預(yù)測法DEM檢測-刪除地面點(diǎn)-消除噪聲和碎點(diǎn)-得到樹木點(diǎn)。

2 激光雷達(dá)的特點(diǎn)分析

2.1 分辨率比較高

激光雷達(dá)能夠獲得特別高的角度、距離，包括速度分辨率等等。一般來講，角分辨率不小于0.1mard，能夠分辨出超過3 km距離的目標(biāo)，而且可以在同一時間內(nèi)跟蹤不同的目標(biāo)。距離分辨率能夠達(dá)到0.1 m左右，速度分辨率不超過10 m/s，激光雷達(dá)距離與速度分辨率比較高，有關(guān)人員可以采用距離-多普勒成像技術(shù)獲取清晰的目標(biāo)圖像。分辨率較高，也是激光雷達(dá)突出的優(yōu)點(diǎn)。

2.2 隱蔽性較好

激光能夠?qū)崿F(xiàn)直線傳播，具有良好的方向性，而且傳播的光束比較窄，一般僅能夠在傳播路徑中才能夠接收，故敵方想要截獲數(shù)據(jù)的難度特別大。激光雷達(dá)發(fā)射系統(tǒng)的口徑特別小，接收的區(qū)域也比較窄，敵方所發(fā)射的各項激光干擾信號想要進(jìn)入到接收機(jī)之中的概率特別低。微波雷達(dá)容易受到外界電磁波的影響，降低各項數(shù)據(jù)的精確性，而激光雷達(dá)受外界電磁波影響特別小，具有良好的隱蔽性與適用性，即使在激烈的信息戰(zhàn)環(huán)境中應(yīng)用，仍然能夠取得較好的應(yīng)用效果。

2.3 低空探測性能較好

在微波雷達(dá)當(dāng)中，受地物回波影響較大，低空區(qū)存在盲區(qū)，盲區(qū)即無法探測的領(lǐng)域。而激光雷達(dá)不同，目標(biāo)被激光照射之后，才能夠出現(xiàn)反射，不受地物回波影響，故能夠?qū)崿F(xiàn)零高度作業(yè)目標(biāo)，其低空探測性能特別好。

2.4 體積小

一般的微波雷達(dá)體積較大，天線口徑能夠達(dá)到幾十米。而激光雷達(dá)不同，其體積較小，靈活性好，發(fā)射望遠(yuǎn)鏡口徑通常在厘米級，一套系統(tǒng)質(zhì)量僅有幾十公斤，系統(tǒng)的拆卸與架設(shè)特別方便。激光雷達(dá)系統(tǒng)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)也特別簡單，減輕了維修人員的工作壓力，維修成本不斷下降[1]。

3 激光雷達(dá)數(shù)據(jù)在森林參數(shù)獲取中的應(yīng)用研究

3.1 國外激光雷達(dá)數(shù)據(jù)在森林參數(shù)獲取中的應(yīng)用

3.1.1 樹高與冠幅的有效估測

將激光雷達(dá)數(shù)據(jù)應(yīng)用到森林參數(shù)獲取環(huán)節(jié)，能夠幫助有關(guān)人員更好地估測出林木樹高與冠幅，具體的估測要點(diǎn)見表1。

表1 運(yùn)用激光雷達(dá)估測林木樹高與冠幅

另外，運(yùn)用林木樹冠模型創(chuàng)建相應(yīng)的等高線，準(zhǔn)確計算出等高線的長度，設(shè)置相應(yīng)的參數(shù)，篩選出等高線，將等高線轉(zhuǎn)換為多邊形[2]。在此過程當(dāng)中，采用GIS疊加技術(shù)，結(jié)合高分辨率航空影像情況，提取樹頂，樹頂多邊形內(nèi)部的最大數(shù)值即為樹高。

3.1.2 林分生物量與蓄積量的估測

利用激光雷達(dá)數(shù)據(jù)，準(zhǔn)確估測林分生物量與蓄積量，研究人員運(yùn)用統(tǒng)計分析法，構(gòu)建完善的回歸模型，進(jìn)一步提升了估測數(shù)值的準(zhǔn)確性，保證模型參數(shù)更為準(zhǔn)確。

結(jié)合林木的生長規(guī)律得知，林木高度與蓄積量之間存在一定聯(lián)系，此種生物約束機(jī)制能夠保證激光雷達(dá)反演的各項高度信息更為合理。因?yàn)榱帜旧L方程和地域環(huán)境有關(guān)，故運(yùn)用統(tǒng)計回歸法可以獲取準(zhǔn)確信息[3]。

3.1.3 碳儲量的估測

現(xiàn)階段，國外有關(guān)研究人員利用激光雷達(dá)數(shù)據(jù)，能夠估測林木的碳儲量，運(yùn)用小光斑機(jī)載雷達(dá)數(shù)據(jù)，準(zhǔn)確估測出林木的碳儲量，主要分為以下兩種類型，具體見表2。

表2 模型構(gòu)建要點(diǎn)

采用小光斑機(jī)載激光雷達(dá)數(shù)據(jù)，針對某地區(qū)的人工林進(jìn)行碳儲量估測，通過在樣地水平之上構(gòu)建碳儲量和激光雷達(dá)回歸模型，模型的模擬精度能夠達(dá)到72%左右，若在該回歸模型之中引入林木冠層結(jié)構(gòu)信息數(shù)據(jù)，其模擬精度能夠達(dá)到80%以上，在模型當(dāng)中引入密度信息之后，模擬精確度能夠達(dá)到87%以上。

3.2 國內(nèi)激光雷達(dá)數(shù)據(jù)在森林參數(shù)獲取中的具體應(yīng)用

當(dāng)前我國森林參數(shù)獲取當(dāng)中應(yīng)用激光雷達(dá)較多，林業(yè)科學(xué)研究院的研究人員，結(jié)合星載記錄情況，認(rèn)為將激光雷達(dá)數(shù)據(jù)應(yīng)用在森林參數(shù)獲取當(dāng)中，能夠有效提高森林參數(shù)的獲取速率，獲取的各項數(shù)據(jù)也較為精確[4]。

將三維激光掃描成像系統(tǒng)應(yīng)用在森林立木測量當(dāng)中，構(gòu)建良好的立木三維模型，結(jié)合該模型，獲得了樹冠體積與表面積等測樹參數(shù)，并在此基礎(chǔ)之上，采用非線性回歸方程方法，構(gòu)建樹冠體積與表面積回歸模型，將樹冠因子引入到模型當(dāng)中，能夠保證獲取的森林參數(shù)更為精確。

4 結(jié)語

綜上，通過對激光雷達(dá)數(shù)據(jù)在森林參數(shù)獲取中的應(yīng)用進(jìn)行合理分析，例如國外激光雷達(dá)數(shù)據(jù)在森林參數(shù)獲取中的應(yīng)用、國內(nèi)激光雷達(dá)數(shù)據(jù)在森林參數(shù)獲取中的具體應(yīng)用等等，能夠幫助研究人員更好地了解激光雷達(dá)系統(tǒng)操作要點(diǎn)，有效提高獲取的森林參數(shù)的準(zhǔn)確性。