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激光雷达用于森林调查的障碍与突破

信息来源:admin     时间:2018-10-08     浏览: 2698次


    激光雷达森林调查,可通过App自动生成森林面积、蓄积、林相、生长量、路网、居民分布、水网、植被高度、碳汇、平均胸径、树高、火灾管理方案、采伐规划图等图表产品,可以便捷地监测森林资源的存量及其变化,而且越是连年开展,成本越低廉,因此非常适用于当今需要按年度报告的自然资源管理制度。

    近年来,越来越多的人开始关注激光雷达森林调查,但对这项新技术,越是热,越需要沉着看待,需要从各个侧面加以认识。

   北京中林联林业规划设计研究院有限企业近四五年来一直在调研和准备激光雷达森林调查技术。但直到目前,负责任地承揽业务还欠缺经验。

   激光雷达森林调查技术,在北欧已有20余年的应用历史。北欧立木拍卖需要尽可能精准的存量数据,但传统光学遥感不能穿透林冠层,是靠反演推断立木蓄积的,精准度不够,一般只能够达到70%。所以,市场需求促成了这项技术的产生。

 虽然现在高分辨率卫星也能侦测地表情况,激光雷达不是唯一选择,但要想精准地统计林内信息,唯激光雷达可以做到。

 不过,激光雷达森林调查也存在一些技术瓶颈。

 第一,小马拉不动大车。激光雷达扫描仪功率太弱的话,激光也不能穿透林冠层。例如,Optech Orion所需的功率:电压28伏,功率300瓦,电流12安。投入正规应用的机载激光雷达扫描仪,一般都在20千克以上,早期的设计,都在40千克以上。激光功率小了不行,大了也不行,激光太强,会刺伤地面人员的眼睛。

   一般无人机能够装载的激光扫描器,多数都像罐头盒子一样大,它发射的激光大部分都不能穿透林冠层。另外,无人机电池小,滞空时间一般都在1小时以内,操作很繁琐。无人机也有以燃油发动机为动力的,但是,这种无人机在林区使用,火灾风险很大,没人敢用。高端军用无人机不会存在这些问题,但把军用无人机用在这里,好比用高射炮打蚊子。

 用无人机做较小样区实验可以,但在正式调查中,现在一般都用有发动机的飞行器(飞机、直升机、三角翼飞行器等)。目前唯一实用的办法是,利用有人驾驶的飞行器,携带较大功率的激光雷达扫描仪。国外都是这样。我国林业的防火飞机很多,这是一个有利条件。

 第二,用激光雷达调查森林立木蓄积,有两种方法,一种是单株树法,这个方法好比X光能把人的骨头架子透视出来一样,对主林层的树木预测很精准,但对受到遮蔽的下林层树木,会存在漏测和误测的问题。另一种方法是样地法,这种方法效率高,缺点是对主林层立木蓄积的预测精度不如单株树法。但就一整片森林总体而言,样地法在立木蓄积量的估计精度方面依然显著优于单株树法。北欧一直是这两种方法并存,由森林结构的复杂程度和调查者的偏好决定。比如你要调查的是人工纯林,那么单株树法更适用。

 第三,必须在飞行区内设置一些样地,进行人工调查,再据此拟合统计预测模型并编写运算程序。因此,激光雷达调查的精确性,终归还是取决于抽样调查方案以及样地实测。所以,样地调查的质量是关键。样地调查工作量巨大。中林联曾经计划在海南对一个6000公顷的热带林区进行实验性激光雷达调查。分层抽样的样地是700个,需要140个工作日才能完成。这在热带地区很难实施。最理想状态是,样地调查和遥感数据收集同步,否则蓄积量总体参数的估测精度会降低。

   第四,是激光雷达的调查成本。如果是第一次并且小面积地使用激光雷达技术,成本比较昂贵。但调查区的规模越大,单位面积的均摊成本就越低,北欧已可接近人工成本。如果此后每年调查,那么成本就会低于人工成本。

   第五,飞行方案设计关乎数据收集密度和收集成本。仅用飞行器飞一下是简单,问题是,如何飞?飞回来的数据如何处理?飞行器的飞行速度、飞行高度、飞行状态、飞行姿态参数、坐标定位精度、地形、风和云的影响等,乃至如何把激光扫描仪安装在吊舱里等各个细节,都会影响仪器对地面的扫描。所有这些细节对数据都有干扰,都必须回归到一个标准状态,通常由App自动完成。常见的飞行速度介于100-200节(海里/小时)之间,飞行高度介于500-3500米之间。飞行航线必须重叠。一般重叠率为25%至30%。

    虽然激光雷达存在这样那样的问题,但国内仍有很多人都在密切关注它,有一些专业研究团队正在从不同角度研究。侯正阳、徐晴以“3S”技术、林学、抽样调查、数学建模、机器学习等为理论和技术手段,致力于解决森林资源与结构参数的定量遥感和动态监测。他们发现并说明了森林调查样地与遥感数据空间分辨率不一致引起的分析结论失真问题,提出了无偏修正公式;首次发现并总结出适用于森林资源与结构参数预测和动态监测的遥感辅助数据的基本特征和筛选方法;发现并提出了在不降低清查精度原则下大幅减少样地的森林清查设计技术;攻克了地基雷达样地调查技术;首创了机载激光雷达调查森林资源的样地法和单株树法的融合,形成了具备更多、更优功能的方法体系。

  各国都在周期性地开展森林资源清查。这类清查,都是通过设置样地、实测与复测的方法获取样本统计量。可是,森林往往分布在难以进入的地区,直到现在,有些地方特别是高山地区,还没有一个有效的清查手段。

   今后的森林清查模式,可能既不是完全依靠光学遥感,也不是完全依靠激光雷达,很可能是以下几种模式的融合:单纯机载激光雷达加人工样地调查;单纯光学遥感;激光雷达结合光学遥感;机载激光雷达结合地基雷达;单纯地基雷达。



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