调查新利器,机载激光雷达赋能林业建设

 

“如果说测绘领域第一次技术革命是以GNSS技术为代表的话,那么,机载激光雷达技术则是继GNSS技术之后的又一次技术革命的代表。”中国测绘科学研究院研究员林祥国如是说。那么当机载激光雷达技术遇上林业资源调查,会擦出怎样的火花呢?

 

林业资源调查不再“难、苦、险、累”

 

长期以来,林业资源调查主要是利用围径尺、测高器、皮尺等工具测量树高、胸径、树冠面积等,这种方式最大的问题是耗时费力成本高,同时大多数林业资源调查需要投入大量的人力,由于外业调查条件艰苦,使得作业人员会面临生命危险。之后,林业资源调查部门也曾引进过遥感、摄影测量等技术,但这两项技术只能提供水平分布的详细信息,并不能获得森林垂直结构参数,且常常面临着立体测图、外业控制、选点等困难。而机载激光雷达技术的出现,弥补了上述技术的缺陷和不足。“采用机载激光雷达技术以后,最大的改变是人从这种繁重的野外劳动中解放出来了。有了这种技术的支持,机器可以24小时全天候工作,在需要获取的植被结构参数,以及树高、郁闭度、间隙度等参数上也是一目了然,这使得林业资源调查更精准高效。”林祥国说道。

 

▲海达数云智喙PM-1500机载激光测量系统用于林业资源调查

 

那么,机载激光雷达技术如何在这一领域加以应用?在林祥国看来,机载激光雷达技术应用于林业资源调查主要承担着两方面的工作。

 

其一,样地尺度信息的获取。通过机载激光雷达技术来获取样地的高度、密度和结构、郁闭度、蓄积量等指标的参数,还有侧重于理论研究的树种识别等。利用有人机激光雷达系统,以获取大范围林地、森林区域的机载激光雷达点云信息,甚至还可以同时搭载一些多光谱相机或者多光谱仪,同步采集光学数据。

 

其二,单木尺度信息的获取。当点云密度足以识别单木时,应用不同的单木分割算法对森林回波点进行分割,一旦准确分割后,可以获取树高、树冠尺寸、树冠基部高、断面积、胸径、立木蓄积和生物量等。

 

机载激光雷达优势明显

 

传统的人工生态调查数据采集困难,能够获取林木的结构信息有限,且人为主观因素对测量结果的影响大;机载激光雷达技术能提供完善的林业普查系统解决方案,快速提供林业的基础数据,加速对林业资源的优化管理和建设。林祥国表示,机载激光雷达技术的明显优势体现在以下三个方面:

 

第一,获取数据迅速,并能24小时全天候工作,覆盖范围广。由于激光具有较强的穿透能力,对传统测量手段较难采集的植被高覆盖地区,能够迅速获取到更高精度的地形表面数据,可以用来分析林木类型、林木分布情况、林木生长阶段概况、林木覆盖面积变化情况等。

 

第二,获取的层次细节丰富。通过机载激光雷达技术进行数据扫描,能够得到密集的点云数据,运用点云数据软件处理可以提取一系列基于激光雷达点云数据的森林参数和统计变量,包括树冠高度变量、密度变量、强度变量、郁闭度、叶面积指数和间隙率等,从而快速反演出生物量、森林蓄积量、森林覆盖率。

 

第三,获取的数据精度高。采用机载激光雷达技术能够了解其疏密程度以及不同树龄树木的情况、推算不同树种数量,获取森林地面DEM,实现森林结构参数自动提取以及精细的三维场景重建,用于林业的监控与管理。

 

▲海达数云机载激光测量系统生成的树木及房屋点云数据

 

同时,林祥国指出,机载激光雷达技术应用于林业资源调查也有其局限性。首先,目前机载激光雷达技术还存在着硬件成本太高的问题。

 

其次,单木识别精度有待提升。机载激光雷达技术可以获取大部分的林业资源调查指标,但是有少数的林业关心的指标,例如胸径和树高这两个指标目前还无法确保其精度,只能预估。

 

最后,机载激光雷达技术门槛高。专业人才的短缺导致许多专业的知识还无法完全普及到林业资源调查的相关部门。

 

为此,林祥国指出目前的林业资源调查,需要将机载激光雷达技术和常规林业资源调查技术结合起来,才能达到一个更好的效果。他随后又指出,“但是从技术发展趋势来看,机载激光雷达技术在林业资源调查中的比例将会呈现上升的趋势,也就是说未来林业调查方式将会以机器为主,人工为辅。” 

 

打破技术壁垒,助推机载激光雷达大众化

 

机载激光雷达技术作为一项新技术应用于林业资源调查中,由于技术设备、经费限制以及技术成熟度等原因,在我国林业领域的应用还无法大规模普及。但在林祥国看来,目前机载激光雷达技术尚未发挥出其巨大的潜能,他对该技术在林业资源领域的应用前景表示非常看好。而他的这份自信并不是毫无由来。

 

一方面是机载激光雷达技术的自主创新化。在大环境下,伴随着机载激光雷达技术需求和市场的不断扩大,国内越来越多企业加入到机载激光雷达技术和产品的研发当中,目前国内已有不少优秀的激光雷达企业崛起,并逐渐成为激光雷达行业中的翘楚。“从产业落地的角度而言,国内多家激光雷达供应商也做了大量的探索,在确保硬件质量的情况下,硬件价格在不断地降低。例如武汉海达数云技术有限公司去年研发的智喙PM-1500机载激光测量系统无论是价格还是性能都相当不错。”林祥国说道。

 

同时,机载激光雷达技术软硬件集成度有所提高。林祥国表示,近几年,基于国家林业资源部门对信息化、自动化的调查需求越来越迫切,越来越多的人加入到机载激光雷达技术的队伍中,开始专心研发相关的数据处理和信息提取的软件,并陆续推出了一些软硬件一体化的解决方案。其中,林祥国提到,他和团队也研发了三维激光雷达典型数据的处理软件。该软件采用单体化技术来做点云数据的处理和信息提取工作,同时设置了一键功能。在获取了林业信息后,该软件的算法会自动地将数据做权重化的处理,并进行信息提取的工作,这大大提高了林业资源调查的效率,降低了技术门槛。

 

▲林祥国团队研发软件的单木提取效果可视化图

 

另一方面是人才的不断涌入。无论是国家、科研单位还是高校,越来越多的人开始关注激光雷达数据处理以及信息提取的科普工作。国家自然资源部提倡立体资源监测,林业资源调查部门逐渐注重对本部门的相关从业人员机载激光雷达技术支持的专业知识学习……种种政策以及行业的关注,都在吸引着更多的人从事机载激光雷达技术相关科学研究和软件研发工作。

 

“从我的判断来说,通过软件的优化,硬件价格的降低,人才的重视,整个国家的需求其实已经非常迫切了。我相信这将会不断地把技术推向更高的水平。我个人认为未来两三年内,机载激光雷达技术将会迎来一个大的爆发期。”林祥国充满信心地说道。

来源:中海达讯

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