激光雷达：助力森林资源调查智慧化、精准化

今年3月，习近平总书记在参加首都义务植树活动时指出：“森林是水库、钱库、粮库，现在应该再加上一个‘碳库’。”党的二十大报告指出，推动绿色发展，促进人与自然和谐共生。这些重要论断，指明了林业在国民经济社会发展中的战略地位。

本文内容摘自《中国测绘》2022年第11期

授权转载：中国测绘学会

9月19日，中共中央宣传部举行“中国这十年”系列主题新闻发布会，介绍新时代自然资源事业发展与成就有关情况。数据显示，当前我国森林面积34.60亿亩、居世界第五位，森林蓄积量194.93亿立方米、居世界第六位，人工林保存面积13.14亿亩、居世界第一位；草地面积39.68亿亩、居世界第二位；湿地面积8.50亿亩左右、居世界第四位；我国林草总碳储量达到114.43亿吨，也居世界前列。

人类依靠森林和自然生态环境而生存,自然生态系统的保护也是人类责无旁贷的担当。准确查清森林资源现状和及时掌握发展变化，对于森林资源的可持续管理与保护具有重要意义。进入新发展阶段，对森林资源调查也提出了新的要求。激光雷达技术凭借快速精确获取三维空间信息的优势，在森林资源调查中得到广泛的关注和应用。

国家林业和草原局华东调查规划院（以下简称“华东院”）以创新驱动发展，大胆探索实践，取得了多项创新成果，探索出森林资源调查监测的新思路、新方法。华东院激光雷达创新团队研发的激光雷达等多源数据协同监测技术，经权威专家鉴定，认为达到国际先进水平。该成果2020年入选国家林业和草原局100项重点推广科技成果，并在安徽、江西、河南等地推广应用。

前不久，激光雷达创新团队入选国家林草局科技创新团队，进一步展示了林业科技创新实力和创新管理成效。我国森林资源调查正朝着智慧化、精准化方向迈进。

森林调查队员手拿着皮尺、测高仪，背着罗盘仪等测量仪器，深入荆棘遍布、杂草丛生的深山老林，几个人相互配合，你一嗓子、我一回应，到现场调查每一个样地、小班，测量树高、胸径、树冠等因子，并认真做好记录，确保各项因子精准无误。

这种传统的森林调查方式，需要投入大量的人力物力，工作量非常大，劳动强度也非常高，并伴随着不可预见的危险性。林草局华东院副总工程师林辉表示，由于森林资源分布太广，要精确量测每一棵树的具体数据，调查的难度无法估算，这就变成了一项不可能完成的任务。

森林资源调查的主要目的就是掌握我国森林资源的现状，掌握森林资源动态变化情况，为科学开展森林生态系统保护修复、监督管理、林长制督查考核、实施碳达峰碳中和战略、实现林业草原国家公园“三位一体”高质量融合发展等提供决策支撑，也为切实履行统一行使全民所有自然资源资产所有者职责、统一行使所有国土空间用途管制和生态保护修复职责提供服务保障，还为生态文明建设目标评价考核提供科学依据。

激光雷达森林资源监测创新团队负责人刘道平（中）率队出征，前往黄山区通过机载LiDAR（后排航拍飞机搭载）获取精确森林结构参数。林辉（左三）、陆亚刚（左二）一同前往

林辉说，为了这项“不可能完成的任务”，林业的老前辈们非常有智慧，想了好多办法解决森林资源调查难题。一是抽样调查，以抽样代表全面调查。二是估测调查，此方法对调查人员的估测、目测能力要求非常高，一般需要经过多年的调查实践，具备丰富的经验才能较好地掌握。如今，抽样和估测方法仍然在森林资源调查中发挥着重要作用。

据介绍，我国森林资源调查经过几十年的发展，已经形成了符合我国林业发展特点和要求的较为完整的森林资源调查体系，按照调查目的、内容、技术方法等可划分为：一是森林资源连续清查（一类调查）；二是森林资源规划设计调查（二类调查）；三是森林作业设计调查（三类调查）；四是专业调查（如野生动植物调查、土壤调查等）。每一项调查都各有针对性。

比如，一类调查是以掌握宏观森林资源现状与动态为目的，5年一个周期。二类调查是以掌握森林、林地和林木资源的种类、数量、质量与分布为目的，10年一个周期。

不管是5年一次的一类调查，还是10年一次的二类调查，除了劳动强度大以外，还有调查监测周期长、监测成果时效性差等问题，使得森林蓄积量精度难以把控，影响着森林调查的质量。

从1973年到2018年，历经45年，我国已经完成了9次一类调查，为我国林业事业发展和国民经济建设决策作出了不可磨灭的贡献。自2021年国家林业和草原局开始依法履行“森林、草原、湿地、荒漠和陆生野生动植物资源动态监测与评价”职能以来，陆续开展了以国土“三调”成果为统一底版，整合各类监测资源，构建林草生态综合监测评价体系，统筹开展森林、草原、湿地、荒漠化/沙化/石漠化土地（简称“林草湿荒”）监测。

新时代的森林资源调查，以国土三调及其变更调查成果为底图，对接森林资源管理一张图，通过遥感判读、验证核实、数据更新获取森林种类、数量、分布现状及其变化数据，同时通过样地调查获取森林的储量、质量、结构及其变化数据，实现年度出数，同时将森林分布落实到山头地块，提高了数据的时效性，更加有效地服务于生态文明建设，为森林资源的监督管理提供了有力的支持。

我国幅员辽阔，森林广泛分布，森林调查的数据量非常庞大。2021年，全国各级林草部门共投入1.7万名调查监测人员，完成31个省份45.7万个样地监测、4.7亿个图斑监测。

遥感技术的飞速发展为实现高效和大面积森林资源调查带来希望。2004年前后，激光雷达技术开始在我国林业崭露头角，并迅速得到关注。

华东院碳汇处副处长、激光雷达创新团队技术负责人陆亚刚告诉记者，机载激光雷达在森林结构参数提取方面的研究，是在上世纪九十年代由西方国家发展起来，并投入商业化应用。在我国的发展始于2004年前后，林业科研人员关注到这项技术后开始做深入研究。经过30多年的创新发展，激光雷达技术在林业中的应用已逐渐成熟，但大范围应用于森林资源调查还是近5年的事，确切地说，是从2017年开始。

激光雷达具有高精度测距和超强穿透能力，可以高效获取林分垂直结构信息，结合适量的地面样地调查，可快速定量估测森林蓄积量、生物量等重要因子。而常规森林资源调查手段要获得这些信息，需要投入大量人力物力，并且数据产出周期漫长，不能满足新时代生产和管理的需求。

近些年，随着激光雷达技术的迅速发展，星机地等多源多尺度激光雷达数据在森林调查中的应用越来越广泛，人工调查可获得的如胸径、树高、蓄积量等测树因子，可通过多源数据融合进行提取或反演。运用激光雷达技术进行森林资源调查，其主要成本就是激光雷达数据获取以及处理的费用，从时间、人力、物力和应用效果等综合成本来考量，运用激光雷达技术进行森林资源监测成本已接近甚至低于传统人工调查。

随着生态文明建设的日益加强，“林长制”绩效考核和党政领导干部离任资源审计等政策的实施，以及“碳中和碳达峰”战略目标的提出，建立与之相适应的森林资源动态监测体系日益迫切。

华东院以安徽省“林长制”建设需求为契机，选择山区、低山丘陵、平原三种不同立地类型的区域为试点研究区，创新性探索建立了“基于激光雷达（LiDAR）等多源数据的森林资源动态监测技术”。

该技术充分吸收森林资源传统调查方法的优点，将机载LiDAR与多源数据相结合，应用于森林蓄积年度动态监测。通过机载LiDAR获取精确森林结构参数，如树高、冠幅以及森林地形等，结合高空间分辨率遥感影像、地面实测样地等多源数据，建立全覆盖的森林蓄积反演模型，解决了森林资源动态监测中小班的蓄积精确监测和调查效率问题。同时，结合国家森林资源连续清查数据、地方森林资源规划设计调查以及地面补充调查数据，进行蓄积量总控，从而保证蓄积总量和蓄积相对量的客观和准确。

此外，采用“互联网+”技术，实现了森林资源精准定位、精准保护和动态监管，形成林业立体感知、管理协同高效、生态价值凸显、服务内外一体的“一张图”应用新模式，并利用互联网进行角色定位，开发相应的网页和移动端应用程序，实现了信息实时沟通，降低基层高新技术应用门槛，极大地提高了数据采集效率和质量。

通过五年持续探索，华东院及激光雷达创新团队全体科研人员攻坚克难，激光雷达技术在安徽省森林资源管理工作中得到了广泛应用，为安徽省林长制绩效考核、“十四五”采伐限额编制以及安徽省森林碳储量估算等方面提供了有效数据支持。创新成果新颖实用高效，经林业行业知名院士等专家鉴定认为，成果整体达到国内领先水平，创新了森林资源年度监测技术体系与方法。其中，激光雷达等多源数据协同监测技术达到国际先进水平。该成果已入选国家林业和草原局100项重点推广科技成果，并在安徽、江西、河南等地进行推广应用。

值得一提的是，林长制考核和领导干部离任审计考核，通过激光雷达遥感，实现了“同一把尺子、同一套数据、同一个时点、同一种方法”产出结果，保证了考核的客观、公正、公平。

“森林资源调查达到省、市、县、乡、村5级考核的要求，难度非常大，以前一个省出数都要5年出一次，就算进入新发展阶段，达到一年一出数也不可谓不难。如果按照原来传统的调查方法肯定完不成，又会变成一个新的不可能完成任务。”

林辉表示，正是因为有了激光雷达这项新技术，以及基于团队多年来对森林资源方法的总结结合，一举实现了年度面积蓄积双出数，这是非常大的一个进步。从整个国家森林资源监测角度来说，也是一个大的突破，不仅林草管理水平得到全方位提升，还促进了整个调查方法的改进，实现经济和社会效益双丰收。

在林辉看来，眼下遇到的一大瓶颈或者困难是激光雷达数据源问题。他希望雷达数据获取可以走光学遥感影像发展的路子。如今，光学影像完全打破了原来的困境，近30年来光学遥感发展非常快，特别是国产高分系列卫星的发射，降低了使用门槛，为遥感技术的广泛应用奠定了基础。

上世纪80年代末，林辉大学期间开始接触遥感的时候，使用的大多都是国外卫星数据。他说，当时买一景图像要5000元。想想看，对比当时一个月几十块钱的工资来讲，是非常昂贵的。近几年，随着国产系列卫星上天，国人用上了自己国家的卫星数据，他感到非常自豪。“我们林草行业也参与到高分专项建设中来。相对来说，原始数据变成了免费的午餐，国家统一安排，成本也降低不少。”

就激光雷达数据而言，森林资源因林木个体较小、分布密集，所以对激光雷达获取的点云密度要求较高，一般采用航空机载激光雷达扫描的方式获取数据。森林分布广，大面积、高密度激光雷达点云数据的获取需要耗费大量的时间成本，同时也意味着高额成本的支出。追求高精度，点云密度就高，数据量也大，处理时间相对拉长，以及需要相应的高性能设备，这些也制约了激光雷达技术的广泛应用。

华东院碳汇处处长、激光雷达创新团队负责人洪奕丰博士表示，在数据处理方面，利用点云数据反演森林蓄积，目前常规的方法是结合地面实测样地，意味着还需要做大量的地面样地调查，外业工作量依然很大，在时效和成本方面都是一道沟、一道坎。还有反演结果的稳定性方面，不同树种、复杂地形对激光雷达的应用都有影响。南方阔叶林密集，激光雷达几乎穿不透，会对林木测高产生较大影响等。

特别是现有的基础数表要求更不利于激光雷达的应用。受限于林木高度测量的难度，我国林业材积表都以胸径作为自变量来计算材积。激光雷达技术应用于森林资源调查的优势主要在于精准树高的获取，传统的材积表也不适应新技术发展需求。因此，为了更好地发挥激光雷达快速获取林分准确高度信息的优势，建议尽快编制全国主要区域主要树种的基于树高的材积、生物量等基础数表。

在资本的推动下，激光雷达迎着朝阳走上快速发展的大道，在林业、测绘、机器人、无人驾驶等领域得到广泛应用，激光雷达的赛道已略显拥挤。然而，如何让同一套数据多次发挥价值？业界一直在思考。

据洪奕丰介绍，2017年华东院和当时的安徽省测绘局合作利用激光雷达数据，但是测绘飞回来的数据只用于地形图生产，其他信息用不上。林业可以把这些数据再提取一遍，比如林草湿数据，采集下来的数据可以再给测绘用，还可以给水利等行业用，由此让同一套数据发挥多次价值，通过数据共享降低数据采集成本。

通过数据的多次利用和共享，一方面降低了社会成本；另一方面对于激光雷达技术的推广和更广泛应用也起到促进作用。总之，随着激光雷达技术的快速发展，必将推动森林资源调查方法、体系的革新，为我国林草事业和森林资源调查高质量发展提供强有力的支撑。

林辉对未来激光雷达的应用充满期待。他说，今年8月4日，陆地生态系统碳监测卫星(简称“碳星”)成功发射，同时期待我国自主的星载激光雷达数据尽快应用，这将为实现快速、大面积的数据采集提供充足的数据源。同时，希望大幅提高数据采集时效，降低数据获取成本，为激光雷达应用于大面积森林资源调查提供支撑。

洪奕丰对激光雷达应用有他自己的想法。他说，激光雷达的小型化和便携化为无人机的应用提供了广泛的空间，使得数据的采集更加灵活，时效性更高，为小范围、高时效的森林资源调查提供更好的支撑，特别是对自然保护地的资源调查带来了便利，而便携式的地基激光雷达可以充分应用到样地调查、林木资产评估等方面，在提高精准度的基础上，进一步提升效率降低野外工作强度。

陆亚刚认为，激光雷达技术因其能够精准获取高度信息，在森林资源调查上具有独特的优势，结合多年来我国在森林资源监测上的技术积累，目前也有了很好的示范应用。期盼着国产激光雷达测量系统软硬件快速集成发展，发射中国的星载激光雷达卫星，实现大范围数据的快速采集，就如国产高分系列卫星的发射，将“一幅万金”的光学影像“飞入寻常百姓家”，极大地推进遥感技术在各行各业的应用。

林业人共同期待着更为便捷的激光雷达数据采集方式，让多源动态激光雷达数据支撑不同尺度的森林资源调查，实现精确、高效数据获取，以及更加精确和客观地评估森林价值，为绿水青山就是金山银山的价值转换贡献林业人的智慧和力量。

党的二十大报告指出，必须坚持科技是第一生产力、人才是第一资源、创新是第一动力，深入实施科教兴国战略、人才强国战略、创新驱动发展战略，开辟发展新领域新赛道，不断塑造发展新动能新优势。

华东院人表示，下一步，华东院将继续以创新驱动为引领，在全面建设社会主义现代化的新征程上，踔厉奋发、勇毅前行，按照习近平总书记所要求的“把论文写在祖国大地上”，攻坚克难，在海量数据自动处理、低成本激光雷达监测体系建立、森林碳储量核算等方面做进一步研究应用，为生态网络感知系统建设和林草事业高质量发展不断增添新动能。

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