热带雨林中的机载激光雷达

在法属圭亚那的实验森林站点Paracou，正在收集一系列数据，以便更好地理解和量化热带雨林冠层的短期动态。采用机载激光扫描(Airborne laser scanning, ALS)技术获取了三维冠层结构的高空间分辨率数据。该数据已被用于建立冠层高度模型，并提供了有关叶片密度的有价值的信息。该传感系统也可以安装在无人机(UAV)上。法属圭亚那项目为进一步应用这一技术提供了概念证明。

作者Sam Fleming, Iain Woodhouse教授和Antoine Cottin博士，英国Carbomap

在CANOPOR研究项目中，各研究机构和公司正在合作绘制实验森林的冠层图。188asia备用网址特别有趣的是大气和冠层内植被之间气体交换的时空变化。这些动态是理解森林在维护当地生态系统方面发挥的作用的关键，也是理解它们如何应对和影响全球气候变化的关键。冠层区域是植被和大气相互作用的地方，即所谓的“交错带”，但该区域很难进行研究。因此，英国的森林测绘公司Carbomap使用一种以前从未在热带地区应用过的方法进行了机载激光扫描(ALS)调查。

森林的映射

ALS在森林制图中的应用在学术研究中得到了很好的确立，它在商业应用中的应用是一个不断增长的行业。ALS可以详细捕捉森林结构的数据，而这是通常应用于热带地区的其他遥感系统(如卫星遥感或雷达)无法做到的。这使得可以创建森林的3D地图，并进一步计算或估计森林碳等相关指标。这项技术可用于各种不同的林业领域，如木材、养护、管理和火灾风险管理。这些应用的一个关键产品是冠层高度模型，它描述了叶片相对于地面的高度。计算方法是用叶片的绝对高度减去地面模型的高度。

激光扫描系统

法国公司L 'Avion Jaune开发了YellowScan激光扫描系统，该系统被用于森林测绘项目。它是一种多功能激光扫描仪，适用于无人机和其他超轻型飞机。它的重量不到2公斤，包含一个激光扫描头，一个基于MEMS技术的惯性测量单元和一个高档的GPS接收器。为了在无人机上操作，它具有低功耗和20 × 20 × 15cm的紧凑尺寸^3.．该扫描仪可以在地面以上150米的地方工作，分辨率为10厘米²以每小时50公里的飞行速度。典型的扫描角度测量为±50°。该系统的空间精度为30cm - 1m，而扫描仪的距离精度为10cm。YellowScan提供了多达3个返回每个脉冲。这有助于提取植被覆盖下的地形信息，因为随着脉冲数量的增加，从叶片下方记录点的概率也会增加。反过来，这对于生成一个依赖于精确的数字地形模型的冠层高度模型至关重要。

数据采集

冠层高度模型的数据是通过在载人直升机上安装YellowScan系统收集的。使用了一架直升机，因为它可以测试一系列的飞行特性和场景。复制无人机飞行的主要考虑是飞机的低空和飞行的低速。随着概念验证的成功，l’avion Jaune已经开始将YellowScan系统完全集成到无人机平台的开发。直升飞机飞行了几个试验区，覆盖森林面积约0.35公里²，在飞行过程中共收集了超过60万个积分。图1显示了扫描数据在林中的交叉概要。在飞行期间，L 'Avion Jaune使用了自己的基站进行RTK定位。然而，由于无线电连接的技术困难，它被切换到SBAS校正。虽然项目中没有使用地面控制点，但在无人机激光雷达数据采集的同一周内采集了传统的激光雷达数据集，两套数据集进行了匹配。

为了生成冠层高度模型，Carbomap从点云中提取地形模型。特别的挑战是森林本身的高树叶密度，这限制了地面识别的容易程度。为了克服这个问题，Carbomap开发了一种算法来识别地面上的点。总的来说，60多万返回者中只有673人在地面上。实现的DTM精度总RMSE为0.096m，偏差为0.01m，地形高程标准差为6.9m。这些是通过确定地面网格层和识别的地面点之间的差异来计算的。

处理

一旦DTM从点云中提取出来，冠层高度模型就由该地面层以上树木的高度确定。图2给出了结果的印象。森林映射工作流程的下一个阶段是从数据中提取其他森林度量。这方面的例子包括森林地区地上生物量和碳的储存量。如果有多个随时间变化的数据集，则还可以测量森林覆盖的变化，以揭示森林碳的变化。

对无人机

在这个项目中使用的扫描系统，虽然安装在有人驾驶的直升飞机上，但被优化用于无人机。为了证明基于无人机的森林制图概念，该直升机复制了一架典型无人机的飞行参数。与目前使用全尺寸飞机进行ALS调查的行业标准相比，无人机更适合这种类型的工作。无人机的飞行高度明显低于普通测量机，有助于克服热带地区云层和大气干扰的问题。无人机的飞行速度也比普通飞机低得多，这意味着它们可以实现更高的点密度。其结果是一种更具成本效益的系统，特别适合在机载激光扫描部署成本昂贵的发展中国家使用。

发展

目前正在开展工作，以便在世界其他地区应用该项目的无人机森林制图方法，并展示其在一系列不同森林类型中的使用情况。Carbomap正在帮助引导无人机用于森林测绘，为小区域森林测绘提供一种低成本的替代选择。同时，激光测绘技术的研究和开发也在继续。例如，全波形激光扫描可以用于提取森林的亚冠层数据，这对火灾风险制图特别有用。另一个发展是通过多光谱冠层激光雷达，将多光谱遥感与激光扫描的三维结构信息融合。一旦在空中飞行，它将提供关于森林冠层的完整三维剖面的生物物理信息，包括下层植被和顶层冠层。

作者

山姆·弗莱明

Sam是一名遥感专家，拥有伦敦大学学院理学硕士学位和英国爱丁堡大学地理学学士学位。他的专长在于利用激光雷达数据提取森林结构参数。他最近在绿石公司(Greenstone)担任碳排放顾问，目前是Carbomap客户服务主管。

教授伊恩•伍德豪斯

Iain是英国爱丁堡大学应用地球观测的教授。2008年，他联合创立了Ecometrica，并从2008年到2012年担任非执行董事。2009年，Iain在马拉维创建了REDD Horizon，这是一个能力建设项目。2012年，他得到了英国皇家学会爱丁堡企业奖的资助，帮助建立了Carbomap。他目前是多光谱林冠激光雷达的首席执行官和首席联合发明人。

安东尼Cottin博士

安东尼是测深激光雷达处理方面的专家。他在魁北克完成了博士学位，然后在密西西比与Optech和美国陆军工程公司合作完成了博士后研究。他有十年处理全波形系统的经验。安托万还在成功的实地活动中领导团队，并在地面激光扫描仪的应用和处理方面有经验。他目前是Carbomap的首席技术官。