应用背景

　　森林资源调查作为掌握森林资源现状和发展变化的主要手段，对可持续森林资源的经营管理与保护具有重要意义。

　　传统的森林调查技术较为落后和粗放，调查人员需要深入森林腹地，劳动强度高并伴随着不可预见的危险性。森林参数获取依赖外业人员野外抽样实地测量，所用手段仅限于手持式测高仪、胸径尺、卷尺等较为原始的测量仪器，不仅费时费力而且只能获取到小范围林区信息，调查范围不全面。

　　遥感技术的飞速发展为实现高效和大面积森林资源调查带来希望，但受制于光学遥感影像无法“穿透”林冠而获取森林垂直结构信息的现实，能够得到的有效林分参数有限。

应用方向

　　激光雷达技术有着区别于传统光学遥感严重依赖太阳等外部光源的特点，它通过自身主动发射激光束探测目标而拥有全天候作业的能力。有了多回波技术的加持，激光雷达发射的脉冲激光束可透过林间隙抵达林木树干甚至于地面，获取其三维点云数据，从而完整地得到森林垂直结构信息，最终实现树高、胸径、蓄积量等林木参数信息的提取。

　　目前，对于大面积森林资源调查监测，主要以机载激光雷达形式为主，辅以地面和SLAM型三维激光扫描仪。激光雷达技术主要应用于株数、树高、胸径、郁闭度等基础林分参数的提取以及林分蓄积量的估算。

　　01、林分株数

　　株数即给定区域内林木的数量信息，是描述林分密度的重要指标。株数提取算法为基于点云数据生产的冠层高度模型（CHM）进行局域极大值探测。经过对CHM进行遍历得到窗口内的最大值，就可得到树冠顶点，从而得到株数信息。

　　CHM立体示意图

基于CHM提取林木株数示意图

　　02、林分树高

　　林分树高在反映树木生长状态的同时，也是估算森林蓄积量的一个重要参数。激光雷达技术不仅能够获取林区冠层点云，也可以获得林冠下的地形点云。基于二者处理得到的CHM，利用树冠顶点即可提取得到单木树高参数。

　　基于CHM提取林分树高示意图

　　03、林木胸径

　　林木胸径是评价林木生长状况的重要参数之一。

　　人工测量方法为使用胸径尺量取距离树木根部1.3m处的树木直径作为胸径参数。基于地面或SLAM型激光雷达点云数据提取树木胸径信息的方法为Hough拟合圆法，该法具体操作为对树木进行单木点云分割，在此基础上截取1.3m胸径高处的点云数据生成对应的二维栅格图像，随后以Hough变换拟合圆算法进行圆形拟合，得到的圆形直径可视为树木胸径。

　　截取1.3m处胸径高处点云数据示意图

　　基于圆形拟合获得胸径参数原理示意图

　　04、林分郁闭度

　　郁闭度是林木生长状况的宏观反映，是决定采伐强度的关键性因素。郁闭度是林木冠幅投影与林地面积的百分比。

　　传统遥感手段需采用复杂的图像处理算法对正射影像（DOM）进行林木冠幅分割，之后统计冠幅与林地面积的比值计算郁闭度。基于多回波技术的激光雷达则通过直接统计首次回波的植被点数与首次回波总点数的比值得到郁闭度，简单且高效。

　　基于多回波技术提取林分郁闭度示意图

激光雷达优势

　　激光雷达在森林资源调查与监测中优势明显：

　　01、作业效率高，满足大面积森林资源调查之需求

　　以海达数云机载激光雷达智喙PM-1500为例，其拥有四次回波，高达200万点/秒的扫描速度，可有效获取树枝、树干、地表等全面的三维信息，以便于精确地提取林分参数。此外，得益于1500米长测距，不仅无惧高落差的山地地形，单次作业覆盖面积大，调查作业效率也得到极大的提高。

　　02、人工干预少，人员安全

　　智喙PM-1500机载激光雷达作业半径可达30km，在航线规划完毕后无需人工干预即可自动执行任务。作业人员无须深入林区，从而确保人员调查安全，避免意外情况发生。

　　03、森林资源调查的成果种类丰富

　　除了常规遥感手段能够获取的林分数量、冠幅、郁闭度等常规参数外，激光雷达技术还可进行树高、胸径参数的直接获取以及林分蓄积量等的精准估算，为森林资源调查提供更加准确而全面的参数信息。

　　04、数据客观准确，具有可回溯性

　　人工依赖现场抽样调查，调查范围、对象的选取往往具有随机性和主观性且调查活动只能进行一次，不具备可回溯性，这就可能导致调查结果的客观性和准确性难以得到保障。

　　基于激光雷达技术，一方面可得到覆盖整个范围的林木点云数据，另一方面可基于点云数据处理算法实现范围内整体林分参数的自动化提取。

　　此外，通过机载、地面、SLAM等多源激光雷达数据的融合处理甚至能够满足要求更加详细的单木级林分参数提取。激光雷达技术提取林分参数具有无可比拟的客观性和有效性。