鐘廣紅

摘 要 森林資源調(diào)查對(duì)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(chǎng)調(diào)查，存在效率低、人工成本高等劣勢(shì)?；诖耍榻B了森林資源調(diào)查的主要內(nèi)容和目前先進(jìn)的調(diào)查手段，著重討論了地基激光雷達(dá)調(diào)查技術(shù)和無(wú)人機(jī)航測(cè)技術(shù)，以期為相關(guān)調(diào)查實(shí)踐提供一定理論指導(dǎo)。

關(guān)鍵詞 森林資源;調(diào)查技術(shù);地基激光雷達(dá)調(diào)查技術(shù);無(wú)人機(jī)航測(cè)技術(shù)

中圖分類號(hào)：F326.2 文獻(xiàn)標(biāo)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(chǔ)，而森林資源調(diào)查的目的是宏觀掌握森林現(xiàn)狀和動(dòng)態(tài)，以便于更科學(xué)合理地管理。森林資源以林木、林地以及生長(zhǎng)在林區(qū)范圍內(nèi)的動(dòng)植物及其環(huán)境條件為主，因此以上對(duì)象都是森林資源調(diào)查的重點(diǎn)。森林資源的調(diào)查原則是從小見大，最基礎(chǔ)的調(diào)查是樹種組成，然后測(cè)量分布面積，進(jìn)而分析林分大小、營(yíng)林狀況、蓄積量、年齡、生物多樣性、森林健康、采伐設(shè)施、土壤等。從調(diào)查手段角度來(lái)說(shuō)，傳統(tǒng)的調(diào)查技術(shù)手段主要是對(duì)實(shí)際樣地進(jìn)行抽樣調(diào)查，采用的調(diào)查工具有測(cè)高器、皮尺、胸徑尺和羅盤儀等。隨著科學(xué)技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，傳統(tǒng)調(diào)查技術(shù)逐漸被淘汰，跨學(xué)科綜合技術(shù)手段在林業(yè)調(diào)查中的應(yīng)用日益廣泛，如衛(wèi)星遙感、電子經(jīng)緯儀、機(jī)載孔徑雷達(dá)和無(wú)人機(jī)等。

2 現(xiàn)代化森林資源調(diào)查技術(shù)

2.1 地基激光雷達(dá)森林資源調(diào)查技術(shù)

2.1.1 地基激光雷達(dá)技術(shù)

森林資源調(diào)查對(duì)調(diào)查技術(shù)的要求是不產(chǎn)生破壞性和準(zhǔn)確獲取信息，而地基激光雷達(dá)（Terrestrial Laser Scanning，簡(jiǎn)稱TLS）能夠充分滿足這一要求。它通過(guò)高分辨率冠層測(cè)量技術(shù)有效穿透森林，在對(duì)森林資源不產(chǎn)生任何損害的情況下準(zhǔn)確獲取研究區(qū)域內(nèi)點(diǎn)云數(shù)據(jù)，通過(guò)不同區(qū)域內(nèi)點(diǎn)數(shù)據(jù)構(gòu)成森林資源科學(xué)研究的大數(shù)據(jù)信息，完全彌補(bǔ)了傳統(tǒng)調(diào)查方法的弊端，省時(shí)省力，又能減少工作量，而且通過(guò)精確測(cè)量技術(shù)有效避免了人為測(cè)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(shì)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(xiàng)指標(biāo)。但TLS也存在一定的局限性，例如在森林資源的調(diào)查過(guò)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(cè)單木的方法可分為二維層搜索方法、測(cè)距圖像聚類法和點(diǎn)云處理方法，其中，點(diǎn)云處理屬于微觀層面，按照點(diǎn)與點(diǎn)之間的幾何關(guān)系識(shí)別樹干;二維層搜索方法是通過(guò)點(diǎn)云切片來(lái)識(shí)別樹干;測(cè)距圖像聚類法是對(duì)測(cè)量圖像進(jìn)行分組，能夠準(zhǔn)確將三位轉(zhuǎn)換到二維，再通過(guò)點(diǎn)云切片進(jìn)行分析統(tǒng)計(jì)。

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(dòng)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(cè)量與分析中誤差較大，而TLS能夠準(zhǔn)確獲得3D點(diǎn)云數(shù)據(jù)，準(zhǔn)確分析冠層結(jié)構(gòu)。TLS在森林資源調(diào)查過(guò)程中受林況和地形影響較大，會(huì)在一定程度上影響參數(shù)獲取的準(zhǔn)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?yàn)槎嗾酒唇臃绞奖苊饬说匦魏唾Y源分布的特殊性，能夠更加客觀全面地對(duì)森林資源進(jìn)行動(dòng)態(tài)分析。也有學(xué)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(cè)率降低，在株數(shù)密度小于1 000株/hm2的稀疏林中探測(cè)率約為80%，在株數(shù)密度大于1 000株/hm2的密林中探測(cè)率為70%左右，而對(duì)于TLS多站掃描拼接探測(cè)率則在62%～100%[1]。

地基激光雷達(dá)技術(shù)進(jìn)行森林調(diào)查與監(jiān)測(cè)研究時(shí)所提取各項(xiàng)參數(shù)的精度如表2所示。地基激光雷達(dá)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(qiáng)的抗干擾能力和較高的分辨率已逐步取代傳統(tǒng)光學(xué)的森林監(jiān)測(cè)方法。從表2中參數(shù)精確度分析，TLS對(duì)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?jī)?nèi)容分析，TLS在參數(shù)獲取中應(yīng)從簡(jiǎn)單到復(fù)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(wú)人機(jī)航測(cè)技術(shù)

樊仲謀等[2]對(duì)南方林業(yè)采育場(chǎng)分別進(jìn)行了樣地調(diào)查和無(wú)人機(jī)航測(cè)飛行試驗(yàn)，測(cè)量測(cè)樹因子提取與預(yù)估模型建立的方法。大體步驟如下。1）無(wú)人機(jī)系統(tǒng)參數(shù)。采用飛馬智能航測(cè)系統(tǒng)F1000，索尼α5100數(shù)碼相機(jī)，傳感器尺寸為23.5 mm×15.6 mm，有效像素為2 430萬(wàn)，Arcgis10.1軟件。2） 運(yùn)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(shè)計(jì)10條航線，飛行時(shí)間30min，覆蓋面積5.41 km2。使用pix4d軟件進(jìn)行像片畸變校正、自動(dòng)空三處理、連接點(diǎn)與控制點(diǎn)校正、外方位元素計(jì)算和平差處理。使用Arcgis10.1的測(cè)量工具測(cè)量樹冠南北和東西邊緣之間的距離，并計(jì)算其平均值;考慮郁閉度較大，樣地中地面點(diǎn)坐標(biāo)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(guò)樹冠中心高度和數(shù)字高程模型獲取其近似樹高;對(duì)樹高和冠幅各提取4次，取其算術(shù)平均值以減少因觀測(cè)和軟件操作帶來(lái)的誤差。

無(wú)人機(jī)森林樣地調(diào)查法通過(guò)無(wú)人機(jī)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(jìn)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(duì)誤差為4.0%，誤差最大值為0.9 m，而相對(duì)誤差最大值為0.5 m，相對(duì)誤差為7.6%;冠幅平均相對(duì)誤差為4.9%，誤差最大值為0.5 m，相對(duì)誤差最大值為0.3 m，相對(duì)誤差為9.1%，滿足森林調(diào)查要求。無(wú)人機(jī)森林樣地調(diào)查的優(yōu)勢(shì)是可以反復(fù)多次進(jìn)行，對(duì)森林資源不會(huì)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(yuǎn)優(yōu)于傳統(tǒng)森林資源調(diào)查法[3-4]。

3 結(jié)語(yǔ)

隨著科學(xué)技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)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(dá)技術(shù)和無(wú)人機(jī)航測(cè)技術(shù)等先進(jìn)調(diào)查手段不僅監(jiān)測(cè)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(fù)分析利用等優(yōu)勢(shì)。雖然這些現(xiàn)代化調(diào)查手段在實(shí)際應(yīng)用中還存在一些問(wèn)題，但未來(lái)隨著技術(shù)的發(fā)展和儀器設(shè)備的更新，會(huì)有更多的學(xué)者參與到研究中，對(duì)森林資源調(diào)查手段進(jìn)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(xiàn)：

[1] 魏芬娟，陳崇成，葉曉燕，等.森林資源調(diào)查與督查的移動(dòng)GIS研發(fā)及應(yīng)用[J/OL].計(jì)算機(jī)工程與應(yīng)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(wú)人機(jī)航測(cè)技術(shù)在森林資源調(diào)查中的應(yīng)用[J].森林與環(huán)境學(xué)報(bào)，2018，38（3）：297-301.

[3] 晏穎杰，范少輝，官鳳英.地基激光雷達(dá)技術(shù)在森林調(diào)查中的應(yīng)用研究進(jìn)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(shù)在森林資源調(diào)查中的應(yīng)用現(xiàn)狀與展望[J].西北林學(xué)院學(xué)報(bào)，2018，33（3）：238-244.

（責(zé)任編輯：趙中正）