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激光雷达(LiDAR)用于森林调查的障碍与突破 兼议侯正阳与徐晴的工作

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激光雷达森林调查,可通过软件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、采伐规划等图表产品。该项技术可以便捷地监测森林资源的存量、現狀及其变化,而且越是连年开展,成本越低廉。因此极其适用于当今需要按年度报告的自然资源管理制度。

激光雷达森林调查,在我国开始热起来了。但越是热,越是需要冷静看待,需要从各个侧面加以认识,避免走弯路和浪费资金。

北京中林联近五年来一直在调研和准备该项技术。但是直到目前,要是负责任地承揽业务,感觉还欠缺经验。

在这里,我们愿意就此项新技术谈些体会,与大家共享。

 

激光雷达森林调查技术,在北欧已有20余年的应用历史。北欧由于立木在拍卖时需要尽可能精准的存量数据,所以促成了该项新技术的产生。传统光学遥感因其不能穿透林冠层,是靠反演推断立木蓄积的,精准度不够,一般能够达到70%就不错了。一些林内光学测树仪器,也因在阴暗的林内效果不好,所以难以推开。

激光雷达应用于侦测地表上的情况,已大规模应用。问题是,现在高分辨率的卫星也能做到这一点,所以它不是唯一选择。但要想精准地统计林内信息,唯激光雷达可以做到。

但激光雷达森林调查,与激光雷达地面调查,又是两个技术领域,擅长地面侦测的,可能完全不理解激光雷达森林调查。

第一,我们都知道,小马拉不动大车。激光雷达扫描仪也有一个功率的问题。功率太弱的,激光也是不能穿透林冠层的。例如,Optech Orion所需的功率:电压28 V; 功率300 W,电流12 A。投入正规应用的机载激光雷达扫描仪,一般都在20公斤以上,早期的设计,都在40公斤以上(参见下图)。

   

LMS-Q780机载激光雷达森林调查扫描器

 

一般无人机能够携带的激光扫描器,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,无人机因电池小,滞空时间一般都在一个小时以内,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,无人敢用。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,像是用高射炮打蚊子。

用无人机做较小样区实验还是可以的,但应用于正式调查,都使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。下图是几种使用的航空器。国外都是这样。在我国林业上,防火飞机很多,这是一个有利条件。  


 

  几种适宜携带激光雷达扫描仪的航空器

 

第二,用激光雷达调查森林立木蓄积,有两种方法,要根据需要选择。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,这个途径效率高,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。北欧一直是两种方法并存,由森林结构的复杂程度和偏好决定。比如你要调查的是人工纯林,那么单株树法更适用。人工纯林的准确率可达99%。

把这两种方法的长处结合起来,规避短处,这一直是激光雷达森林调查领域的梦想。但是,二十年来无人突破。不过,近三年来,这个梦想已被两位中国专家实现了,他们创造了优于前两种方法的第三种方法。后面将予简介。

近几年国内还有发射星载激光雷达的说法。美国NASA 2018年年底将发射一颗搭载激光扫描仪的卫星,用于探测全球森林碳汇。据说其精度是不能与机载激光雷达相比的。星载激光雷达,如何在太空发射激光并穿透林层,我们不懂。

第三,必须在飞行区内设置一些样地,由人工按照激光雷达样地参数标准去调查,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,样地是一个关键,再是,样地调查的工作量巨大,往往导致激光雷达调查技术失去意义。

中林联曾经计划在海南对一个6000公顷热带林区进行实验性激光雷达调查。需要样地是700个,需要140个工作日才能完成。这在热带地区,不可能做到。

去年,台湾专家曾经说过,他们早就用机载激光雷达把台湾林区飞了一遍,但时过五年,样地调查还未完成。也就是说,即便完成了,这样的激光雷达调查也过时了(我们进一步核实这个情况,没有解释)。

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。侯正阳2017年在美国《环境遥感》上发文,专门研究了这个时间差的问题。

这里,显然就提出了一个要么减少样地,要么发明某种技术,替代人工获取样地信息,或者两条途径同时打通,方能使得激光雷达技术应用于森林调查成为现实。不然,总是有点望梅止渴。

幸好,现在这三条途径都已为我国专家打通了:减少样地的方法有了,替代人工的方法有了,二者结合的方法也有了。后面还将介绍。

第四,是激光雷达调查成本。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。仅是用飞行器飞一下还是简单的。问题是,首先,如何飞有讲究;其次,飞回来的数据处理难度大。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,(通常由软件自动完成),不然就会产生伪结论。常见的飞行速度介于100-200节(海里/小时)之间,飞行高度介于5003500米。飞行航线必须重叠。一般重叠率为25%至30%。入射角也是一个必须校准的因子。

第六,前面讲了,激光功率小了不行,但大了也不行。激光太强,会刺伤地面人员的眼睛。国际上有一个危害距离观察标识( ENOHD)。

还有诸多问题需要谈及,篇幅关系,从简了。

 

总之,国内很多人都在关注激光雷达森林调查,但实际上不少人还没有入门,即便是专门搞遥感的专家,也不能说他可以天然地懂得激光雷达森林调查,只是懂得遥感或激光雷达而不懂森林,也不能说他可以搞激光雷达森林调查。即便是我们,基本上也还是门外汉。但我们知道,我国有一些专业研究团队在从不同的角度研究激光雷达问题,他们发表了一些值得参考的科学论文。

中国有两位专家,先是在北欧学习、研究激光雷达森林调查技术,后又去美国参与美国NASA的一个森林调查项目,承担抽样调查设计、机载和地基激光雷达数据收集与分析、统计建模和总体参数推断的全套作业。他们是侯正阳博士和徐晴博士(见下面的照片)。他们都已经在激光雷达森林调查领域从业十余年了,都在国际顶尖遥感期刊上发表了多篇论文,有的文章还占据头版头条位置。他们还参与过其他国家的相关项目,因而也已拥有实践经验。


 

在国外长期研究激光雷达森林调查技术的侯正阳博士和徐晴博士

 

前面提到的激光雷达技术应用于森林调查的主要障碍,多已被他们攻克。他们的成果在英语世界比较熟悉,由于语言隔阂,国内知情的人不多。

以下结合他们的突破,进一步介绍激光雷达森林调查问题。由此你可以理解,激光雷达森林调查,不单纯地是激光雷达扫描或者一只无人机的问题,还离不开对传统遥感数据的结合运用,还要懂林学和统计学。目前,在美国,森林生物量估测的不确定性问题是一个主要攻关课题,研究各种因素对不确定性的贡献率及如何克服等。解决了这个问题,那么不同的人用不同的方法对森林碳汇的估测,就会趋于一致。

 

-徐主要以“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。他们在开发应用激光雷达和光学遥感作为辅助数据源,动态监测诸多森林生态参数,和对结果的不确定性分析等方面,已取得一些重要突破。

他们的主要贡献是:

(1) 提出了一个无偏修正公式

他们发现并解释了森林调查样地与遥感数据空间分辩率不一致引起的分析结论失真原理,提出了无偏修正公式,并已发表在国际顶级遥感杂志上。样地大小与遥感数据的空间分辨率通常不一致,它对参数估计的干扰效应和机制并不明确且常被忽略,由此产生的误差效应会逐层蔓延并随之放大,最终造成分析结论不稳定甚至矛盾。这类问题属于抽样统计范畴,本质是当目标总体的单元大小与辅助数据的单元大小不一致时,应该如何对总体参数进行无偏推断问题。侯-徐在基于模型辅助的推断框架内,成功推导出当目标总体的单元大小与任意遥感数据源的空间分辨率不一致时,应对总体参数估计进行修证的无偏修正公式,妥善解决了这一常见却又棘手的问题(参见Hou  et al.2018,RSE)

(2) 发现了一个筛选有效数据的方法

首次发现并总结出适用于森林资源与结构参数稳健预测和动态监测的遥感辅助数据的基本特征和筛选方法。使用遥感辅助数据训练模型与基于该模型进行预测是两个可以独立的过程,牵扯到遥感辅助数据的时间外源性效应这个基础问题。应用模型时所使用的数据通常不再是建模时所使用的数据,因此应用数据的选择差异会显著降低基于该预测模型的预测和总体参数推断的精度,进而造成分析结论的失真。侯-徐在基于模型推断的框架内,对遥感辅助数据的时间外延性效应及作用机理进行了系统研究,首次发现并总结出适用于森林资源与结构参数稳健预测和动态监测的遥感辅助数据的基本特征和筛选方法,有重要的学术与应用价值(Hou et al. 2017,RSE)。

3)发明了大幅度压缩样地数量的技术

发现并提出了不降低清查精度原则下大幅度减少样地的森林清查设计技术。

前面提到过,激光雷达森林调查的一个沉重环节是样地调查。侯-徐发明了排除这一障碍的办法。

系统抽样是我国森林资源清查技术的理论基础,尽管已延用逾半个世纪,但它在设计层面仍然有广阔的优化空间。侯-徐综合分析了森林资源和生态属性因子的空间分布模式,对基于(概率)设计的总体参数的推断过程、精度和误差的影响机制,并在样地大小、形状、抽样强度等设计参数的选择方面提出了优化依据,从而成功实现了在清查精度不降低前提下,大幅减少所需样地数量的方法。该研究及结论可直接用于优化现有清查设计显著降低样地工作量和清查成本。  

如前所述,几千公顷的激光雷达森林调查,就需要700个样地和150个工作日,如果大幅度减少样地而又不影响清查精度,就为激光雷达森林调查技术的应用排除了一个最大障碍(Hou et al. 2015,FS),

  4)发现了一个高性价比森林遥感卫片选用原理

为在森林遥感中高性价比地选择遥感数据源、大幅度降低清查成本阐明了原理,指出了方向。

空间分辨率越高越好的认识普遍存在,常被认为有助于提高因子的预测精度甚至参数估计的精度。然而,数据更精细并不等同于有效信息更丰富,更不意味着总体参数的推断会更精确。侯-徐在基于模型的推断框架与基于模型辅助的推断框架内对该问题进行了系统分析,发现当目标总体的单元大小与遥感数据的空间分辨率大小一致或接近时,总体参数推断的精度已达到近乎最优,这样就对如何高性价比地选择遥感数据源指明了方向,从而为大幅度降低资源清查成本提供了思路(Hou et al. 2018RSE)。

5)首创了优于激光雷达森林调查现行两种方法的第三种方法

首创机载激光雷达调查森林资源的样地法和单株树法的牢固融合,形成了具备更多、更优功能的方法体系,为重要突破。

如前所述,机载激光雷达森林调查,存在样地法和单株树法两套框架体系。样地法可以基本反映样地林冠层以下的信息,在整体预测精度上优于单株树法;单株树法对主林层树木的预测格外精准,具有样地法所无法企及的优势。这两套体系在发展与完善的20年间一直相互独立,直至侯-徐以林木胸径的概率密度分布为切入点,取各家所长,采用单株树法所预测的胸径分布的大树部分替代样地法中的对应部分构成新的分布,从而首次实现了两套体系的牢固融合。该融合方法的框架目前已发展至可以支持按树种分别预测,预测的森林属性(如蓄积量、地上生物量和森林碳储量)的精度显著优于此前的单一体系,优势十分明显,受到业内关注和好评,已在北欧应用Hou et al. 2015,CJFR;Xu et al. 2014,ISPRS JPRS)

6)发现了一个碳汇估测新函数

森林碳汇量评估的最新研究方向和基石,是数学解析激光雷达探测单株树生物量的不确定性,量化各个误差来源对总不确定性的贡献。徐-侯在该领域已获得新的发现。

基于样地法的生物量遥感估测囿于调查单元的固定大小,无法定量分析单株树的生物量及其不确定性。单株树分析法被首次运用于森林生物量的遥感侦测,并且这种方法融合了自下而上由微观到宏观的误差传播,使得森林生物量遥感估测在多尺度下得以灵活分析其不确定性。徐晴在这个领域的研究,发现单株树生物量的不确定性是一个树高的函数,并且随着树高的增长而升高,并发现源自遥感技术的误差对不确定性的贡献不及源自生物量异速生长模型对不确定性的贡献(Xu et al. 2018, RSE)。

7)攻克了地基激光雷达森林样地调查技术

前面提到,样地调查的巨大工作量和严格标准,往往使得激光雷达森林调查,变得不可行。那么,是否可以用仪器替代人工样地调查呢?

奥地利瑞格公司生产的地基激光雷达(见下图),已广泛应用于地面情况调查。但是,就是生产厂家也不知道可否和如何应用于森林调查。


 

用于森林样地调查的地基激光雷达

 

这种地基激光雷达,有效扫描半径800米。尤其适用于山地森林样地调查。但厂家不知道如何应用森林,也没有这方面的软件。

目前美国有4人在开发此仪器的森林调查方法,其中包括侯正阳。侯正阳已经大量应用于美国西部山区的森林样地调查,还帮助美国林务局五区(USFSRegion 5)的传统森林调查人员掌握该项新技术。

据说,单纯利用此种地基雷达开展森林调查,也是可以的。那么应用该技术,开展有限规模的森林连年清查,就变得简单了。

 

各国都在开展周期性的森林资源清查。这类清查,都是在通过样地设置、实测与复测的方法获取样本统计量。可是,因为森林往往是分布在难以进入的地区。实际上,迄今,特别是在高山地区,还没有一个有效的清查手段。特别是近年,国家高度重视自然资源和生态环境的管理,将实行目标管理责任制,领导干部离任审计,编制自然资产负债表,每年都要提交自然资产存量及变量报告。所以现代化的精准的森林调查技术,就成为贯彻执行此类政策的门槛。单靠人力和传统方法,已无能为力。再次强调,深入林内的森林调查数据光学采集仪器,往往因林内光线阴暗,而变得不能应用。

我国沿用逾半世纪的森林资源清查技术的理论基础仍然是分层系统抽样设计,它对未知参数进行估计的无偏性和精度完全依赖设计方案的无偏性、方案的严格执行以及实测样地的间距、形状和大小等。因此,在工作原理上就先天性地不支持遥感等辅助数据参与统计推断,这使得整个技术体系偏向单一、抗干扰性弱且高度依靠人工。

-徐在现代森林清查技术的整体思路和多个环节上的创新,有希望提高森林清查的估计精度、降低清查成本,提高清查效率,满足国家自然资源管理的紧迫需求。当然,在我国的人才井喷式涌现的背景下,国内外也一定还有更多人有突破,希望大家交流。

我们感到,未来的森林清查模式,可能既不是完全依靠光学遥感,也不是完全依靠机载激光雷达。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激光雷达;

——单纯地基激光雷达。

第四种很可能是今后的发展主流。但具体选择什么模式,取决于具体任务,如调查目的、调查范围等。

另外,激光雷达森林调查的首席专家,必须至少掌握4个领域的基本技术:遥感,激光雷达,林学,统计学。此外还应会编写计算机运算程序。否则,他将不可能主持开展激光雷达森林调查项目。

 



      中林联林业规划设计研究院资源调查测绘中心与两位专家长期密切合作,在海南、广西等地开展了激光雷达技术对森林资源调查的应用研究与落地工作。欢迎林业资源管理部门、林业调查规划设计机构、科研机构以及相关业务关联方咨询合作!

      除林业调查新技术的应用外,中心林业传统调查项目主要集中在林地征占可研类林地资源调查、评估类林地资源调查(非法毁林、拆迁、林木流转、资源灾害损失调查)、森林资源规划设计调查、森林伐区作业设计调查、林地资源验收等。欢迎来电咨询。


      联系电话:010-64221787   010-51099167


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