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激光雷達(LiDAR)用于森林調查的障礙與突破 兼議侯正陽與徐晴的工作

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激光雷達森林調查,可通過軟件自動生成森林面積、蓄積、林相、生長量、路網、居民分布、水網、植被高度、碳匯、平均胸徑、樹高、火災管理方案、采伐規劃等圖表產品。該項技術可以便捷地監測森林資源的存量、現狀及其變化,而且越是連年開展,成本越低廉。因此極其適用于當今需要按年度報告的自然資源管理制度。

激光雷達森林調查,在我國開始熱起來了。但越是熱,越是需要冷靜看待,需要從各個側面加以認識,避免走彎路和浪費資金。

北京中林聯近五年來一直在調研和準備該項技術。但是直到目前,要是負責任地承攬業務,感覺還欠缺經驗。

在這里,我們愿意就此項新技術談些體會,與大家共享。

 

激光雷達森林調查技術,在北歐已有20余年的應用歷史。北歐由于立木在拍賣時需要盡可能精準的存量數據,所以促成了該項新技術的產生。傳統光學遙感因其不能穿透林冠層,是靠反演推斷立木蓄積的,精準度不夠,一般能夠達到70%就不錯了。一些林內光學測樹儀器,也因在陰暗的林內效果不好,所以難以推開。

激光雷達應用于偵測地表上的情況,已大規模應用。問題是,現在高分辨率的衛星也能做到這一點,所以它不是唯一選擇。但要想精準地統計林內信息,唯激光雷達可以做到。

但激光雷達森林調查,與激光雷達地面調查,又是兩個技術領域,擅長地面偵測的,可能完全不理解激光雷達森林調查。

第一,我們都知道,小馬拉不動大車。激光雷達掃描儀也有一個功率的問題。功率太弱的,激光也是不能穿透林冠層的。例如,Optech Orion所需的功率:電壓28 V; 功率300 W,電流12 A。投入正規應用的機載激光雷達掃描儀,一般都在20公斤以上,早期的設計,都在40公斤以上(參見下圖)。

   

LMS-Q780機載激光雷達森林調查掃描器

 

一般無人機能夠攜帶的激光掃描器,多數都像罐頭盒子一樣大,它發射的激光大部分都不能穿透林冠層。另外,無人機因電池小,滯空時間一般都在一個小時以內,操作很繁瑣。無人機也有以燃油發動機為動力的,但是,這種無人機在林區使用,火災風險很大,無人敢用。高端軍用無人機不會存在這些問題,但把軍用無人機用在這里,像是用高射炮打蚊子。

用無人機做較小樣區實驗還是可以的,但應用于正式調查,都使用有發動機的飛行器(飛機、直升機、三角翼飛行器等)。目前唯一實用的辦法是利用有人駕駛的飛行器,攜帶較大功率的激光雷達掃描儀。下圖是幾種使用的航空器。國外都是這樣。在我國林業上,防火飛機很多,這是一個有利條件。  


 

  幾種適宜攜帶激光雷達掃描儀的航空器

 

第二,用激光雷達調查森林立木蓄積,有兩種方法,要根據需要選擇。一種是單株樹法,這個方法好比X光能把人的骨頭架子透視出來一樣,對主林層的樹木很精準,但對受到遮蔽的下林層樹木,會存在漏測和誤測的問題。另一種方法是樣地法,這個途徑效率高,缺點是對主林層立木蓄積的預測精度不如單株樹法。但就一整片森林總體而言,樣地法在立木蓄積量的估計精度方面依然顯著優于單株樹法。北歐一直是兩種方法并存,由森林結構的復雜程度和偏好決定。比如你要調查的是人工純林,那么單株樹法更適用。人工純林的準確率可達99%。

把這兩種方法的長處結合起來,規避短處,這一直是激光雷達森林調查領域的夢想。但是,二十年來無人突破。不過,近三年來,這個夢想已被兩位中國專家實現了,他們創造了優于前兩種方法的第三種方法。后面將予簡介。

近幾年國內還有發射星載激光雷達的說法。美國NASA 2018年年底將發射一顆搭載激光掃描儀的衛星,用于探測全球森林碳匯。據說其精度是不能與機載激光雷達相比的。星載激光雷達,如何在太空發射激光并穿透林層,我們不懂。

第三,必須在飛行區內設置一些樣地,由人工按照激光雷達樣地參數標準去調查,再據此擬合統計預測模型并編寫運算程序。因此,激光雷達調查的精確性,終歸還是取決于抽樣調查方案以及樣地實測。所以,樣地是一個關鍵,再是,樣地調查的工作量巨大,往往導致激光雷達調查技術失去意義。

中林聯曾經計劃在海南對一個6000公頃熱帶林區進行實驗性激光雷達調查。需要樣地是700個,需要140個工作日才能完成。這在熱帶地區,不可能做到。

去年,臺灣專家曾經說過,他們早就用機載激光雷達把臺灣林區飛了一遍,但時過五年,樣地調查還未完成。也就是說,即便完成了,這樣的激光雷達調查也過時了(我們進一步核實這個情況,沒有解釋)。

理想狀態是樣地調查和遙感數據收集同步,否則蓄積量總體參數的估測精度會降低。侯正陽2017年在美國《環境遙感》上發文,專門研究了這個時間差的問題。

這里,顯然就提出了一個要么減少樣地,要么發明某種技術,替代人工獲取樣地信息,或者兩條途徑同時打通,方能使得激光雷達技術應用于森林調查成為現實。不然,總是有點望梅止渴。

幸好,現在這三條途徑都已為我國專家打通了:減少樣地的方法有了,替代人工的方法有了,二者結合的方法也有了。后面還將介紹。

第四,是激光雷達調查成本。如果是第一次并且小面積地使用激光雷達技術,成本比較貴。但調查區的規模越大,單位面積的均攤成本就越低,北歐已可接近人工成本。如果此后每年調查,那么成本就會低于人工成本。

第五,飛行方案設計,關乎數據收集密度和收集成本。僅是用飛行器飛一下還是簡單的。問題是,首先,如何飛有講究;其次,飛回來的數據處理難度大。飛行器的飛行速度、飛行高度、飛行狀態、飛行姿態參數、坐標定位精度、地形、風和云的影響等,乃至如何把激光掃描儀安裝在吊艙里等各個細節,都會影響儀器對地面的掃描。所有這些細節對數據都有干擾,都必須回歸到一個標準狀態,(通常由軟件自動完成),不然就會產生偽結論。常見的飛行速度介于100-200節(海里/小時)之間,飛行高度介于500至3500米。飛行航線必須重疊。一般重疊率為25%至30%。入射角也是一個必須校準的因子。

第六,前面講了,激光功率小了不行,但大了也不行。激光太強,會刺傷地面人員的眼睛。國際上有一個危害距離觀察標識( ENOHD)。

還有諸多問題需要談及,篇幅關系,從簡了。

 

總之,國內很多人都在關注激光雷達森林調查,但實際上不少人還沒有入門,即便是專門搞遙感的專家,也不能說他可以天然地懂得激光雷達森林調查,只是懂得遙感或激光雷達而不懂森林,也不能說他可以搞激光雷達森林調查。即便是我們,基本上也還是門外漢。但我們知道,我國有一些專業研究團隊在從不同的角度研究激光雷達問題,他們發表了一些值得參考的科學論文。

中國有兩位專家,先是在北歐學習、研究激光雷達森林調查技術,后又去美國參與美國NASA的一個森林調查項目,承擔抽樣調查設計、機載和地基激光雷達數據收集與分析、統計建模和總體參數推斷的全套作業。他們是侯正陽博士和徐晴博士(見下面的照片)。他們都已經在激光雷達森林調查領域從業十余年了,都在國際頂尖遙感期刊上發表了多篇論文,有的文章還占據頭版頭條位置。他們還參與過其他國家的相關項目,因而也已擁有實踐經驗。


 

在國外長期研究激光雷達森林調查技術的侯正陽博士和徐晴博士

 

前面提到的激光雷達技術應用于森林調查的主要障礙,多已被他們攻克。他們的成果在英語世界比較熟悉,由于語言隔閡,國內知情的人不多。

以下結合他們的突破,進一步介紹激光雷達森林調查問題。由此你可以理解,激光雷達森林調查,不單純地是激光雷達掃描或者一只無人機的問題,還離不開對傳統遙感數據的結合運用,還要懂林學和統計學。目前,在美國,森林生物量估測的不確定性問題是一個主要攻關課題,研究各種因素對不確定性的貢獻率及如何克服等。解決了這個問題,那么不同的人用不同的方法對森林碳匯的估測,就會趨于一致。

 

侯-徐主要以“3S”技術、林學、抽樣調查、數學建模、機器學習等為理論和技術手段,致力于解決森林資源與結構參數的定量遙感和動態監測。他們在開發應用激光雷達和光學遙感作為輔助數據源,動態監測諸多森林生態參數,和對結果的不確定性分析等方面,已取得一些重要突破。

他們的主要貢獻是:

(1) 提出了一個無偏修正公式

他們發現并解釋了森林調查樣地與遙感數據空間分辯率不一致引起的分析結論失真原理,提出了無偏修正公式,并已發表在國際頂級遙感雜志上。樣地大小與遙感數據的空間分辨率通常不一致,它對參數估計的干擾效應和機制并不明確且常被忽略,由此產生的誤差效應會逐層蔓延并隨之放大,最終造成分析結論不穩定甚至矛盾。這類問題屬于抽樣統計范疇,本質是當目標總體的單元大小與輔助數據的單元大小不一致時,應該如何對總體參數進行無偏推斷問題。侯-徐在基于模型輔助的推斷框架內,成功推導出當目標總體的單元大小與任意遙感數據源的空間分辨率不一致時,應對總體參數估計進行修證的無偏修正公式,妥善解決了這一常見卻又棘手的問題(參見Hou  et al.2018,RSE)。

(2) 發現了一個篩選有效數據的方法

首次發現并總結出適用于森林資源與結構參數穩健預測和動態監測的遙感輔助數據的基本特征和篩選方法。使用遙感輔助數據訓練模型與基于該模型進行預測是兩個可以獨立的過程,牽扯到遙感輔助數據的時間外源性效應這個基礎問題。應用模型時所使用的數據通常不再是建模時所使用的數據,因此應用數據的選擇差異會顯著降低基于該預測模型的預測和總體參數推斷的精度,進而造成分析結論的失真。侯-徐在基于模型推斷的框架內,對遙感輔助數據的時間外延性效應及作用機理進行了系統研究,首次發現并總結出適用于森林資源與結構參數穩健預測和動態監測的遙感輔助數據的基本特征和篩選方法,有重要的學術與應用價值(Hou et al. 2017,RSE)。

(3)發明了大幅度壓縮樣地數量的技術

發現并提出了不降低清查精度原則下大幅度減少樣地的森林清查設計技術。

前面提到過,激光雷達森林調查的一個沉重環節是樣地調查。侯-徐發明了排除這一障礙的辦法。

系統抽樣是我國森林資源清查技術的理論基礎,盡管已延用逾半個世紀,但它在設計層面仍然有廣闊的優化空間。侯-徐綜合分析了森林資源和生態屬性因子的空間分布模式,對基于(概率)設計的總體參數的推斷過程、精度和誤差的影響機制,并在樣地大小、形狀、抽樣強度等設計參數的選擇方面提出了優化依據,從而成功實現了在清查精度不降低前提下,大幅減少所需樣地數量的方法。該研究及結論可直接用于優化現有清查設計,顯著降低樣地工作量和清查成本。  

如前所述,幾千公頃的激光雷達森林調查,就需要700個樣地和150個工作日,如果大幅度減少樣地而又不影響清查精度,就為激光雷達森林調查技術的應用排除了一個最大障礙(Hou et al. 2015,FS),

  (4)發現了一個高性價比森林遙感衛片選用原理

為在森林遙感中高性價比地選擇遙感數據源、大幅度降低清查成本闡明了原理,指出了方向。

空間分辨率越高越好的認識普遍存在,常被認為有助于提高因子的預測精度甚至參數估計的精度。然而,數據更精細并不等同于有效信息更豐富,更不意味著總體參數的推斷會更精確。侯-徐在基于模型的推斷框架與基于模型輔助的推斷框架內對該問題進行了系統分析,發現當目標總體的單元大小與遙感數據的空間分辨率大小一致或接近時,總體參數推斷的精度已達到近乎最優,這樣就對如何高性價比地選擇遙感數據源指明了方向,從而為大幅度降低資源清查成本提供了思路(Hou et al. 2018,RSE)。

(5)首創了優于激光雷達森林調查現行兩種方法的第三種方法

首創機載激光雷達調查森林資源的樣地法和單株樹法的牢固融合,形成了具備更多、更優功能的方法體系,為重要突破。

如前所述,機載激光雷達森林調查,存在樣地法和單株樹法兩套框架體系。樣地法可以基本反映樣地林冠層以下的信息,在整體預測精度上優于單株樹法;單株樹法對主林層樹木的預測格外精準,具有樣地法所無法企及的優勢。這兩套體系在發展與完善的20年間一直相互獨立,直至侯-徐以林木胸徑的概率密度分布為切入點,取各家所長,采用單株樹法所預測的胸徑分布的大樹部分替代樣地法中的對應部分構成新的分布,從而首次實現了兩套體系的牢固融合。該融合方法的框架目前已發展至可以支持按樹種分別預測,預測的森林屬性(如蓄積量、地上生物量和森林碳儲量)的精度顯著優于此前的單一體系,優勢十分明顯,受到業內關注和好評,已在北歐應用(Hou et al. 2015,CJFR;Xu et al. 2014,ISPRS JPRS)。

(6)發現了一個碳匯估測新函數

森林碳匯量評估的最新研究方向和基石,是數學解析激光雷達探測單株樹生物量的不確定性,量化各個誤差來源對總不確定性的貢獻。徐-侯在該領域已獲得新的發現。

基于樣地法的生物量遙感估測囿于調查單元的固定大小,無法定量分析單株樹的生物量及其不確定性。單株樹分析法被首次運用于森林生物量的遙感偵測,并且這種方法融合了自下而上由微觀到宏觀的誤差傳播,使得森林生物量遙感估測在多尺度下得以靈活分析其不確定性。徐晴在這個領域的研究,發現單株樹生物量的不確定性是一個樹高的函數,并且隨著樹高的增長而升高,并發現源自遙感技術的誤差對不確定性的貢獻不及源自生物量異速生長模型對不確定性的貢獻(Xu et al. 2018, RSE)。

7)攻克了地基激光雷達森林樣地調查技術

前面提到,樣地調查的巨大工作量和嚴格標準,往往使得激光雷達森林調查,變得不可行。那么,是否可以用儀器替代人工樣地調查呢?

奧地利瑞格公司生產的地基激光雷達(見下圖),已廣泛應用于地面情況調查。但是,就是生產廠家也不知道可否和如何應用于森林調查。


 

用于森林樣地調查的地基激光雷達

 

這種地基激光雷達,有效掃描半徑800米。尤其適用于山地森林樣地調查。但廠家不知道如何應用森林,也沒有這方面的軟件。

目前美國有4人在開發此儀器的森林調查方法,其中包括侯正陽。侯正陽已經大量應用于美國西部山區的森林樣地調查,還幫助美國林務局五區(USFS,Region 5)的傳統森林調查人員掌握該項新技術。

據說,單純利用此種地基雷達開展森林調查,也是可以的。那么應用該技術,開展有限規模的森林連年清查,就變得簡單了。

 

各國都在開展周期性的森林資源清查。這類清查,都是在通過樣地設置、實測與復測的方法獲取樣本統計量??墒?,因為森林往往是分布在難以進入的地區。實際上,迄今,特別是在高山地區,還沒有一個有效的清查手段。特別是近年,國家高度重視自然資源和生態環境的管理,將實行目標管理責任制,領導干部離任審計,編制自然資產負債表,每年都要提交自然資產存量及變量報告。所以現代化的精準的森林調查技術,就成為貫徹執行此類政策的門檻。單靠人力和傳統方法,已無能為力。再次強調,深入林內的森林調查數據光學采集儀器,往往因林內光線陰暗,而變得不能應用。

我國沿用逾半世紀的森林資源清查技術的理論基礎仍然是分層系統抽樣設計,它對未知參數進行估計的無偏性和精度完全依賴設計方案的無偏性、方案的嚴格執行以及實測樣地的間距、形狀和大小等。因此,在工作原理上就先天性地不支持遙感等輔助數據參與統計推斷,這使得整個技術體系偏向單一、抗干擾性弱且高度依靠人工。

侯-徐在現代森林清查技術的整體思路和多個環節上的創新,有希望提高森林清查的估計精度、降低清查成本,提高清查效率,滿足國家自然資源管理的緊迫需求。當然,在我國的人才井噴式涌現的背景下,國內外也一定還有更多人有突破,希望大家交流。

我們感到,未來的森林清查模式,可能既不是完全依靠光學遙感,也不是完全依靠機載激光雷達。很可能是以下幾種模式的融合:

——單純機載激光雷達加人工樣地調查;

——單純光學遙感;

——激光雷達結合光學遙感;

——機載激光雷達結合地基激光雷達;

——單純地基激光雷達。

第四種很可能是今后的發展主流。但具體選擇什么模式,取決于具體任務,如調查目的、調查范圍等。

另外,激光雷達森林調查的首席專家,必須至少掌握4個領域的基本技術:遙感,激光雷達,林學,統計學。此外還應會編寫計算機運算程序。否則,他將不可能主持開展激光雷達森林調查項目。

 



      中林聯林業規劃設計研究院資源調查測繪中心與兩位專家長期密切合作,在海南、廣西等地開展了激光雷達技術對森林資源調查的應用研究與落地工作。歡迎林業資源管理部門、林業調查規劃設計機構、科研機構以及相關業務關聯方咨詢合作!

      除林業調查新技術的應用外,中心林業傳統調查項目主要集中在林地征占可研類林地資源調查、評估類林地資源調查(非法毀林、拆遷、林木流轉、資源災害損失調查)、森林資源規劃設計調查、森林伐區作業設計調查、林地資源驗收等。歡迎來電咨詢。


      聯系電話:010-64221787   010-51099167



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