激光雷达在森林资源规划设计调查中的应用

蒙增龙

（广西南宁森科林业规划设计有限公司，广西 南宁 530000）

我国现有的遥感技术主要适用于森林资源管理、普查、动态监测、灾情评估等多个领域，但传统光学遥感技术只能提供二维层面的数据信息。尽管高空航拍影像可以精准探测林木变化情况及变化范围，还能科学识别林木种类，但却无法提取森林垂直结构等参数信息，因此无法得出森林垂直结构参数。与此同时，在森林区域进行摄影测量时，很可能面临多种外界影响因素的干扰，如外业难以控制、加密选点不准确、影像匹配过于模糊等。但机载激光雷达技术的应运而生不但能解决以上问题，还能有效提升森林资源规划设计调查工作的精准性。

1.激光雷达的测树原理及应用方法

激光雷达主要由扫描仪、计算机、电源供应系统三部分组成，该三维激光扫描系统在指定应用过程中通常需要持续不断地采集、分析、处理数据信息，同时基于扫描仪构建三维激光空间坐标系，通过观察空间坐标系的点云图来分析目标物体的采样结果。

1.1 测树原理

激光雷达的测树原理指根据脉冲激光来回发射传播的时间差确定仪器与扫描点之间的距离，基于脉冲反射的水平、垂直数值来确定扫描点的三维坐标值，从而通过判别扫描点的反射角度来确定地物类型。

1.2 应用方法

针对大面积森林资源规划设计进行调查时，可以通过大飞机机载激光雷达提取点云数据，这也是短时间内快速获取大面积林业点云数据的重要方式和手段。激光雷达中包含的专业分析软件有助于科学分析、处理点云数据，并从整体点云数据中区分单木数据，进而获得树高、树冠尺寸、胸径、生物量等参数指标，其精度也可以被控制在10cm以内。

地基激光雷达具体可以分为背包激光雷达、车载激光雷达等类型，在移动雷达设备的载体作用下，地基激光雷达可以实时获取林木相关参数信息，其精度也可精确到2mm，特别是在小范围内的林木参数与大面积林木样本数据采集中有着较高的适用性。

小范围内的林木参数统计可以通过无人机激光雷达实现，其在作业面积区域适中、地形结构单一的森林资源规划设计调查中有着广泛的应用前景。最重要的是，无人机激光雷达还具有操作简便、灵活性强的优点，其在实际使用中还能从根本上解决道路运输不通畅的问题。

2.光雷达在森林资源监测中的应用前景

2.1 局限性

在森林资源监测中应用激光雷达技术可以为相关工作人员提供科学可靠的数据信息，但这项技术在实际应用过程中仍存在明显弊端。尤其在数据采集过程中，激光雷达很可能在感应器中高度占用运行空间，由此导致森林数据信息的处理速度过于缓慢，甚至还会经常出现卡顿的情况。最重要的是，激光雷达的应用成本远高于森林监测方案的费用成本。这项技术在实际使用中需要利用小光斑激光对森林数据进行采样，在此过程中不可避免的会出现树冠遗漏的情况，从而导致最终获得的采样数据低于树木的实际高度，因此经过小光斑激光采样后，还需要借助大光斑激光完成森林数据采样工作，其不仅有着扫描范围广的优势，还能全面覆盖森林中的树冠，最终提取出的森林采样数据还能与小光斑激光采样数据形成互补。

但将这两种技术结合再进行森林采样，又会额外增加不必要的经费成本，甚至付出双倍采集时间，因此必须积极完善这种激光雷达技术。

结合当前现有技术水平，在数据采样中应用激光雷达技术时，很可能出现雷达数据不完整的情况。而激光雷达中的激光器在实际运行过程中，又会出现高压脉冲波占用激光发射器通道的情况，而我国现有的激光发射器又会受到技术因素影响，出现激光数据供应不足的情况。

2.2 发展前景

激光雷达可以精准测量森林结构高度，有效弥补其他遥感技术的缺陷。与此同时，激光雷达还能通过智能化手段测量某些数据信息，有效避免人工测量引起的偏差。由于激光雷达技术普遍具有精准性高、传播速度快的优点，因此其在实际使用中可以动态性检测出森林资源分布情况，并以图像记忆的方式还原雷达中提取的数据信息，以此为森林资源分析工作的顺利开展奠定良好基础。尽管激光雷达可以保证资林资源监测的精准性，但却无法大面积监测森林资源。但将这项技术与其他遥感技术进行有机结合，就能有效弥补数据数量不足的弊端，有效促进激光雷达在森林监测中的深化发展，并为遥感技术的创新与优化奠定良好基础。

大面积采集森林数据信息时，可以针对森林结构高度、地形结构、垂直分布、水平分布等参数进行具体分析，并为森林资源的应用与管理提供科学可靠的参考依据，进一步提高生态环境的信息化建设水平。目前激光雷达已在森林资源监测中得到了广泛应用，在未来发展阶段应针对这一领域进行更深层次地研究与分析。

2.3 监测成果

将激光雷达应用到森林资源监测工作时，可以从森林整体结构高度、植被高度以及森林植被占有密度等方面着手分析监测成果。

激光雷达中的大光斑激光可以有效采集森林结构高度相关数据信息，在能量阙值内激光发生器中的波形将会上下波动，而能源控制器则能间隔记录相关数据信息，且雷达中的数据转换装置可以将存储的数据信息转换为森林高度参数。

依托于激光发射原理，森林冠层顶部与雷达传感器之间的距离为激光发射的初始信号，森林地面着位点为信号回波终点。森林冠层接收到雷达激光信号后，还会产生信号回访波动，用传感器记录回访波的峰值后就能计算差值，也就是明确森林结构高度、岩溶等复杂地貌在激光信号峰值中体现出的变化。基于此，在森林高度计算过程中，还需要考虑其是否需要减去地面参差不齐的高度或宽度。

大光斑激光不但能将森林冠层到传感器之间的信号传达到雷达系统，将森林信号转化为数字信号后，又能通过雷达智能筛选记录下来的数据信息，同时获得树冠高度、地面监测点位等数据信息。森林冠层与传感器之间的脉冲波形可以反映出树冠在垂直平面中占据的大小，结合占有面积的比例，通过手绘分析的方式塑造森林垂直结构，还能为树木垂直结构的分析奠定良好基础。

对森林垂直结构进行技术层面的分析时，可以事先模拟阳光在森林中的投射情况，截取一部分森林垂直结构后，再为后续研究工作的顺利开展奠定良好基础。由于树冠结构会随着树木生长发生变化，成年树木的树冠垂直结构更是具有明显的复杂性，整个结构也呈现出了一定的匀称性特点，而激光雷达发射出的激光又能根据这一树木特点，基于树木激光信号分析形成灵敏的反应机制。

激光雷达主要通过小光斑系统来完成生物密度方面的监测，计算植被脉冲波数量与地面脉冲波数量的比值后，就可以根据小光斑激光在植被脉冲波与地面脉冲波中占据的面积计算比值，且这两种比值都需要以脉冲在森林植被和地面中的反射率为主要输出对象，并将其与其他必要脉冲信息结合，进而利用光学遥感数据反映出的定位信息，有效监测大范围内的森林生物密度。经大量实验研究表明，树冠垂直结构与森林生物密度整体呈对数线性关系，在激光雷达中应用光学摄影模式时，可以将激光发射方式与光学摄影方式进行有机结合，在激光雷达的支持下通过树冠垂直结构估测整个森林生物密度。实际上树木的生长情况普遍伴随着时间的变化，并且树木高度、宽度、树冠剖面都与森林生物密度存在一定的关联，而激光雷达也可以通过高度信息演算确定树木生长关系。

3.激光雷达在森林资源规划设计调查中的应用

森林资源规划设计调查作为一项重要的基础工作，其调查对象主要面向的是县级行政区域与森林经营单位，基于小班调查单元，充分满足林业规划与管理需要。针对各类林地面积及其权属、林地种类、林地保护等级等要素进行森林资源规划设计调查时，通常需要严格按照具体的要求和标准，从以下几方面着手制定技术方案：首先，依托于目视解释确定林地属性，并在实地外业调查中逐一排查存疑的图斑，最后利用激光雷达采集森林树高、郁闭度等信息。在不同遥感手段支持下，可以实时监测森林内部信息，而激光雷达技术的有效应用，又能保证遥感数据获取的精度，在提高林区冠层高度、郁闭度以及林区单木的位置高度后，就能有效减轻人工调查的工作负担，并为森林资源调查的准确性提供基本保障。激光雷达原本就是一项主动遥感技术，这项技术在实际应用中极大地提高了森林参数提取的精确性。

将机载激光雷达与地基激光雷达进行综合运用，可以精准获得树高、胸径、郁闭度等参数信息。若机载激光雷达无法采集高空信息，则可以通过移动平台激光雷达获取三维结构信息，并在点云软件支持下判别单木类型，进而采集林木位置、株数、胸径等信息。

4.激光雷达在森林资源规划设计调查中的数据处理

对某自治区域的森林资源规划设计调查进行数据处理时，可以借助点云软件完成以下数据处理工作：第一，点云合并。由于机载雷达数据主要以幅为单位，每一幅的覆盖面积为1km2。在此基础上将区域内的点云数据合并，可以有效提高数据处理效率。第二，去噪。由于点云数据中还包含着一部分杂质信息，如空气中的悬浮颗粒物等。在处理过程中可以选择适合的滤波方法，将主体点云外的离散点云去除，进而有效处理测量数据中出现的粗糙毛刺和噪点。第四，建立数字高程模型。对于已经过去噪处理后的点云数据，可以通过插值的方式构建数字高程模型，以此采集地表高度等参数信息。第三，归一化。将去噪点云数据与高程模型进行有机结合，就能得到归一化的点云数据，将所有点与数据的值域进行归一化处理，同时有效提高后续点云数据分析处理工作的效率。第四，生成种子点。基于归一化的点云数据，对于需要提取的高植被点、林木高度等筛选参数，由于不同参数选择带来的结果不同，因此研究小组应根据样例数据测试出最佳的参数值，同时获得准确的乔木林种子点数据。第五，单木分割。以种子点数据为载体进行单木分割时，可以获得相关数据信息。第六，提取郁闭度数据。将种子点数据进行统计分析，就可以确定每一像素值下的郁闭度值，进而得出整个目标区域的郁闭度值。

表1 激光雷达在森林资源规划设计调查中的数据处理结果

5.激光雷达在森林资源规划设计调查中应用的优缺点

5.1 优点

机载激光雷达技术的有效应用为高时空分辨率空间信息的获取提供了技术层面的支持，在森林资源规划设计调查中，机载激光雷达技术还能直接检测植被高度。最重要的是，这项技术不仅能检测出森林垂直结构信息，还能有效弥补其他遥感技术带来的不足。此外，将激光雷达与其他遥感技术进行有机结合，还能切实提高森林参数获取的精准性与全面性。

5.2 缺点

尽管激光雷达可以保证植被与林间地貌信息采集的准确性，但这项技术在实际应用过程中仍然存在多个方面的局限性。如数据处理软件较少、无法专门处理点云数据、数据处理时间较长、费用成本相对较高等。由于激光雷达是以离散采样的方式采集相关数据信息，一旦树顶采样数据出现明显偏差，就会影响树高预测的准确性，因此在处理过程中，通常需要提高采样密度、降低飞行高度，但这也额外增加了不必要的飞行成本。机载激光雷达技术原本就涉及到了测量、遥感、信号处理等多个领域，其本质上属于多个学科交叉形成的综合性技术，因此只有充分发挥各个学科相互协调的优势，才能最大限度地提高机载激光雷达技术的应用水平。

6.结语

目前机载激光雷达技术在森林资源规划设计调查中已得到了广泛应用，其还在多个领域下的测量系统中发挥了至关重要的作用。激光雷达技术相比于其他遥感技术，其本质上属于遥感技术的又一次革新。经大量实验结果表明，机载激光雷达技术可以保证信息获取的高效性与实效性，其在传统航空遥感影像的配合下，将会为森林资源规划设计调查提供更强有力的支撑。