激光雷達(dá)技術(shù)應(yīng)用于林業(yè)有著怎樣的效果？

發(fā)布日期：2019-01-02 00:00 瀏覽量：13288

由于雷達(dá)具有全天候（不怕云、雨的影響）、全天時(shí)（主動(dòng)被動(dòng)都不依賴太陽）、遠(yuǎn)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(fēng)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(yōu)點(diǎn)，使之在軍事偵察、地形測繪、海洋研究等眾多領(lǐng)域具有重要作用和巨大的應(yīng)用價(jià)值。隨著遙感技術(shù)應(yīng)用日益深入和成熟，合成孔徑雷達(dá)和激光雷達(dá)技術(shù)已逐漸應(yīng)用到林業(yè)工作中，并取得了突破性進(jìn)展。

一、雷達(dá)成像技術(shù)

根據(jù)載體不同，雷達(dá)可分為星載雷達(dá)、機(jī)載雷達(dá)和無人機(jī)載雷達(dá)等類型。但不論是哪種方式獲得的雷達(dá)影像，其原理都是相同的，即由于地物目標(biāo)所處的位置、地物結(jié)構(gòu)、表面形態(tài)和介電性能等不同，對雷達(dá)波束的反應(yīng)是不一樣的。同時(shí)不同雷達(dá)波段、極化方式、入射角也會使地物產(chǎn)生不同的反應(yīng)，因而圖像上形成不同的色調(diào)和紋理。

激光雷達(dá)是激光探測及測距系統(tǒng)的簡稱，是一種類似于雷達(dá)的主動(dòng)式遙感技術(shù)，但利用的是激光光波而不是無線電波。激光具有快速、準(zhǔn)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(xiàn)象。這類傳感器對物體表面發(fā)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(dá)的電波望遠(yuǎn)鏡接收返回的光子，記錄脈沖從發(fā)射到返回所消耗的時(shí)間，可獲得傳感器與目標(biāo) 物之間的距離或范圍，因此也可將激光雷達(dá)技術(shù)稱為“激光測高法”。由于激光雷達(dá)極高的角分辨能力、距離分辨能力、抗干擾能力等獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，使之可以高精度地獲取地表物體的高度信息。

二、激光雷達(dá)技術(shù)在林業(yè)上的應(yīng)用

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

用于林業(yè)的激光雷達(dá)主要有2類：記錄完整波形數(shù)據(jù)的大光斑激光雷達(dá)與僅記錄少量回波的小光斑激光雷達(dá)。前者主要通過回波波形用于反演大范圍森林的垂直結(jié)構(gòu)與生物量等參數(shù)，后者則利用高密度的激光點(diǎn)云進(jìn)行精確的單木水平上的高度估測等工作。

國外已經(jīng)將激光雷達(dá)在林業(yè)上進(jìn)行了大量成功的應(yīng)用，利用Lidar數(shù)據(jù)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(shù)，還可用于監(jiān)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(nèi)應(yīng)用大光斑激光雷達(dá)、小光斑激光雷達(dá)以及地面激光測距技術(shù)的研究也越來越多，反演的森林參數(shù)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(dá)應(yīng)用的局限性

盡管Lidar在很多森林參數(shù)反演上取得了很大的成功，但其數(shù)據(jù)有限，成本太高，理論體系尚有待進(jìn)一步完善，缺乏數(shù)據(jù)分析專業(yè)處理軟件，反演所需的算法及模型仍不成熟。小光斑系統(tǒng)需要增大采樣密度，降低飛行高度，導(dǎo)致大范圍應(yīng)用所需費(fèi)用很高；大光斑系統(tǒng)有效地避免了樹頂?shù)腻e(cuò)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(jié)構(gòu)的影響。

總之，作為一個(gè)新興的技術(shù)，雷達(dá)技術(shù)為林業(yè)遙感提供了更為豐富的信息源，給森林資源清查和監(jiān)測工作帶來了新的契機(jī)。激光雷達(dá)很難提供大范圍全覆蓋的數(shù)據(jù)，但可與其他遙感技術(shù)手段相結(jié)合提供更準(zhǔn)確、更全面的森林參數(shù)估計(jì)，還可利用高精度的激光雷達(dá)反演的森林參數(shù)作為其他遙感手段的訓(xùn)練數(shù)據(jù)和驗(yàn)證數(shù)據(jù)。最近幾年發(fā)展的地基激光雷達(dá)系統(tǒng)在樹木近景測量、木材質(zhì)量評價(jià)等方面也展現(xiàn)出了很好的應(yīng)用前景。

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