吳擢城

摘 要：基于無人機載平臺的激光雷達測距技術(shù)近年來發(fā)展十分迅速，對于山區(qū)等復(fù)雜地形情況下方便攜帶和靈活性較強的輕小型LiDAR的一直是研究熱點。本文采用中科院光電研究院研制的輕小型無人機載激光雷達系統(tǒng)，并搭載于多旋翼無人機開展的林業(yè)資源應(yīng)用試驗，提出了一種適用于復(fù)雜地形的林業(yè)資源調(diào)查解決方案，并進行了單木數(shù)據(jù)分割、樹干株樹、樹干胸徑、樹木冠幅重要林業(yè)參數(shù)的提取，試驗數(shù)據(jù)分析結(jié)果充分展示了無人機載激光雷達系統(tǒng)在林業(yè)資源調(diào)查上的優(yōu)勢，驗證了其可靠性。

關(guān)鍵詞：林業(yè)調(diào)查;激光雷達;無人機

長期以來，森林資源小面積精準(zhǔn)監(jiān)測主要是利用圍徑尺、測高器、皮尺等工具測量樹高、胸徑、樹冠面積等。但是利用傳統(tǒng)方法進行森林資源管理和普查費力、費時，而且勞動強度大，由于受各種條件的限制，有時候甚至不能進行。因此，外業(yè)調(diào)查費時費工。目前遙感技術(shù)已大量用于林業(yè)資源的管理和普查、動態(tài)監(jiān)測與分析、災(zāi)害監(jiān)測與預(yù)報、災(zāi)情評估等。但絕大部分遙感傳感器只能提供水平分布的詳細信息，并不能獲得森林垂直結(jié)構(gòu)參數(shù)。除此之外，攝影測量在森林地區(qū)作業(yè)時面臨著諸多困難：外業(yè)控制困難，加密選點困難，影響匹配困難，立體測圖困難。而機載激光雷達技術(shù)的出現(xiàn)，正好彌補了上述技術(shù)領(lǐng)域和區(qū)域的缺陷和不足。

本文采用中國科學(xué)院光電研究院研制的輕小型激光雷達系統(tǒng)并基于實測數(shù)據(jù)，進行了森林激光點云提取、單木數(shù)據(jù)分割、樹木胸徑計算、樹木冠幅計算方面的應(yīng)用，證實了其在林業(yè)資源調(diào)查上的可靠性和優(yōu)勢，為林業(yè)資源調(diào)查提出了新的思路與方法。

一、設(shè)備介紹

在輕小型無人機載激光雷達硬件結(jié)構(gòu)配置上，整體的設(shè)備安裝到一個無線電遙控的六旋翼無人機上 。無人機全系統(tǒng)重9kg（無人機和激光雷達），最大飛行時間40分鐘，折疊后飛機大小：543mm*460mm*558mm。載荷相對于飛行平臺是通過結(jié)構(gòu)件鏈接并通過減震部件獨立開的，以此為了消除飛行時產(chǎn)生的高頻振動。激光雷達系統(tǒng)由一個激光掃描頭和組合導(dǎo)航單元組成。

二、試驗介紹

試驗地點在中國福建省三明市尤溪縣，時間是2017年11月21日-11月28日，無人機及實地采集的激光雷達點經(jīng)過匹配處理，生成笛卡爾坐標(biāo)系下的點云，飛行由人工和自主飛行組成，具體作業(yè)流程如下：在進入林業(yè)樣地掃描飛行之前先進行快速直線和“8”字繞行來進行組合導(dǎo)航的校準(zhǔn)精度的提高;安裝到舵機上的攝像頭通過LightBridge2將圖像傳遞給飛手，飛手做完快速直線和“8”字后升高到預(yù)定高度，沿航線進行飛行。航線結(jié)束后飛出樣地做完“8”字繞行和快速直線后返回并降落。

無人機載激光雷達系統(tǒng)可根據(jù)不同需求分別進行事后差分和精密單點后處理，此次試驗的飛行絕對高度在150-500m（距地面相對高度在50-100m之間），根據(jù)林地情況每平方米點密度從70到150不等。為了驗證飛行數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，考慮到在多樹木地區(qū)樣地范圍不好確定的問題，對研究區(qū)進行了相應(yīng)的地面調(diào)查，主要方法是：

1.增加地面控制點，在離樣地不遠的空曠處擺設(shè)明顯地物。

2.架設(shè)全站儀，精確測量控制點到試驗樣地四角點的精確關(guān)系，方便在后續(xù)的點云數(shù)據(jù)中精確圈出樣地范圍。

三、方法

本結(jié)將基于無人機載激光雷達系統(tǒng)獲取的激光雷達點云數(shù)據(jù)，并根據(jù)林業(yè)資源普查經(jīng)驗，對激光雷達點進行了：樣地樹木株數(shù)、樹木高度、樹木冠幅、樹木胸徑及蓄積量的計算，討論以便證明無人機載激光雷達系統(tǒng)對于復(fù)雜山地情況下的靈活性和高精度性。本次試驗采用Inertial Explorer8.60進行組合導(dǎo)航后處理，并采用Liforest軟件和自研軟件進行點云數(shù)據(jù)處理。

四、林業(yè)資源應(yīng)用

在實驗區(qū)的選取上，本文有針對性的選取了3塊試驗樣地。基于LiForest和自研軟件進行信息提取，在去除噪聲點和無效點后，進行株數(shù)、樹木胸徑和冠幅的統(tǒng)計，其中，樹木的頂點代表樣地樹木高度、傘柄粗細代表樹木胸徑、開傘的大小代表樹冠的直徑。最終數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計，如表1所示。

五、結(jié)語

在對樣地數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計比對的時候我們可以看出：

1.三塊樣地在株樹的統(tǒng)計上都有較準(zhǔn)確的結(jié)果，不論是對于樹葉較稀疏的1號林地還是對于樹木較密集的2號人工林地和3號混交林地。

2.在對三塊樣地進行樹高統(tǒng)計的時候，反演值和實地量測值有1-2m的差值，一方面可能是由于人工量測的時候只是采用簡單的三角測量方法，另一方面可能是由于地面落葉較厚，無法量測從地表到樹頂?shù)拇_切高度，實地量測值的精度也有待考察。

3.在進行冠幅統(tǒng)計的時候，激光雷達點云的統(tǒng)計出來的冠幅都要較實地量測值較小，這是由于樹木冠幅之間較多重疊導(dǎo)致

4.由于樹木胸徑上的激光雷達點較少（由于樹冠較多遮擋引起），所以本實驗采用已有數(shù)據(jù)的經(jīng)驗?zāi)Ｐ?，即通過樹高和冠幅的值來確定胸徑，因此，在胸徑測量上有較多誤差，后續(xù)可以通過取多組樣本進行訓(xùn)練提高精度。

基于以上林業(yè)資源的應(yīng)用試驗，對于多山地的林業(yè)資源調(diào)查，微小型激光雷達的性能已經(jīng)得到了很好的驗證，中科院光電研究院研制的輕小型激光雷達不僅具有造價便宜、靈活多變等優(yōu)點，其高精度的地面分辨率和作業(yè)效率也驗證了輕小型激光雷達在林業(yè)資源應(yīng)用方面的廣泛應(yīng)用前景。

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