應用背景

　　森林資源調查作為掌握森林資源現狀和發展變化的主要手段，對可持續森林資源的經營管理與保護具有重要意義。

　　傳統的森林調查技術較為落后和粗放，調查人員需要深入森林腹地，勞動強度高并伴隨著不可預見的危險性。森林參數獲取依賴外業人員野外抽樣實地測量，所用手段僅限于手持式測高儀、胸徑尺、卷尺等較為原始的測量儀器，不僅費時費力而且只能獲取到小范圍林區信息，調查范圍不全面。

　　遙感技術的飛速發展為實現高效和大面積森林資源調查帶來希望，但受制于光學遙感影像無法“穿透”林冠而獲取森林垂直結構信息的現實，能夠得到的有效林分參數有限。

應用方向

　　激光雷達技術有著區別于傳統光學遙感嚴重依賴太陽等外部光源的特點，它通過自身主動發射激光束探測目標而擁有全天候作業的能力。有了多回波技術的加持，激光雷達發射的脈沖激光束可透過林間隙抵達林木樹干甚至于地面，獲取其三維點云數據，從而完整地得到森林垂直結構信息，最終實現樹高、胸徑、蓄積量等林木參數信息的提取。

　　目前，對于大面積森林資源調查監測，主要以機載激光雷達形式為主，輔以地面和SLAM型三維激光掃描儀。激光雷達技術主要應用于株數、樹高、胸徑、郁閉度等基礎林分參數的提取以及林分蓄積量的估算。

　　01、林分株數

　　株數即給定區域內林木的數量信息，是描述林分密度的重要指標。株數提取算法為基于點云數據生產的冠層高度模型（CHM）進行局域極大值探測。經過對CHM進行遍歷得到窗口內的最大值，就可得到樹冠頂點，從而得到株數信息。

　　CHM立體示意圖

基于CHM提取林木株數示意圖

　　02、林分樹高

　　林分樹高在反映樹木生長狀態的同時，也是估算森林蓄積量的一個重要參數。激光雷達技術不僅能夠獲取林區冠層點云，也可以獲得林冠下的地形點云。基于二者處理得到的CHM，利用樹冠頂點即可提取得到單木樹高參數。

　　基于CHM提取林分樹高示意圖

　　03、林木胸徑

　　林木胸徑是評價林木生長狀況的重要參數之一。

　　人工測量方法為使用胸徑尺量取距離樹木根部1.3m處的樹木直徑作為胸徑參數。基于地面或SLAM型激光雷達點云數據提取樹木胸徑信息的方法為Hough擬合圓法，該法具體操作為對樹木進行單木點云分割，在此基礎上截取1.3m胸徑高處的點云數據生成對應的二維柵格圖像，隨后以Hough變換擬合圓算法進行圓形擬合，得到的圓形直徑可視為樹木胸徑。

　　截取1.3m處胸徑高處點云數據示意圖

　　基于圓形擬合獲得胸徑參數原理示意圖

　　04、林分郁閉度

　　郁閉度是林木生長狀況的宏觀反映，是決定采伐強度的關鍵性因素。郁閉度是林木冠幅投影與林地面積的百分比。

　　傳統遙感手段需采用復雜的圖像處理算法對正射影像（DOM）進行林木冠幅分割，之后統計冠幅與林地面積的比值計算郁閉度。基于多回波技術的激光雷達則通過直接統計首次回波的植被點數與首次回波總點數的比值得到郁閉度，簡單且高效。

　　基于多回波技術提取林分郁閉度示意圖

激光雷達優勢

　　激光雷達在森林資源調查與監測中優勢明顯：

　　01、作業效率高，滿足大面積森林資源調查之需求

　　以海達數云機載激光雷達智喙PM-1500為例，其擁有四次回波，高達200萬點/秒的掃描速度，可有效獲取樹枝、樹干、地表等全面的三維信息，以便于精確地提取林分參數。此外，得益于1500米長測距，不僅無懼高落差的山地地形，單次作業覆蓋面積大，調查作業效率也得到極大的提高。

　　02、人工干預少，人員安全

　　智喙PM-1500機載激光雷達作業半徑可達30km，在航線規劃完畢后無需人工干預即可自動執行任務。作業人員無須深入林區，從而確保人員調查安全，避免意外情況發生。

　　03、森林資源調查的成果種類豐富

　　除了常規遙感手段能夠獲取的林分數量、冠幅、郁閉度等常規參數外，激光雷達技術還可進行樹高、胸徑參數的直接獲取以及林分蓄積量等的精準估算，為森林資源調查提供更加準確而全面的參數信息。

　　04、數據客觀準確，具有可回溯性

　　人工依賴現場抽樣調查，調查范圍、對象的選取往往具有隨機性和主觀性且調查活動只能進行一次，不具備可回溯性，這就可能導致調查結果的客觀性和準確性難以得到保障。

　　基于激光雷達技術，一方面可得到覆蓋整個范圍的林木點云數據，另一方面可基于點云數據處理算法實現范圍內整體林分參數的自動化提取。

　　此外，通過機載、地面、SLAM等多源激光雷達數據的融合處理甚至能夠滿足要求更加詳細的單木級林分參數提取。激光雷達技術提取林分參數具有無可比擬的客觀性和有效性。