激光雷达（LiDAR）简介－森林资源调查应用

一、现状简要分析

传统林业调查需要进行大量的野外实地调查，尤其是在对大区域乃至全国范围进行森林资源调查估测时，不仅工作量大，而且跨越的周期长；且调查方式局限于小区域样地测量，随着研究区域的扩大，工
作量和实现难度进一步增大。此外，实地调查亦会对森林造成一定的破坏。

随着遥感技术的出现和发展，光学遥感和微波遥感最早应用到森林地上生物量的研究中。

传统光学遥感是通过接收地面物体对太阳光的散射和反射成像，其光谱范围为可见光和近红外。光学遥感易受天气条件限制，且其信号不具有穿透性，只能获取森林冠层表面的信息，在森林较茂密的地区，光谱波段信息和植被指数会存在饱和问题，导致森林生物量估测精度低。

微波遥感有主动和被动之分，被动微波遥感只能获取在自然条件下地面发射、反射的微波能量，主动微波遥感不依赖太阳光而是主动发射微波信号，通过对发射信号和回波反射信号的探测频率和极化位移的比较分析，生成地表数字图像和模掛图像。主动微波遥感不仅具有全天时、全天候工作的能力，还具有很强的穿透能力，可用于精确测距、定位，而且不依赖于距离，可获得高空间分辨率的数据。微波遥感虽然不受天气条件等影响，但其信号亦存在饱和问题且受地形因素的影响显著，限制了其在估测森林生物量估测方面的应用。

二、激光雷达简介

激光雷达（Light Detection and Ranging，LiDAR）作为一种新型主动遥感技术在森林参数反演中有着较大优势，由于其激光束对森林冠层具有穿透性，从而可以得到森林冠层表面到林下地形之间详细的三维结构特征。根据LiDAR扫描仪所搭载平台的不同，LiDAR主要分为星载激光雷达、机载激光雷达、车载激光雷达、背包式激光雷达和地基激光雷达等，不同类型的激光雷达在林业方面的应用也有所差异。

星载激光雷达主要指的是由美国国家航空航天航局（National Aeronautics and Space Administration，NASA）发射的一颗测高卫星（Ice，Cloud and Land Elevation Satellite，ICESat）上搭载的地球科学测高系统（Geoscience Laser Altimetry System，GLAS）。其激光发射器能够以 40Hz 的扫描频率向外发射近红外和绿光两种波段的脉冲，起初主要应用于测量极地冰盖地形以及气溶胶垂直结构。由于其接收到的全波形信息能够反映森林覆盖区植被的垂直结构特征，之后逐渐应用于陆地植被垂直结构的研究。

机载激光雷达系统（Airborne Laser Scanner，ALS）以有人机或无人机为搭载平台，搭载的主要载荷包括激光传感器、全球定位系统（Global Navigation Satellite System，GNSS）接收机、惯性导航系统（Inertial Navigation System，INS）或惯性测量单元（Inertial Measurement Unit，IMU）等。机载 LiDAR 属于小光斑LiDAR 系统，根据传感器的飞行高度，其光斑半径可达 0.25～0.6m，因此机载LiDAR 点云可以描述森林冠层的结构特征。激光脉冲采样密度决定冠层结构描述的详细程度，当采样密度高时（大于 3 points/m2），其点云可以覆盖到单株木的树冠，通过特定拟合算法可以求得单木尺度树高和地上生物量；当采样密度较低时（小于 3 points/m2），受到单株木上激光点数量的限制，单株树上的激光点不能详细描述树木的树冠特征，只能用于较大尺度森林参数的反演。

地基激光雷达（Terrestrial Laser Scanning，TLS）作为一种地面 LiDAR 技术，其结合了扫描机制，激光测距系统和记录系统来重构地物三维结构。通过设置一定数量的扫描观测站点以及观测标靶，把不同站点所获取的三维点云进行拼接，可以得到样地范围内森林冠层以及林下植被详细的三维结构特征。利用一系列森林参数拟合算法，树木的胸径、树高和冠幅等参数就可以间接地被估测。但是，受制于激光扫描的距离限制，主要应用于单木尺度和样地尺度森林参数反演。

参考文献：

[1] 邱赛. ICESat-GLAS波形与HJ-1A高光谱影像联合反演森林地上生物量的研究[D]. 东北林业大学, 2016.

[2] 郝红科. 基于机载激光雷达的森林参数反演研究[D]. 西北农林科技大学, 2019.

[3] 胡凯龙. 不同空间尺度森林参数多源遥感反演方法[D]. 中国矿业大学(北京), 2018.

[4] 刘鲁霞. 机载和地基激光雷达森林垂直结构参数提取研究[D]. 中国林业科学研究院, 2014.