駱生亮

（山西亞太數(shù)字遙感新技術(shù)有限公司，山西 太原 030006）

0.引言

激光雷達(dá)（Light Detection And Ranging,LiDAR）是一項(xiàng)通過由傳感器所發(fā)出的激光來測定傳感器與目標(biāo)物之間距離的主動遙感技術(shù)。機(jī)載激光雷達(dá)具有高精度、高分辨率、高自動化、高效率的優(yōu)勢，已成為世界各國進(jìn)行大面積數(shù)字地表數(shù)據(jù)獲取的重要手段。目前機(jī)載激光雷達(dá)在土地利用、工程建設(shè)規(guī)劃、城市規(guī)劃管理、海洋測量、防災(zāi)、礦業(yè)、農(nóng)業(yè)等方面應(yīng)用廣泛。20 世紀(jì)80 年代中期激光雷達(dá)技術(shù)開始逐漸用于估測林業(yè)數(shù)據(jù)參數(shù)，主要通過識別三維坐標(biāo)信息來定量對林業(yè)數(shù)據(jù)參數(shù)進(jìn)行估測，特別是在估測林木空間結(jié)構(gòu)和估計(jì)林木高度這方面有其獨(dú)有的優(yōu)點(diǎn)。經(jīng)過幾十年的發(fā)展，激光雷達(dá)技術(shù)在林業(yè)研究方面的技術(shù)已逐漸趨于成熟，采用機(jī)載激光雷達(dá)數(shù)據(jù)可以獲取林區(qū)地理環(huán)境、估測平均樹高、郁閉度、林分密度、生物量和蓄積量等林業(yè)參數(shù)[1]。

1.機(jī)載激光雷達(dá)系統(tǒng)組成

機(jī)載激光雷達(dá)系統(tǒng)由空中測量平臺、數(shù)字化激光掃描儀、姿態(tài)測量和導(dǎo)航系統(tǒng)、數(shù)碼相機(jī)、數(shù)據(jù)處理軟件等組成。

1.1 空中測量平臺

空中測量平臺是航空激光掃描測量系統(tǒng)進(jìn)行作業(yè)的空間載體和操作平臺，主要為直升飛機(jī)或其他飛機(jī)，用來搭載航空激光掃描測量系統(tǒng)所需要的各種儀器儀表和操作人員。

1.2 數(shù)字化激光掃描儀

數(shù)字化激光掃描儀是本系統(tǒng)的核心部分，它主要用來測量地物地貌的三維空間坐標(biāo)信息。

1.3 姿態(tài)測量和導(dǎo)航系統(tǒng)

GPS 接收機(jī)、IMU 慣性制導(dǎo)儀、導(dǎo)航計(jì)算機(jī)構(gòu)成了姿態(tài)測量和導(dǎo)航系統(tǒng)。GPS 接收機(jī)采用差分定位技術(shù)確定平臺的坐標(biāo)。IMU 慣性制導(dǎo)儀測量航飛平臺的姿態(tài)，用于對發(fā)射激光束角度的校正以及地面圖像的糾正。

1.4 數(shù)碼相機(jī)

數(shù)碼相機(jī)拍攝的航片寬度應(yīng)該調(diào)節(jié)到與激光掃描寬度相匹配。航片經(jīng)過糾正、鑲嵌可形成數(shù)字正射影像。

1.5 數(shù)據(jù)處理軟件

激光掃描系統(tǒng)獲取的數(shù)據(jù)量龐大，由專業(yè)數(shù)據(jù)處理軟件處理。

2.機(jī)載激光雷達(dá)系統(tǒng)原理

機(jī)載激光雷達(dá)的工作方式和原理，即激光測距系統(tǒng)向探測目標(biāo)主動發(fā)射高頻率的激光脈沖，直接獲取地物表面的距離、坡度、粗糙度和反射率等信息，經(jīng)過處理生成高密度的三維空間坐標(biāo)，即點(diǎn)云（如圖1 所示）。激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)的每個點(diǎn)不僅具有x、y 平面坐標(biāo)信息，還具有高程信息，即z 值，同時還可從不同視角對這些點(diǎn)云進(jìn)行三維顯示、量測，計(jì)算點(diǎn)云所表達(dá)目標(biāo)的表面積、體積等[2]。

圖1 LIDAR 系統(tǒng)原理示意圖

3.機(jī)載激光雷達(dá)技術(shù)在林業(yè)中的應(yīng)用

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(bào)、災(zāi)情評估等。但絕大部分遙感傳感器只能提供水平分布信息，并不能獲得森林垂直結(jié)構(gòu)參數(shù)。除此之外，傳統(tǒng)遙感技術(shù)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(diǎn)困難，影像匹配困難，立體測圖困難。而機(jī)載激光雷達(dá)技術(shù)的出現(xiàn)，正好彌補(bǔ)了上述技術(shù)領(lǐng)域和區(qū)域的缺陷和不足。

3.1 單木分割

當(dāng)點(diǎn)云密度足以識別單木時，應(yīng)用不同的單木分割算法對森林回波點(diǎn)進(jìn)行分割，一旦準(zhǔn)確分割后，可以獲取樹高、樹冠尺寸、樹冠基部高、斷面積、胸徑、立木蓄積和生物量等[3]。大部分單木分割算法都是基于冠層高度模型（CHM）。冠層高度模型（CHM）使用分水嶺分割算法，自下而上查看，CHM 的高點(diǎn)處可以看成山峰，低點(diǎn)處可以看成山谷，如果用水填充，不同山谷的水將開始匯合，為了避免這種情況，在水匯合的地方建立屏障，這些屏障將決定分割的結(jié)果（如圖2 所示）。CHM是激光雷達(dá)數(shù)據(jù)在林業(yè)中應(yīng)用的一個重要模型，它是一個表達(dá)植被距離地面高度的表面模型，能夠提供冠層的水平和垂直分布情況。

圖2 CHM 分割示意圖

3.2 LiDAR 數(shù)據(jù)估測平均樹高

機(jī)載激光雷達(dá)估測樹高的基本原理是計(jì)算激光回波來自樹冠頂部和地面的距離差。樹高是反映材積和立地質(zhì)量的重要參數(shù)，因此，樹高信息的提取具有十分重要的意義[4]。機(jī)載激光雷達(dá)估測樹高分為樣地水平和單木水平。單木水平樹高估測首先進(jìn)行單木分割；樣地水平樹高估測分為直接提取和間接提取，直接提取是測量地面至樹頂?shù)母叨?，間接提取是通過建立冠層高度與機(jī)載激光雷達(dá)提取的預(yù)測變量之間的相關(guān)關(guān)系來間接估測冠層高度[5]。使用LiDAR360 激光數(shù)據(jù)處理軟件機(jī)載林業(yè)—高度變量工具，生成林區(qū)高度變量統(tǒng)計(jì)表（如圖3、圖4 所示）：

圖3 LiDAR360 高度變量計(jì)算示意圖

圖4 LiDAR360 高度變量統(tǒng)計(jì)示意圖

3.3 LiDAR 數(shù)據(jù)估測葉面積指數(shù)（LAI）

葉面積指數(shù)是表征植被冠層結(jié)構(gòu)最基本的參量之一，它的定義為單位地表面積上所有葉片表面積的一半。目前利用激光雷達(dá)數(shù)據(jù)進(jìn)行LAI 反演主要是利用提取的冠層物理參數(shù)與實(shí)測的LAI 數(shù)據(jù)構(gòu)建統(tǒng)計(jì)關(guān)系模型進(jìn)行估測。這些物理參數(shù)間接地反映了激光點(diǎn)云在冠層中的分布，而LAI 激光在冠層中的穿透和攔截有關(guān)。激光穿透指數(shù)（地面點(diǎn)數(shù)目與所有點(diǎn)數(shù)目的比值，LPI）與激光攔截指數(shù)（一般指樹冠層激光點(diǎn)數(shù)目與所有點(diǎn)數(shù)目的比值）較多地應(yīng)用在激光雷達(dá)數(shù)據(jù)反演森林LAI 中。使用LiDAR360 激光數(shù)據(jù)處理軟件機(jī)載林業(yè)—葉面積指數(shù)工具，計(jì)算林區(qū)葉面積指數(shù)（如圖5所示）：

圖5 LiDAR360 葉面積指數(shù)計(jì)算示意圖

3.4 LiDAR 數(shù)據(jù)估測郁閉度

郁閉度是林分冠層的垂直投影占林地面積的百分比，在森林經(jīng)營管理中，郁閉度是確定撫育采伐強(qiáng)度的重要指標(biāo)，也是進(jìn)行森林蓄積量估測不可或缺的因子。郁閉度的估測還可以直接計(jì)算林分內(nèi)植被回波數(shù)和地面回波數(shù)的百分比，100%則表示林分內(nèi)樹冠密集，沒有開闊空間，反之則表示完全是開闊地。理論上通過計(jì)算非地面點(diǎn)的回波即可得到一定林分內(nèi)的樹冠郁閉度，要得到地面回波需要進(jìn)行點(diǎn)密度分析。Dickie 用ARC／INFO 生成地面點(diǎn)／非地面點(diǎn)比值密度柵格圖像，通過點(diǎn)密度柵格單元建立地面點(diǎn)密度增加和樹冠郁閉度減小之間的聯(lián)系，從而獲取樹冠郁閉度信息。使用LiDAR360 激光數(shù)據(jù)處理軟件機(jī)載林業(yè)—郁閉度計(jì)算工具，計(jì)算林區(qū)郁閉度（如圖6 所示）：

圖6 LiDAR360 郁閉度計(jì)算示意圖

3.5 LiDAR 數(shù)據(jù)估測林分密度

經(jīng)過識別樹冠頂部來獲取單位面積內(nèi)的樹木棵數(shù)就是林分密度。所以，研究的重點(diǎn)就是樹冠的分割。首先要用機(jī)載激光雷達(dá)數(shù)據(jù)形成樹冠高模型，然后，選擇變化的窗口在局部進(jìn)行最大值的搜索，將高程值中最大的激光點(diǎn)作為樹冠頂部。圓形狀和矩形狀是搜索窗口的主要形狀，樹的高度影響著窗口大小，樹高增大冠幅就增大隨之搜索窗口就越大，利用變動的窗口來求局部最大值識別樹頂用來估計(jì)各樣板地的樹木株數(shù)，從而估測各樣板地林分密度。

4.LiDAR 數(shù)據(jù)在林業(yè)中應(yīng)用存在問題

4.1 測量精度不高

用激光雷達(dá)調(diào)查森林立木蓄積，有兩種方法，一種是單株樹法，這個方法好比X 光能把人的骨頭架子透視出來一樣，對主林層的樹木預(yù)測很精準(zhǔn)，但對受到遮蔽的下林層樹木，會存在漏測和誤測的問題；另一種方法是樣地法，這種方法效率高，缺點(diǎn)是對主林層立木蓄積的預(yù)測精度不如單株樹法。

4.2 布設(shè)樣地工作量大

為提高估測精度必須在飛行區(qū)內(nèi)設(shè)置一些樣地，進(jìn)行人工調(diào)查，再據(jù)此擬合統(tǒng)計(jì)預(yù)測模型并編寫運(yùn)算程序。因此，激光雷達(dá)調(diào)查的精確性，終歸還是取決于抽樣調(diào)查方案以及樣地實(shí)測。所以，樣地調(diào)查的質(zhì)量是關(guān)鍵。樣地調(diào)查工作量巨大。

4.3 成本高

機(jī)載激光雷達(dá)的調(diào)查成本高，如果是第一次并且小面積地使用激光雷達(dá)技術(shù)，成本比較昂貴。調(diào)查區(qū)的規(guī)模越大，單位面積的均攤成本越低。

5.結(jié)束語

隨著LiDAR 傳感器的不斷進(jìn)步，采集地表點(diǎn)密度的逐步提高，單束激光可接收回波數(shù)目的增多，LiDAR數(shù)據(jù)將提供更為豐富的地表和地物信息。就光斑大小和間隔而言，脈沖發(fā)射頻率和分辨率將會繼續(xù)提高，更加適應(yīng)不同類型的地形。利用LiDAR 數(shù)據(jù)構(gòu)建的三維虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)將具有更為理想的現(xiàn)實(shí)模擬表達(dá)能力，其可靠程度也進(jìn)一步提高。在此基礎(chǔ)之上進(jìn)行更為精細(xì)的林地參數(shù)分析，如樹高、郁閉度、林分密度、生物量和蓄積量等，并對其做進(jìn)一步地研究和應(yīng)用將可獲得更為理想的結(jié)果[6]。