激光雷達技術應用于林業有著怎樣的效果？

發布日期：2019-01-02 00:00 瀏覽量：17347

由于雷達具有全天候（不怕云、雨的影響）、全天時（主動被動都不依賴太陽）、遠距離和寬廣觀測帶；具有一定的穿透能力（波長越長、濕度越小，穿透越深）；能提供一些特殊信息，如海面形狀、海面風速、土壤水分等；還能提供一些相位信息，如高程信息、地形形變信息等優點，使之在軍事偵察、地形測繪、海洋研究等眾多領域具有重要作用和巨大的應用價值。隨著遙感技術應用日益深入和成熟，合成孔徑雷達和激光雷達技術已逐漸應用到林業工作中，并取得了突破性進展。

一、雷達成像技術

根據載體不同，雷達可分為星載雷達、機載雷達和無人機載雷達等類型。但不論是哪種方式獲得的雷達影像，其原理都是相同的，即由于地物目標所處的位置、地物結構、表面形態和介電性能等不同，對雷達波束的反應是不一樣的。同時不同雷達波段、極化方式、入射角也會使地物產生不同的反應，因而圖像上形成不同的色調和紋理。

激光雷達是激光探測及測距系統的簡稱，是一種類似于雷達的主動式遙感技術，但利用的是激光光波而不是無線電波。激光具有快速、準確地穿透云層的能力，因此其光束能在云層中傳播，可以觀測許多地表特征和低空大氣現象。這類傳感器對物體表面發射激光能量脈沖，入射脈沖與地球表面及植被冠層的枝干、葉相互作用后被反射，由激光雷達的電波望遠鏡接收返回的光子，記錄脈沖從發射到返回所消耗的時間，可獲得傳感器與目標物之間的距離或范圍，因此也可將激光雷達技術稱為“激光測高法”。由于激光雷達極高的角分辨能力、距離分辨能力、抗干擾能力等獨特的優點，使之可以高精度地獲取地表物體的高度信息。

二、激光雷達技術在林業上的應用

激光雷達具有極高的角分辨能力、距離分辨能力、抗干擾能力等獨特的優點，使得激光雷達可以高精度地獲取地表物體的高度信息。普通的光學傳感器只能用于提供森林水平分布的詳細信息；而激光雷達遙感根據采樣方式和配置不同（離散回波還是波形激光雷達）可以高精度地提供森林水平和垂直分布的信息。

用于林業的激光雷達主要有2類：記錄完整波形數據的大光斑激光雷達與僅記錄少量回波的小光斑激光雷達。前者主要通過回波波形用于反演大范圍森林的垂直結構與生物量等參數，后者則利用高密度的激光點云進行精確的單木水平上的高度估測等工作。

國外已經將激光雷達在林業上進行了大量成功的應用，利用Lidar數據估測如單株木的樹高和冠幅，林分的平均胸徑、樹高和郁閉度，林分生物量和蓄積量以及碳儲量等林分參數，還可用于監測森林的健康，確定森林從大氣中吸收二氧化碳的能力。

國內應用大光斑激光雷達、小光斑激光雷達以及地面激光測距技術的研究也越來越多，反演的森林參數也逐漸增加，包括樹高、樹冠體積、樹冠表面積、生物量和蓄積量等。

三、激光雷達應用的局限性

盡管Lidar在很多森林參數反演上取得了很大的成功，但其數據有限，成本太高，理論體系尚有待進一步完善，缺乏數據分析專業處理軟件，反演所需的算法及模型仍不成熟。小光斑系統需要增大采樣密度，降低飛行高度，導致大范圍應用所需費用很高；大光斑系統有效地避免了樹頂的錯失，幅寬也可以更大，但太大的光斑會受到林下地形和樹木空間結構的影響。

總之，作為一個新興的技術，雷達技術為林業遙感提供了更為豐富的信息源，給森林資源清查和監測工作帶來了新的契機。激光雷達很難提供大范圍全覆蓋的數據，但可與其他遙感技術手段相結合提供更準確、更全面的森林參數估計，還可利用高精度的激光雷達反演的森林參數作為其他遙感手段的訓練數據和驗證數據。最近幾年發展的地基激光雷達系統在樹木近景測量、木材質量評價等方面也展現出了很好的應用前景。