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解决方案丨天空地一体化森林资源调查

2022-02-16

一、建设背景

森林资源是国家重要的自然资源和战略资源,是林业发展的物质基础,是建设生态文明的根本保障。自然资源部发布《关于开展2021年度全国森林资源调查监测工作的通知》,要求以第三次全国国土调查成果为唯一底版,准确查清全国及各省(区、市)2021年度森林资源现状数据,推进构建全国统一的森林资源调查监测工作体系,为实现碳达峰、碳中和的战略目标提供数据服务,为生态文明建设目标评价考核提供科学依据。

当前,森林资源调查监测方法主要为卫星遥感航空遥感和实地调查三种,利用遥感技术可以大范围、及时、准确地调查森林资源并监测森林变化。飞燕遥感运用多源遥感技术开展森林资源调查监测工作,可以快速、大范围、高精度地为森林资源调查监测提供服务。

二、解决方案

(一) 总体思路

针对森林资源调查监测地特点,飞燕遥感依托公司五甲测绘资质、自研8.8亿像素航空集成多传感器航摄仪AIMS、多台先进数码/机载激光雷达/倾斜航摄仪、无人机、三维激光扫描仪,基于二十年测绘地理信息领域数据获取、处理及应用经验,提出天空地一体化森林资源监测方案——综合运用卫星遥感机载激光雷达扫描、无人机航测、实地调查等方式,从多个维度,针对森林资源调查、森林火灾监测、森林病虫害监测等方面,推进森林资源调查监测工作顺利开展,为生态文明建设提供技术支持。

(二)技术方案

利用天(卫星遥感)+空(机载激光雷达扫描)+地(实地调查)一体化监测体系,针对森林资源调查、森林火灾监测、森林病虫害防治、森林冠层高度模型制作等业务需求,全方位实施森林资源调查监测。

1. “天”:基于卫星遥感技术的森林资源调查监测

飞燕遥感作为国内高分辨率卫星数据代理商,可为用户提供0.5m分辨率卫星影像、亚米级普通光学影像、多谱段多光谱影像等遥感数据产品,以及图像处理、遥感解译和基于卫星数据的解决方案。在森林调查领域,支持森林资源调查、森林火灾监测、森林病虫害监测等服务。


森林资源调查


森林资源调查是利用多源多时相遥感数据、地形数据、森林物候特征等基础数据,基于多源、多时相卫星遥感数据,提取遥感影像中的土地利用类型、树种类型以及多时相影像间的森林类型变化信息。

树种识别


森林火灾监测


森林火灾监测是森林资源保护的重要业务,通过森林火点在遥感影像短波红外、热红外波段的光谱特征,快速识别森林火点,为森林火灾监测预警业务提供支持。

森林火点提取


森林病虫害监测


森林病虫害是林业有害生物源之一,常见的包括松毛虫、天牛、白蛾等病虫害。利用多时相卫星遥感影像,根据感染病虫害树木与正常树木在影像上的明显光谱差异,普查疑似病虫害区域。针对卫星遥感提取的疑似病虫害区域和抽查的小班,采用无人机航测进行详查。实现全面、准确、迅速监测管理病虫害,及时准确发布病虫害预警信息,有效指导病虫害防控。

基于卫星影像提取疑似病虫害区域

      基于无人机影像提取疑似病虫害区域

2. “空”:基于机载激光雷达技术的森林资源调查监测

飞燕遥感依托公司五甲测绘资质、自研8.8亿像素航空集成多传感器航摄仪AIMS、200万赫兹机载激光雷达扫描仪RIEGL VQ 1560i、无人机等优势,在森林资源调查领域,可为用户提供森林点云数据获取、处理、分类,以及森林数字表面模型DSM、数字高程模型DEM、冠层高度模型CHM制作等服务。


点云数据获取


激光雷达是一种新兴的主动遥感技术,能够在多时空尺度上获取森林生态系统高分辨率的三维地形、植被结构参数、叶面积指数等参数。一般按照承载平台的不同,分为星载、机载和地面激光雷达。

针对大面积森林资源调查监测,通常采用机载激光雷达方式进行数据获取。机载激光雷达系统以有人机或无人机为搭载平台,搭载的主要载荷包括激光传感器、GNSS接收机、惯导系统(IMU)等,在数据获取前,需预先确定机载激光雷达航摄仪的飞行范围,明确飞行方向、航高、飞行速度、点云密度等参数。

原始点云

     

真实彩色点云


点云数据预处理


点云数据预处理包括对航空摄影所获取的激光点云、POS数据和地面基站等原始数据进行解压、差分、POS数据解算、激光检校、点云数据生成、点云数据坐标转换、点云数据姿态校正、点云数据噪声点剔除、航带间接边等处理,以获得能够满足后期数据处理及产品制作要求的点云数据。


点云分类


对预处理后的点云进行分类,将其分为地面点、植被点、非植被点。

点云分类后的地面点(棕色)、建筑物点(红色)、植被点(绿色)


数字表面模型(DSM)制作


数字地表模型(Digital Surface Model,DSM)是指包含了地表建筑物、桥梁和树木等高度的地面高程模型。

以分类点云中所有地表点以及地表之上的植被、建筑物、构筑物等自然及人工地物表面形态上的点均作为特征点,并以带有高程信息的面状水域范围线作为特征线,构建并输出数字表面模型(DSM)产品。

基于激光点云生成的DSM


数字高程模型(DEM)制作


数字高程模型(Digital Elevation Model,DEM)是通过有限的地形高程数据实现对地面地形的数字化模拟(即地形表面形态的数字化表达),是利用一组有序数值阵列形式表示地面高程的一种实体地面模型

在DSM的基础上,滤除地表之上的植被、建筑物、构筑物等自然及人工地物表面形态上的点,带有高程信息的面状水域范围线作为特征线,参与数字高程模型(DEM)产品的构建与输出。

基于激光点云生成的DEM


冠层高度模型(CHM)制作


森林冠层高度模型(Canopy Height Model,CHM)是一个表达植被距离地面高度的表面模型,通常基于数字表面模型DSM以及数字高程模型DEM,通过CHM = DSM–DEM,生成CHM。

基于激光点云生成的DSM、DEM、CHM模型

3. “地”:实地调查监测

根据森林资源调查监测区域范围大小设置若干块小样地进行人工实测,按照森林资源调查规范,对样地范围内的立木进行测量,主要测量指标为胸径、树高、枝下高和冠幅。

公司设备
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