機(jī)載激光雷達(dá)在森林資源參數(shù)獲取中的應(yīng)用及展望

趙麗宏

(黑龍江省尚志國有林場管理局，黑龍江 尚志 150600)

傳統(tǒng)的森林資源調(diào)查多以樣地調(diào)查為主，人工現(xiàn)地調(diào)查的方式需要耗費(fèi)大量的時(shí)間和經(jīng)濟(jì)成本，且僅能獲得點(diǎn)上的數(shù)據(jù)，難以直接獲取區(qū)域尺度的森林資源信息。遙感技術(shù)的出現(xiàn)可有效地減少森林資源調(diào)查中人力物力的耗費(fèi)，且在較高精度下保證了數(shù)據(jù)的空間完整性和時(shí)間一致性[1]。傳統(tǒng)的被動式光學(xué)遙感雖可以有效地進(jìn)行大尺度、區(qū)域性的森林結(jié)構(gòu)參數(shù)反演，但由于其不具備穿透性，因而主要記錄的是森林的水平結(jié)構(gòu)信息而無法表達(dá)森林的垂直結(jié)構(gòu)信息[2]。此外，被動光學(xué)遙感易受到天氣光照等自然條件的影響，難以實(shí)現(xiàn)全天時(shí)、全天候的動態(tài)監(jiān)測。

激光雷達(dá)(LightDetectionAndRanging，LiDAR)技術(shù)是二十世紀(jì)中后期以來發(fā)展迅速的一種主動遙感技術(shù)，其通過發(fā)射和接收激光脈沖來獲取地表物體精確的三維信息，其發(fā)射的主動式脈沖波長主要位于紅外和近紅外波段，不受天氣、光照的自然條件的影響，可以真正實(shí)現(xiàn)全天時(shí)、全天候的數(shù)據(jù)獲取[2]。其中機(jī)載激光雷達(dá)能夠大范圍掃描并探測森林的三維垂直結(jié)構(gòu)信息，其可以從空中視角表達(dá)樹冠幾何形態(tài)并有效地獲取林下地形信息，進(jìn)而直接獲取冠層高度信息，現(xiàn)已成為不同尺度自動化林業(yè)遙感應(yīng)用的研究熱點(diǎn)[4]。

1 機(jī)載激光雷達(dá)系統(tǒng)組成及原理

機(jī)載激光雷達(dá)(AirborneLaserScanning，ALS)系統(tǒng)通常由空中和地面兩部分組成。空中部分主要包括傳感器的搭載平臺、激光掃描儀、定位定向系統(tǒng)(PositionandOrientationSystem，POS)和同步控制裝置等；地面部分則由GPS參考站、離線執(zhí)行的軟件及硬件等組成[3]。

具體來看，激光掃描儀由激光測距單元、光學(xué)機(jī)械掃描單元以及控制、監(jiān)測、記錄單元等組成。其中，激光測距單元主要是用于測量激光發(fā)射器與目標(biāo)之間的距離；光學(xué)機(jī)械掃描單元可以實(shí)現(xiàn)對目標(biāo)表面沿某方向進(jìn)行逐點(diǎn)測量。定位定向系統(tǒng)包括GPS接收機(jī)和慣性導(dǎo)航單元(InertialMeasurementUnit，IMU)兩個(gè)部分，也可稱為GPS/ IMU 集成系統(tǒng)，主要用來獲取傳感器平臺的位置和姿態(tài)信息。ALS系統(tǒng)通過激光掃描儀和定位定向系統(tǒng)的協(xié)調(diào)工作實(shí)現(xiàn)目標(biāo)物體的高精度測量。此外，ALS系統(tǒng)配套軟件，包括飛行管理軟件、數(shù)據(jù)預(yù)處理軟件等部分。前者負(fù)責(zé)進(jìn)行航線規(guī)劃、作業(yè)參數(shù)設(shè)計(jì)、設(shè)備控制與實(shí)時(shí)導(dǎo)航，后者通過將獲取的原始數(shù)據(jù)解算為標(biāo)準(zhǔn)格式的點(diǎn)云并進(jìn)行后續(xù)產(chǎn)品的處理。

2 單木尺度森林參數(shù)估算

單木是森林空間結(jié)構(gòu)的基本構(gòu)成單元，對于林業(yè)生產(chǎn)實(shí)踐和科學(xué)研究來說，準(zhǔn)確地獲取單木因子具有重要意義。機(jī)載激光雷達(dá)數(shù)據(jù)能夠詳盡的刻畫森林的三維空間結(jié)構(gòu)，高密度的激光脈沖的采樣為提取單木空間結(jié)構(gòu)特征的自動提供便利條件[4]。目前，使用機(jī)載激光雷達(dá)系統(tǒng)主要獲取離散回波的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，單木參數(shù)估測的一般思路是首先由地面點(diǎn)生成數(shù)字地形模型(DigitalTerrainModel，DTM)；然后由冠層表面點(diǎn)生成數(shù)字表面模型(DigitalSurfaceModel，DSM)；接著由 DSM 和 DEM 做差生成冠層高度模型(CanopyHeightModel，CHM)，或是使用DTM對原始點(diǎn)云進(jìn)行高程歸一化得到歸一化點(diǎn)云(NormalizedPointClouds，NPC)，最后以CHM 或是NPC為基礎(chǔ)進(jìn)行單木分割與單木參數(shù)提取[5]。

基于CHM的單木分割方法通常包含單木樹頂探測和單木樹冠勾繪兩個(gè)步驟。其中，單木樹頂探測大多是基于樹冠的“山峰”狀假設(shè)并利用局域最大值濾波器探索單木位置。樹冠邊界的勾繪通常是在樹頂探測的基礎(chǔ)上進(jìn)行的，常采用一些經(jīng)典的圖像分割算法，如標(biāo)記控制分水嶺算法、區(qū)域生長法、谷底跟蹤法等方法進(jìn)行單木樹冠的提取[4]。此外，基于歸一化點(diǎn)云的單木分割算法比基于柵格的算法更加直接，且可以避免生成CHM插值過程中造成的誤差，其主要利用樹樹冠的垂直輪廓或利用點(diǎn)云的局部密度特征進(jìn)行樹木點(diǎn)云的分割[5]。

以單木分割為基礎(chǔ)的單木參數(shù)提取的研究主要分為兩類：(1)從單木分割結(jié)果中直接提取得到的單木參數(shù)(如樹高、冠幅、樹冠體積及表面積等)；(2)單木分割結(jié)果無法直接提取需要使用回歸的方法進(jìn)行估算(如單木胸徑、材積和生物量等)。但這兩類方法并不完全可分，具體的應(yīng)用還要受到點(diǎn)云密度和采集條件的影響。

3 林分水平森林參數(shù)提取與估算

使用ALS系統(tǒng)可以進(jìn)行高精度大范圍的采樣，其在林分水平參數(shù)的自動提取上有著其他遙感技術(shù)與實(shí)地測量方法無法比擬的優(yōu)勢。機(jī)載激光雷達(dá)數(shù)據(jù)可以從空中視角直接探測森林的垂直結(jié)構(gòu)，為森林高度相關(guān)信息的提取提供了便利條件，通過高度相關(guān)的變量也為其他林分結(jié)構(gòu)因子的估算提供了可能。激光對樹冠的響應(yīng)不僅是樹高的函數(shù)，而且也是樹冠內(nèi)孔隙率的函數(shù)[1]。這類樹冠結(jié)構(gòu)因子(郁閉度、冠蓋度和葉面積指數(shù))直接反應(yīng)了激光雷達(dá)的輻射傳輸過程，并且不同于其他林分結(jié)構(gòu)因子主要通過回歸的方式進(jìn)行提取，這類因子可以通過LiDAR的掃描方式結(jié)合因子的測量原理進(jìn)行提取。

與基于ALS單木尺度參數(shù)提取相同，大多數(shù)林分因子提取的研究也是基于CHM或是NPC上進(jìn)行的。通過構(gòu)建高度、點(diǎn)云密度、回波強(qiáng)度等統(tǒng)計(jì)量與實(shí)測林分因子構(gòu)建回歸模型，進(jìn)而進(jìn)行大范圍林分因子的自動獲取[6]。目前，高采樣密度的激光雷達(dá)數(shù)據(jù)為單木因子的自動獲取提供了可能，其也為林分因子的提取提供了由單木到林分因子的升尺度轉(zhuǎn)換新途徑。因此，使用ALS進(jìn)行林分尺度森林參數(shù)提取可以分為：(1)基于區(qū)域的方法(area-basedapproach)和(2)基于單木的方法(individualtreecrownbasedapproach)。

基于區(qū)域的方法，使用基于單木的方法能夠充分利用現(xiàn)有的林業(yè)模型(如生物量、材積模型等)，且能夠提供尺度不變的林分參數(shù)估測，而逐步被應(yīng)用于森林參數(shù)的自動獲取上。但基于單木的方法受限于激光雷達(dá)點(diǎn)云密度和單木分割結(jié)果的精度。單木探測率低而導(dǎo)致其準(zhǔn)確性較低，且由于單木分割通常計(jì)算量較大，因而很難適用于大規(guī)模林分因子的估算與面狀制圖。相比之下，盡管林分模型法通常可以達(dá)到很高的精度。但是在構(gòu)建林分模型時(shí)需要大量的樣地實(shí)測數(shù)據(jù)，這樣會增加外業(yè)調(diào)查的工作量?，F(xiàn)有的林分模型法構(gòu)建的模型大多數(shù)為區(qū)域和尺度特異的，導(dǎo)致這類方法構(gòu)建的回歸模型通常僅能用于調(diào)查區(qū)域。因此，在特定的應(yīng)用中應(yīng)該權(quán)衡考慮目標(biāo)進(jìn)行方法的選擇。

4 結(jié)語

機(jī)載激光雷達(dá)能夠大范圍掃描并探測森林的三維垂直結(jié)構(gòu)信息，其可以從空中視角表達(dá)樹冠幾何形態(tài)并有效地獲取林下地形信息，進(jìn)而直接獲取冠層高度信息，現(xiàn)已成為不同尺度自動化林業(yè)遙感應(yīng)用的研究熱點(diǎn)。許多國家，如丹麥、芬蘭和西班牙，正在進(jìn)行或已經(jīng)完成了國家級機(jī)載激光雷達(dá)數(shù)據(jù)采集，且有望成為大規(guī)模森林資源調(diào)查的常規(guī)數(shù)據(jù)源。

近年來，無人機(jī)(UnmannedAerialVehicle，UAV)作為一種新型機(jī)載遙感平臺出現(xiàn)，以其在云下低空飛行的能力，及其低成本和靈活性，降低了激光雷達(dá)數(shù)據(jù)的獲取成本[7]。無人機(jī)激光雷達(dá)(UAVLaserScanning，UAVLS)相比于大型機(jī)載激光雷達(dá)，具有更低的數(shù)據(jù)采集成本和更高的脈沖采樣密度。相比于地基式激光雷達(dá)和移動式背包激光雷達(dá)具有更大的作業(yè)范圍和更高的數(shù)據(jù)采集效率[8-10]。國內(nèi)外涌現(xiàn)出越來越多的集成式無人機(jī)激光雷達(dá)系統(tǒng)，它們在未來為精細(xì)化森林調(diào)查提供了更廣闊的應(yīng)用前景。