激光雷达技术对林业资源的应用

时间:2022-09-19 09:38:53

激光雷达技术对林业资源的应用

摘要:科学技术的快速发展为林业资源调查提供了更多的技术支持。无人机机载激光雷达技术作为林业资源调查中的新兴技术,利用其可以实现对地面三维数据的直接采集,进而为林业资源估算提供重要数据支持,在当前林业资源调查中有着较为广泛的应用。基于无人机载激光雷达系统的构成及工作原理,合理分析林业资源调查中无人机载激光雷达技术的具体应用,并分析林业资源调查中无人机载激光雷达技术应用的不足之处,指出无人机载激光雷达技术的应用前景。

关键词:林业资源调查;无人机;机载激光雷达技术;数据采集

20世纪80年代起,机载激光雷达技术逐步被应用到林业资源调查项目中。采用机载激光雷达技术可获取及识别三维坐标信息,实现对林业资源数据的动态化估测,尤其是在林分空间结构以及林木高度估测等方面表现出了良好的应用优势。经过多年发展,如今将机载激光雷达技术与无人机技术相结合,进而发展出无人机载激光雷达技术,相关技术具有操作方便、数据获取简单等优势,促使机载激光雷达技术在林业资源数据调查中得到广泛应用。因此,为更为深入确定林业资源调查中机载激光雷达技术的应用现状,以无人机载激光雷达技术为例,指出无人机载激光雷达技术的应用优势及不足,并说明未来应用前景,以期能够为后续机载激光雷达技术的发展提供一定参考。

1无人机载激光雷达系统的构成及工作原理

1.1无人机载激光雷达系统的构成

无人机载激光雷达系统主要由无人机、激光扫描仪、姿态测量和导航系统、数码相机以及数据处理软件等部分共同构成。无人机是无人机载激光雷达系统实施激光扫描作业时的空间载体和操作平台,其上可以搭载无人机载激光雷达系统所需的各种仪器设备,并且可以实现远程操作及控制,可有效降低数据采集时的能源损耗,降低林业资源调查的整体成本。通常情况下无人机载激光雷达系统所采用的激光扫描仪为数字化激光扫描仪,其是整个无人机载激光雷达系统的核心所在,可以通过激光扫描来获取地形地貌等三维空间信息。姿态测量和导航系统主要由GPS接收机、导航计算机、IMU惯性制导仪等设备共同组成,其中GPS接收机可以采用差分定位技术来获取无人机坐标信息;IMU惯性制导仪则可以获取无人机飞行过程中的飞行姿态,为激光扫描仪激光束发射角度及数码相机图像获取提供角度纠正支持[1]。为保障无人机载激光雷达系统的图像数据采集效果,应确保数码相机所获取的图像数据宽度与激光扫描仪的扫描宽度一致,所获取的图像数据经过纠正、镶嵌等一系列处理后,成为为林业资源调查提供重要数据支持的数字正射影像。激光扫描仪所获取的数据信息量相对较大,通常需要对相关数据信息进行预处理,此过程中所需软件为数据处理软件。

1.2无人机载激光雷达系统的工作原理

无人机载激光雷达系统在运作过程中会通过激光扫描仪主动向探测目标发射高频率激光脉冲,激光脉冲在照射到地物表面后会发生折射,进而被无人机载激光雷达系统接收。此过程中,无人机载激光雷达系统可以直接获取无人机距离地物表面的距离、坡度以及地物表面的粗糙度、反射率等数据信息,相关数据信息在经过数据处理软件分析处理后形成点云信息,即高密度三维空间坐标信息[2]。在GPS、导航计算机、激光扫描仪等系统设备的支持下,无人机载激光雷达系统不仅可以获取平面坐标信息,还可以获取地物的高程信息,并通过不同视角对相关三维坐标信息进行三维显示和量测,并采用数据处理软件获取三维坐标信息中所表达的地物表面积、体积等信息。无人机载激光雷达系统工作原理如图1所示。

2林业资源调查中无人机载激光雷达技术的具体应用

2.1单木分割

在无人机载激光雷达系统所获取到的点云数据足以识别出林分中的单木时,系统会根据林木种类的不同,采用不同的单木分割算法,对林分中的激光反射点进行有效点云数据分割。在完成点云数据精准分割后,采用数据分析软件进行分析处理,获取到林分中单木的树高、树冠、胸径等一系列数据信息。现有的单木分割算法大多是以冠层高度模型为基础,采用分水岭分割算法,将林分高点视作“山峰”,低点视作“山谷”,通过“水”对“山谷”进行填充,随着“水”填充量的额持续增加,不同山谷内的“水”也将会持续汇合,在汇合点出设置屏障,此片屏障便是分割结果[3]。在完成分割后,对单木进行自上而下分析,构建三维立体模型,获取单木的水平分布及垂直分布信息。某林木资源调查项目通过无人机载激光雷达技术所获取的数据信息如表1所示。

2.2树高估测

采用数据处理软件对激光扫描仪所发射的高频脉冲接触到树冠顶部和地面反射后所获取到的高程数据差进行计算分析,进而获取到树木的实际树高。树木树高作为林业资源调查的重要参数之一,其将会直接影响树木的质量和材积。在实际树高测量中,激光雷达系统所获取到树高估测数据主要分为样地水平和单木水平2种估测数据,其中样地水平估测数据还分为直接提取数据和间接提取数据,直接提取数据指通过直接数据获取的方式采集树冠顶部到地面的相对高度数据,间接提取数据则是通过构建树木冠层高度数据与激光雷达系统提取变量之间的相互关系来间接预估树木高度数据。

2.3叶面积指数

叶面积作为树木冠层结构的基本参数之一,其通常被定义为单位地面标记上所有叶片表面积的一半。在具体测量过程中,激光雷达系统会通过LAI(多种卫星遥感数据反演叶面积指数)反演,即通过激光扫描仪获取树木冠层物理常数信息与实测LAI指数数据来构建统计关系模型,进而根据模型对树木叶面积指数进行估测计算。相关物理数据可以间接反映激光扫描仪所获取点云数据在树木冠层中的分布情况,通常情况下,LAI指数与激光扫描仪所发生激光脉冲在树木冠层中的穿透和拦截情况有着直接关联,其中穿透指激光穿透指数,即激光雷达系统所获取到的地面点数量与所有激光点数量的比值;拦截指激光拦截指数,即树木冠层激光点数量与所有激光点数量的比值。

2.4郁闭度估计

林木郁闭度指林木冠层的垂直投影占林地面积的比值。通常情况下,林木郁闭度是林木资源采伐强度科学确定的重要指标因素,也是当前林木资源蓄积量估测的重要指标之一。此外,林木郁闭度还可以用于估算林分内激光反射数量与地面反射数量的比值。例如,当林木的郁闭度为100%时,说明林分内树木极为茂盛,内部没有开拓空间,不利于林下资源的生长;反之则表示林分区域开拓空间过多,需要继续增加林木资源量。从理论角度来看,对激光雷达系统所获取到的非地面反射点数量进行分析计算便可以得到林分中林木郁闭度,但想要保障此结果的真实性和有效性,还需要获取地面反射点数据密度分析数据。

2.5林分密度估测

所谓林分密度是通过已识别分析的树冠顶部数据进行预估分析后,获取到的单位面积内林木资源总数,林分密度的获取核心在于合理进行树冠分割。具体应用过程中,激光雷达系统会根据识别数据形成树冠高程模型,并以此为基础合理选择变化窗口在区域范围内进行最大值求解,将此过程中所获取到的最大值作为树冠顶部。常用的选择变化窗口形状为圆形状和矩形状搜索窗口,相关窗口的大小主要受树木高度的影响,树木越高,则搜索窗口的大小也将会越大,通过合理选择变化窗口的方式获取局部最大值,进而利用局部最大值预估区域范围树木总数,估测出林分密度。

3林业资源调查中无人机载激光雷达技术的应用不足及展望

3.1无人机载激光雷达技术的应用不足

结合当前实际来看,由于现有技术限制,无人机载激光雷达技术在林业资源调查中应用时仍然存在测量精度较低、样地布设工作量大、实际测量成本较高等不足。通常情况下,采用无人机载激光雷达技术对林木资源进行调查时,主要采用单株树法和样地法2种方法。采用单株树法调查时,获取的数据及预测精度较高,但对受主林层遮蔽的下林层树木的预测精度却相对较低,甚至会出现误测、漏测等情况,难以真正保障数据测量的精准性和有效性;采用样地法调查时,虽然测量效率相对较高,但预测精度低于采用单株树法时的预测精度。为有效提高无人机载激光雷达技术的测量精度,在实际测量前需在测量区域内设置多个样地,并安排专人对现场进行人工数据采集,之后根据采集数据拟合预测模型,编写数据处理程序,进而再将编写后的程序应用到具体林业资源调查过程中。由此可见,样地调查结果将会直接影响后续林业资源调查结果,而想要真正保障样地调查结果的有效性,必须加大样地调查工作量,促使无人机载激光雷达技术整体工作量大幅度增加。无人机载激光雷达技术更适用于实际规模较大的调查区域,由于样地调查、模型拟合、程序编写等诸多因素的影响,无人机载激光雷达技术的前期成本相对较高,若是在小面积调查区域使用,其分摊成本则会相对较高,而随着分摊面积的持续加大,无人机载激光雷达技术的实际分摊成本也将会持续减少。

3.2无人机载激光雷达技术的应用前景

利用无人机载激光雷达技术可以为获取高时空分辨率的空间信息提供更为有效的技术方案,此特征促使相关技术在诸多领域均有着良好的应用前景。其中在林业资源调查方面,利用无人机载激光雷达技术可领取垂直结构和水平结构的信息,为林业资源调查提供更为全面、有效的数据支持,不仅有利于推动林业资源调查的进一步发展,还有利于与其他技术手段相结合,构建出更适用于林业资源调查的新型技术手段。

4结束语

随着无人机载激光雷达技术的快速发展,如今无人机载激光雷达技术在林业资源调查中应用时所采集的地表点密度也在持续增加,单束激光脉冲所能够获取的反射数量也有所增加,进而促使系统可以获取更多的地表、地物信息。从林业资源调查项目实际需求以及无人机载激光雷达技术的不足来看,在未来无人机载激光雷达技术的激光脉冲发射频率和数据采集分辨率将会不断提升,进而促使无人机载激光雷达技术可以适用于不同地形、不同种类林木资源调查过程中。同时,无人机载激光雷达技术所构建出的三维虚拟仿真模型将具有更强的虚拟现实表达能力,相关模型的可靠性也将会进一步提升。在相关特点的支持下,无人机载激光雷达技术在林业资源调查中应用时所获取到的数据参数的精准性和有效性也会得到提升,最终获取到更为理想的数据成果。

参考文献:

[1]朱晓敏.浅谈无人机遥感技术在林业资源调查与监测中的应用[J].南方农业,2020,14(20):76-77.

[2]骆生亮.机载激光雷达技术在林业资源调查中的应用[J].经纬天地,2020(2):28-31.

[3]刘鹤,顾玲嘉,任瑞治.基于无人机遥感技术的森林参数获取研究进展[J].遥感技术与应用,2021,36(3):489-501.

作者:鲁志峰 单位:广东华胜云信息技术有限公司

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