激光雷达技术在森林资源监测中的研究进展

韦复国，邱世平

(1.崇左市林业科学研究所，广西 崇左 532200；2.广西南宁林业勘测设计院，广西 南宁 530001)

森林资源是生态系统中的重要组成部分，同时也是国家的重要资源之一。森林资源监测对生态环境平衡及改善有着较大的帮助。传统的森林资源监测依靠人力实地测量，由于森林面积庞大和在森林中涉足的面积有限，导致对森林资源的监测始终无法达到理想的监测程度，尤其是对一些岩溶和地形复杂的森林资源进行监测更难。随着激光雷达技术的不断发展，人们将此技术应用在森林资源监测中，为森林资源监测提供了便利的条件[1]。

激光雷达技术是应用传感器向目标物体发出激光来测量传感器到目标物体之间距离的遥感技术，具有分辨能力强、精准度高、抗体干扰能力强等优势，因此可以应用于地表探测，收集森林中的地貌、地质、森林面积等数据信息[2]。20世纪80年代，激光雷达技术已经逐渐地应用到森林资源监测工作中，用于探测森林资源的各类数据参数，通过遥感图像对森林参数进行定位估测，并应用三维坐标来确定森林的空间高度，经过几十年来的发展，激光雷达技术在的森林资源探测方面已经有了较为成熟的发展与突破[3]。

本文对激光雷达在森林资源监测方面的成就进行展望与分析，并从中寻找出需要改进的地方，以便能进行更加深入的研究。

1 激光雷达技术在森林资源监测中的运用前景

1.1 激光雷达技术在森林资源监测方面的局限性

激光雷达技术虽然在森林资源监测方面为工作人员提供了大量数据信息，但是其仍然具有一定的缺陷。激光雷达技术在进行数据收集时会占用感应器的大部分运行空间，导致森林信息数据处理缓慢经常出现卡顿现象，并且应用激光雷达技术的成本高昂，相对于其他的森林监测方案费用将大大提升。激光雷达技术一般主要采用小光斑激光进行森林数据采样，过程中常会出现遗漏树冠的情况，导致获取的采样数据出现低估树木高度的问题，所以在小光斑激光进行采样后会应用大光斑激光进行采样[4]。大光斑激光的扫描范围广，不容易遗漏森林中的树冠，所获取的森林采集数据能够与小光斑激光所收集到的数据进行互补，但是若同时采用2种技术对森林进行采样将会付出额外的大量经费，并且会浪费双倍的采集时间，所以需要对这种激光雷达技术进行完善[5]。

根据目前的科技水平，激光雷达在进行森林数据采样过程中会出现雷达数据缺少现象，激光雷达的激光器在运行过程中发出的高压脉冲波会占用一部分激光发射器的通道，由于我国的激光发射器运行系统受到一定的技术限制，所以激光雷达能够应用的激光数据常常出现供应不足的现象[6]。激光雷达进行森林监测中所发出的高压脉冲波形图见图1。

图1 激光雷达在进行森林监测中所发出的高压脉冲波形图

1.2 激光雷达技术在森林资源监测方面的前景

激光雷达能够直接对森林的整体结构高度进行测量，这是其他遥感技术难以实现的，激光雷达可以相应地智能化测量森林的部分数据，减少人工对监测工作方面的资源投入[7]。激光具有精准性好、传播速度快的特点，应用激光技术能及时报告森林中的状况，在雷达中可以通过图像记忆数据的方式体现出来，方便对森林资源进行分析。激光雷达虽然能够提供比较精准的森林资源数据，但是无法大量地对森林资源进行监测，若与其他遥感技术相结合，弥补数据数量方面的问题，那么激光雷达技术将会在森林监测方面有更加深入的发展，还会基于遥感技术上有更深层次的突破[8]。激光雷达技术在森林资源监测中的遥感图见图2。

对森林进行大面积的数据采集，收集森林的结构高度、地形地貌、森林内部的垂直分布以及水平分布等，有利于更好地管理与利用森林资源，为建设良好的生态环境提供至关重要的参数，同时激光雷达技术也在近年的森林资源监测发展中表现良好，具备一定的发展前景[9]。

图2 激光雷达技术在森林资源监测中的遥感图

1.3 激光雷达技术在森林资源监测方面研究进展

在20世纪60年代初期，激光雷达技术开始运用于森林资源监测，主要对森林的基本数据进行预测，通过识别内容采用激光扫描对森林胸高断面积和植被高度以及森林密度进行预测研究；20世纪90年代，科研人员已经能够应用激光雷达相对准确地对森林资源进行监测，但是遥感图像的清晰度还没有进一步的突破；目前激光雷达已经能够比较精准地以高清晰度形式来监测森林资源，科技人员正在对数字化控制激光雷达技术进行研究，激光雷达的数字化和智能化以及统计化将是未来的发展趋势。

2 激光雷达技术在森林资源监测方面的成果

2.1 植物资源方面的监测成果

激光雷达在森林资源方面的监测主要有森林的整体结构高度、植被的具体高度及森林中植被的占有密度[10]。

当激光雷达采用大光斑激光时，适合进行森林结构高度的信息数据采集，激光发射器所发出的波形在能量阈值内上下波动，雷达中的能源控制器会一定间隔地进行能量数据记录，随后雷达中便会有数据转换装置将能源记录器所记录的数据转换为相应的森林高度，根据激光发射的物理原理可知初始信号是森林冠层顶部到雷达传感器的距离，而回波最终点是森林地面的着位点，根据此原理森林冠层收到雷达激光的信号后产生信号回访波动，随后回访波的峰值被传感器记录，计算差值即为森林的结构高度，岩溶等复杂地形地貌会对激光的信号峰值产生影响，所以在计算森林高度的同时需要考虑到是否减去地面层次不齐的高度或宽度[11]。激光雷达在森林结构高度监测中的应用见图3。

图3 激光雷达监测森林结构高度

大光斑激光雷达直接将森林冠层的信号到传感器的信号传达到雷达系统中，将森林信号转换为数字信号并进行记录，所记录的数据经过雷达智能筛选，只保存了树木的树冠高度以及地面监测点位置，雷达系统所记录的树冠部分包含树干、枝叶、果实的垂直平面映射图[12]。森林与传感器之间的脉冲波形关系较好地体现了树冠在垂直平面占有的面积，根据占有面积的比例可以通过手绘分析重新建立森林的垂直结构，为树木的垂直结构分析创造了良好的条件[13]。

美国科研技术人员曾利用SJD脉冲波形完整地描述了树木的垂直结构，并模拟了阳光在森林中的投射情况，将树木的垂直结构进行截取分析，将森林垂直结构平面研究提升了一个新的层次[14]。随着树木的成长，树冠的结构也会发生变化，成年树木的树冠垂直结构具有间隙大、结构杂等特点，从整体结构来看具有一定的匀称型，激光雷达所发出的激光便根据树木的这一特点对树木的激光信号分析产生敏感的反应机制[15]。

2.2 生物密度方面的监测成果

对于生物密度方面的监测激光雷达一般应用小光斑系统，通过小光斑激光对森林中植被脉冲波数量和地面脉冲波数量的比值进行计算，并结合小光斑激光在森林中植被脉冲波与地面脉冲波所占有的面积进行比值计算[16]。2种比值均需要以脉冲在森林植被和地面的反射率作为最终的输出对象，再与其他必要脉冲信息相结合，依靠光学遥感数据所提供的准确定位信息来监测较大范围的森林生物密度[17]。激光雷达应用小光斑激光脉冲手段进行的监测见图4。

图4 小光斑激光脉冲监测

英国科学家曾应用光学摄影的方式测算了森林中的光学密度，发现树冠的垂直结构与森林中的生物密度存在一定的联系[18]。经过大量的实验数据表明，树冠的垂直结构与森林中的生物密度呈对数线性关系，将光学摄影的方式应用在激光雷达技术中，使激光的发射方式与光学摄影的方式相结合，可实现激光雷达通过精准的树冠垂直结构测量估测整体森林生物密度[19]。由于树木会随着时间的变化而生长，但是树木都具有一定的生长规律，在一定的时间范围内树木的高度、宽度以及树冠剖面都与森林中的生物密度存在着一定的关系，树木的生长关系也可被激光雷达技术通过高度信息演算出来[20]。树木的生长周期见图5。

图5 树木生长周期

2.3 其他方面的监测成果

通常温带气候的森林植被叶面积较为均衡，不具备寒冷地带的针状林以及热带地区的大叶林，不需要采用独特的激光检测技术，常规的激光检测便能对森林资源的叶面积进行良好的监测。Cao Minglan等[21]分别对森林中的垂直结构不同区域的叶面积进行采集，并通过数据计算出叶面积指数关系。由于Feng Litian等[22]所应用的雷达激光较强，有一定的穿透力，科技人员应用这一特点对森林资源中的地表进行穿透性监测，能够监测森林中的土壤覆盖程度以及地表水资源的储备量。

3 激光雷达技术在森林资源监测方面的完善与改进

在应用普通激光雷达技术对森林资源进行监测时，会受到雷达运行空间不足、费用高昂、监测数据量有限等问题的制约，亟需提出一些有效的解决方法。

激光雷达在工作运行的过程中是可以进行移动的，因此可以将激光雷达系统以机载的方式体现出来，构成一套机载激光雷达系统[23]。在机载系统中增加激光扫描装置、监视控制装置、空间运行扩容等[24]。机载激光雷达具有一定的灵动性，能够较全面地对森林中的各个方位进行监测[25]。在机载激光雷达中还增加了空间运行扩容，主要是为了解决激光雷达运行空间不足的问题，减少人工对雷达系统的信息数据提取次数[26]。由于扩容的质量较大会对机载续航能力产生一定的影响，因此所选用的扩容具备自给能力，应用的机载激光雷达在森林资源监测的过程中所增加的硬件设施与机载激光雷达相互结合，形成一套费用低、监测数据量大、运行空间充足的机载体系。

激光雷达中的激光扫描技术需要配合一些关键技术作为支撑才能实现放射激光脉冲波[27]，这一技术需要昂贵的费用来支撑[28]。在激光雷达系统中引用韦存存研究的激光二极管作为发射激光脉冲的介质[29]。在激光发射器的反映下激活激光二极管的发射流程促使激光雷达发射精准的激光脉冲，减少部分关键技术及监测成本[30]。本文引用的激光二极管结构见图6。

4 激光雷达技术在森林资源监测中面临的挑战与研究热点

与其他的技术相比较，应用激光雷达技术进行森林资源监测是在遥感技术监测方面的一大改革，可让森林资源研究变得更方便准确。随着高新科学技术的发展，激光雷达技术在森林监测方面还有着更深层次的提升潜力。近年来激光雷达对森林资源监测的分辨率一直处于高清状态，对于一些森林细节资源无法进行精准的识别。目前各国科研人员正致力于高分辨率的遥感技术，将森林监测图像变得更加清晰，提升可观性，争取将雷达检测结果的分辨率达到 1 800 p，同时我国也正在研究高分辨率激光雷达遥感数据的应用范围，针对激光雷达所提供的真实性数据分析其数据特征，研制开发新一代的软件系统，为实现智能化激光雷达技术对森林监测夯实了一定的基础。研究热点趋势分析见图7。

图6 激光二极管结构

图7 研究热点趋势分析

图7中的智能化环节为提升雷达图分辨率的一大难点，目前的科技手段已经能够通过手动调节对图像清晰度进行控制，但进行智能化还需依靠芯片的硬件支撑，当前的科技手段还无法达到此领域。

5 结语

随着生态环境问题的日益凸显，人们对森林资源的重视程度也越来越高，森林资源在整个生态环境中扮演着不可或缺的角色，对其进行合理的监测是维持森林生态平衡的有效途径之一，应用激光雷达技术对森林环境资源进行监测已比较成熟并取得了较好的成效，但仍有一些缺陷需要改进，本文首先对激光雷达取得的成就进行分析与肯定，同时针对一些不可避免的问题提出相应的改进措施。