地基激光雷達(dá)典型森林類型地上碳儲(chǔ)量 調(diào)查技術(shù)規(guī)范

地基激光雷達(dá)典型森林類型地上碳儲(chǔ)量調(diào)查技術(shù)規(guī)范范圍本文件規(guī)定了地基激光雷達(dá)在森林地上碳儲(chǔ)量調(diào)查的術(shù)語(yǔ)和定義、總則、調(diào)查準(zhǔn)備、樣地布設(shè)、樣地調(diào)查、點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理與林木參數(shù)提取、樣品檢測(cè)、地上碳儲(chǔ)量測(cè)算和成果歸檔等技術(shù)要求和規(guī)范。本文件適用于廣西行政區(qū)域內(nèi)典型森林類型地上碳儲(chǔ)量調(diào)查。規(guī)范性引用文件下列文件中的內(nèi)容通過(guò)文中的規(guī)范性引用而構(gòu)成本文件必不可少的條款。其中，注日期的引用文件，僅該日期對(duì)應(yīng)的版本適用于本文件；不注日期的引用文件，其最新版本（包括所有的修改單）適用于本文件。GB/T1927.5無(wú)疵小試樣木材物理力學(xué)性質(zhì)試驗(yàn)方法第5部分：密度測(cè)定GB/T14911測(cè)繪基本術(shù)語(yǔ)GB/T36100機(jī)載激光雷達(dá)點(diǎn)云數(shù)據(jù)質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo)及計(jì)算方法GB/T38590森林資源連續(xù)清查技術(shù)規(guī)程LY/T2259立木生物量建模樣本采集技術(shù)規(guī)程LY/T2812森林木本植物功能性狀測(cè)定方法LY/T2988森林生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量計(jì)量指南CH/Z3017地面三維激光掃描作業(yè)技術(shù)規(guī)程CH/T8024機(jī)載激光雷達(dá)數(shù)據(jù)獲取技術(shù)規(guī)范術(shù)語(yǔ)和定義下列術(shù)語(yǔ)和定義適用于本文件。

激光雷達(dá)lidar發(fā)射激光束并接收回波獲取目標(biāo)三維信息的系統(tǒng)。[來(lái)源：CH/T8024，3.1]

地面三維激光掃描技術(shù)terrestrialthreedimensionallaserscanningtechnology基于地面固定站的一種通過(guò)發(fā)射激光獲取被測(cè)物體表面三維坐標(biāo)、反射光強(qiáng)度等多種信息的非接觸式主動(dòng)測(cè)量技術(shù)。[來(lái)源：CH/Z3017，3.1]

點(diǎn)云pointscloud以離散、不規(guī)則方式分布在三維空間中的點(diǎn)的集合。[來(lái)源：CH/Z3017，3.1]

點(diǎn)云密度pointclouddensity以高程方向?yàn)榉ㄏ蛄?，單位面積上點(diǎn)云中激光點(diǎn)的平均數(shù)量。[來(lái)源：GB/T36100，3.4]標(biāo)靶target用一定材質(zhì)制作的具有規(guī)則幾何形狀的標(biāo)志，該類標(biāo)志在點(diǎn)云中能夠很好地被識(shí)別和量測(cè)，從而可以用于點(diǎn)云數(shù)據(jù)質(zhì)量檢查及點(diǎn)云配準(zhǔn)等工作。[來(lái)源：CH/Z3017，3.1]

2000國(guó)家大地坐標(biāo)系Chinageodeticcoordinatesystem2000；CGCS2000采用2000參考橢球，原點(diǎn)在地心的右手地固直角坐標(biāo)系。Z軸國(guó)際地球旋轉(zhuǎn)局參考極方向，X軸為國(guó)際地球旋轉(zhuǎn)局的參考子午面與垂直于Z軸的赤道面的交線，Y軸與Z軸和X軸構(gòu)成右手正交坐標(biāo)系。[來(lái)源：GB/T14911，2.32]

基本密度basicdensity木材的絕干質(zhì)量與生材體積的比值。[來(lái)源：GB/T1927.5，3.4]

比葉面積葉的單面面積與其干重之比。[來(lái)源：LY/T2812，4.4.6，有修改]

地上生物量above-groundbiomass地表以上喬木層（樹(shù)高大于2m，包括干、樁、枝、皮、種子、葉）活體植物的干重，不包括下木層（灌木、草本和幼樹(shù)）。[來(lái)源：LY/T2988，3.4，有修改]

含碳系數(shù)carbonfactor林木生物量中的有機(jī)碳占有機(jī)質(zhì)總量的比值。[來(lái)源：LY/T2259，3.3，有修改]總則原則遵循科學(xué)性、可操作性、保護(hù)性、安全性原則。地理和投影坐標(biāo)系統(tǒng)地理坐標(biāo)系統(tǒng)為CGCS2000；投影坐標(biāo)系統(tǒng)為高斯克呂投影3度分帶，CGCS2000橢球體。點(diǎn)云精度與技術(shù)指標(biāo)地基激光雷達(dá)掃描點(diǎn)云精度及技術(shù)指標(biāo)按照CH/Z3017執(zhí)行。測(cè)量精度要求基于地基激光雷達(dá)點(diǎn)云反演的樹(shù)木胸徑、株數(shù)、樹(shù)高（或枝下高）測(cè)算精度按照GB/T38590的要求執(zhí)行。工作流程工作流程包括準(zhǔn)備工作、數(shù)據(jù)與樣品采集、點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理、測(cè)試分析、單木、樣地尺度地上碳儲(chǔ)量測(cè)算和成果數(shù)據(jù)歸檔等。地基激光雷達(dá)典型森林地上碳儲(chǔ)量調(diào)查流程調(diào)查準(zhǔn)備資料收集與方案制定收集調(diào)查區(qū)森林分類區(qū)劃圖、數(shù)字高程模型（DEM）、空間分辨率優(yōu)于2m正射影像等，對(duì)調(diào)查區(qū)域進(jìn)行實(shí)地踏勘，制定科學(xué)合理的調(diào)查方案。儀器設(shè)備及要求固定站式激光雷達(dá)掃描設(shè)備各部件及附件應(yīng)齊全、匹配，各部件通電良好，能正常獲取數(shù)據(jù)，主要技術(shù)指標(biāo)應(yīng)滿足最大測(cè)距范圍大于等于80m，掃描視場(chǎng)角360°×270°，測(cè)距精度高于3mm，采用激光級(jí)別為I級(jí)低能量激光設(shè)備；根據(jù)樣地激光雷達(dá)多站點(diǎn)掃描需求，定制具有明確順序編號(hào)且易于多角度識(shí)別的標(biāo)靶球（圖2）。其他儀器設(shè)備按照GB/T38590執(zhí)行。標(biāo)靶球示意圖樣地布設(shè)參照GB/T38590-2020開(kāi)展樣地選擇，確定樣地形狀與大小，完成樣地布設(shè)和測(cè)定等工作。樣地調(diào)查樣地實(shí)測(cè)與取樣參照GB/T38590開(kāi)展樣地因子調(diào)查、每木檢尺等工作。記錄表見(jiàn)附錄（A1、A2）。按樣地內(nèi)優(yōu)勢(shì)樹(shù)種徑階選擇樣木，每個(gè)樹(shù)種選擇3-5株標(biāo)準(zhǔn)木，按GB/T1927.5要求利用生長(zhǎng)錐對(duì)樣木樹(shù)干錐鉆取樹(shù)芯樣本；利用高枝剪等工具對(duì)標(biāo)準(zhǔn)木樹(shù)冠利用高枝剪選取能最大程度接收陽(yáng)光照射、完全成熟、無(wú)病蟲(chóng)害損壞的不同生長(zhǎng)方向的樹(shù)枝、樹(shù)葉等器官進(jìn)行取樣；樣地內(nèi)枯立木按樹(shù)干和樹(shù)枝分別采集3-5份樣品。每份樣品不少于500g，所有樣品做好標(biāo)記帶回實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行相應(yīng)測(cè)定。地基激光雷達(dá)調(diào)查標(biāo)靶球布設(shè)樣地采用多站點(diǎn)掃描，地基激光雷達(dá)掃描前應(yīng)先架設(shè)標(biāo)靶球，用于多站點(diǎn)數(shù)據(jù)拼接。為保證多站點(diǎn)激光雷達(dá)掃描數(shù)據(jù)的鑲嵌拼接質(zhì)量，標(biāo)靶球應(yīng)首先在樣地四個(gè)角點(diǎn)布設(shè)，其它標(biāo)靶球相對(duì)均勻地分布于樣地內(nèi)，保證任意3個(gè)標(biāo)靶球不在同一條直線，同時(shí)注意避開(kāi)樹(shù)干遮擋。以25.82m×25.82m大小的樣地為例，布設(shè)標(biāo)靶球數(shù)量不少于12個(gè)，為便于多站點(diǎn)間數(shù)據(jù)拼接，順序編碼的標(biāo)靶球依Z字形進(jìn)行放置（圖3），并記錄標(biāo)靶球坐標(biāo)，記錄表見(jiàn)附錄（A3）。若樣地林分密度大，林木相互遮擋嚴(yán)重，可在樣地內(nèi)適當(dāng)增加標(biāo)靶球數(shù)量，以保證數(shù)據(jù)采集精度。標(biāo)靶球與地基激光雷達(dá)站點(diǎn)分布示意圖地基激光雷達(dá)站點(diǎn)架設(shè)與掃描地基激光雷達(dá)站點(diǎn)應(yīng)遵循相鄰站點(diǎn)掃描獲取的激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)涵蓋3個(gè)以上同名標(biāo)靶球的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行架設(shè)，同時(shí)為減小多站點(diǎn)間數(shù)據(jù)拼接誤差，第1站應(yīng)架設(shè)于樣地中心位置，以第1站為中心，分別以10m、15m和20m左右距離為半徑，順時(shí)針?lè)謩e架設(shè)4個(gè)地基激光雷達(dá)站點(diǎn)（圖3）。若樣地內(nèi)林分密度大，林木相互遮擋嚴(yán)重，可在樣地內(nèi)適當(dāng)增加地基激光雷達(dá)掃描站點(diǎn)，保證每站數(shù)據(jù)涵蓋3個(gè)同名標(biāo)靶球。為了保證數(shù)據(jù)采集精度，兼顧工作效率，按照CH/Z3017要求執(zhí)行。點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理與林木參數(shù)提取點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理與林木參數(shù)提取分別在激光雷達(dá)掃描站點(diǎn)、樣地與林木尺度開(kāi)展（圖4）。點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理與林木參數(shù)提取流程圖掃描站點(diǎn)點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理點(diǎn)云解算根據(jù)設(shè)備測(cè)量得到的目標(biāo)點(diǎn)距離值以及與該目標(biāo)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的激光發(fā)生器的水平角度和垂直角度，解算出目標(biāo)點(diǎn)的三維坐標(biāo)，可用公式（1）進(jìn)行點(diǎn)云解算： XP=Scosβcosα式中：（XP，YP，ZPS——掃描距離，單位為米（m）；α——水平掃描角，單位為度（°）；β——垂直掃描角，單位為度（°）。點(diǎn)云解算后以las格式存儲(chǔ)。點(diǎn)云配準(zhǔn)多站點(diǎn)掃描點(diǎn)云數(shù)據(jù)需經(jīng)過(guò)點(diǎn)云配準(zhǔn)，將不同坐標(biāo)系統(tǒng)間的點(diǎn)云數(shù)據(jù)統(tǒng)一為同一坐標(biāo)系統(tǒng)，通常包括粗配準(zhǔn)和精配準(zhǔn)。利用人工、基于幾何特征和基于隨機(jī)采樣一致性算法等3種方式之一實(shí)現(xiàn)多站點(diǎn)點(diǎn)云配準(zhǔn)，再通過(guò)迭代最近點(diǎn)算法實(shí)現(xiàn)精配準(zhǔn)。若已用RTK測(cè)得標(biāo)靶坐標(biāo)，可將配準(zhǔn)后的點(diǎn)云坐標(biāo)系統(tǒng)轉(zhuǎn)成CGCS2000地理坐標(biāo)系。合并與裁切將配準(zhǔn)后的點(diǎn)云數(shù)據(jù)合并，利用樣地四個(gè)角點(diǎn)標(biāo)靶球或坐標(biāo)對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行裁切處理，獲得樣地點(diǎn)云數(shù)據(jù)。樣地點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理點(diǎn)云去噪利用基于空間分布、深度、聚類、距離和密度等的去噪等算法，去除因設(shè)備精度、被測(cè)物本身特性、環(huán)境因素等引進(jìn)的噪聲，更好地還原樹(shù)木真實(shí)形狀，提高數(shù)據(jù)處理精度。點(diǎn)云分類利用基于模型擬合、區(qū)域增長(zhǎng)和聚類的點(diǎn)云分類方法等，對(duì)地基激光雷達(dá)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行分類，獲取地面、樹(shù)木的點(diǎn)云數(shù)據(jù)。點(diǎn)云歸一化利用反距離權(quán)重、自然鄰近、克里金和徑向基函數(shù)法等對(duì)地面點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行插值，獲取DEM，樹(shù)木點(diǎn)云減去DEM獲得歸一化的樹(shù)木點(diǎn)云數(shù)據(jù)。單木尺度點(diǎn)云處理單木分割利用基于生態(tài)理論的分割法、區(qū)域最高點(diǎn)搜索法、基于圖論的聯(lián)通區(qū)域思想和格網(wǎng)與鄰近搜索法等方法，對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行分割，提取單木點(diǎn)云數(shù)據(jù)。單木測(cè)樹(shù)因子提取依據(jù)單木分割點(diǎn)云確定樣地內(nèi)樹(shù)木株數(shù)；通過(guò)單木點(diǎn)云數(shù)據(jù)確定樹(shù)木最高點(diǎn)與地面的高度差獲取樹(shù)高；利用霍夫變換檢測(cè)圓方法獲取單木胸徑；采用點(diǎn)云變量回歸預(yù)測(cè)法、曲線擬合法和分層切片法等獲取枝下高；利用單木點(diǎn)云投影到平面，獲得樹(shù)冠投影面積；利用投影區(qū)域的凸包或凹包，通過(guò)樹(shù)冠投影面積得到冠幅；通過(guò)立體像素法測(cè)算單木葉面積指數(shù)。數(shù)據(jù)質(zhì)量控制點(diǎn)云數(shù)據(jù)質(zhì)量控制通過(guò)點(diǎn)云可視化，人工目視檢查多站點(diǎn)云配準(zhǔn)、點(diǎn)云去噪、點(diǎn)云分類、點(diǎn)云歸一化、單木分割等精度，對(duì)有疑問(wèn)處用斷面圖進(jìn)行查詢、分析。單木測(cè)樹(shù)因子驗(yàn)證將實(shí)測(cè)樣木因子與點(diǎn)云數(shù)據(jù)提取樣木信息一一對(duì)應(yīng)，標(biāo)記提取樣木的樹(shù)種名稱、檢尺類型等因子，對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)反演獲取樣木的胸徑、樹(shù)高（或枝下高）等林分參數(shù)與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證，計(jì)算并統(tǒng)計(jì)反演參數(shù)與實(shí)測(cè)值間的誤差。若數(shù)據(jù)質(zhì)量不符合4.4條要求，應(yīng)重新檢查數(shù)據(jù)處理流程或重新開(kāi)展激光雷達(dá)點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集。樣品檢測(cè)樹(shù)干、樹(shù)枝基本木材密度的測(cè)定，按照GB/T1927.5執(zhí)行；林木樹(shù)干、樹(shù)枝和樹(shù)葉的含碳系數(shù)采用重鉻酸鉀-硫酸氧化法或元素分析法測(cè)定；用葉面積儀或掃描儀測(cè)量鮮葉面積，烘干稱重，鮮葉面積與干重比值為比葉面積。地上碳儲(chǔ)量測(cè)算單木樹(shù)干樹(shù)枝體積測(cè)算基于單木分割點(diǎn)云數(shù)據(jù)，采用區(qū)分求積法，將樹(shù)干點(diǎn)云以固定間距進(jìn)行分段，擬合模塊提取各分段截面面積，再采用圓臺(tái)模型測(cè)算各分段體積從而累加得到枝下的樹(shù)干體積Vs，可用公式（2）進(jìn)行計(jì)算: Va=1m10?43式中：Va——樹(shù)干體積，單位為立方米（m3m——樹(shù)干分段數(shù)量；Ririhi參照公式（2）測(cè)算單木樹(shù)枝體積Vb，單位為立方米（m3單木地上碳儲(chǔ)量測(cè)算樹(shù)干碳儲(chǔ)量測(cè)算 Ca=ρa(bǔ)Va式中：Ca——樹(shù)干碳儲(chǔ)量，單位為千克（kg）；ρa(bǔ)——樹(shù)干基本密度，單位為克每立方厘米（g/cm3）Va——樹(shù)干體積，單位為立方米（m3Ka樹(shù)枝碳儲(chǔ)量測(cè)算 Cb=ρbVb式中：Cb——樹(shù)枝碳儲(chǔ)量，單位為千克（kg）；ρb——樹(shù)枝基本密度，單位為克每立方厘米（g/cm3）Vb——樹(shù)枝體積，單位為立方米（m3Kb——樹(shù)枝樹(shù)葉碳儲(chǔ)量測(cè)算 Cc=10?6LAI.S.K式中：Cc——樹(shù)葉碳儲(chǔ)量，單位為千克（kg）；LAI——葉面積指數(shù)，單位為平方米每平方米（m2/m2）；S——樹(shù)冠投影面積，單位為平方米（m2）；Kc——樹(shù)葉SLA——比葉面積，單位為平方米每克（m2/g）。單木地上碳儲(chǔ)量測(cè)算 Ci=Ca+C式中：Ci——地上碳儲(chǔ)量，單位為千克（kg）；Ca——樹(shù)干碳儲(chǔ)量，單位為千克（kg）；Cb——樹(shù)枝碳儲(chǔ)量，單位為千克（kg）；Cc——樹(shù)葉碳儲(chǔ)量，單位為千克（kg）?？萘⒛咎純?chǔ)量測(cè)算無(wú)樹(shù)枝枯立木碳儲(chǔ)量按公式（3）進(jìn)行測(cè)算；有樹(shù)枝枯立木按公式（3）和公式（4）進(jìn)行測(cè)算，枯立木碳儲(chǔ)量為公式（3）和公式（4）之和，其中木材基本密度和含碳系數(shù)分別為枯立木的木材基本密度和含碳系數(shù)。樣地地上碳儲(chǔ)量測(cè)算 C=i=1nCi+式中：C——樣地地上碳儲(chǔ)量，單位為千克（kg）；n——樣地內(nèi)單木數(shù)量；Ci——樣地內(nèi)第i棵樹(shù)地上碳儲(chǔ)量，單位為千克（kg）；M——樣地內(nèi)枯立木數(shù)量；Cj——樣地內(nèi)第j成果檔案整理野外樣地調(diào)查原始記錄與工作照片、地基激光雷達(dá)點(diǎn)云原始數(shù)據(jù)及結(jié)果數(shù)據(jù)，基于采集數(shù)據(jù)撰寫森林樣地地上碳儲(chǔ)量調(diào)查成果報(bào)告。對(duì)原始記錄數(shù)據(jù)、形成的數(shù)據(jù)集和文檔進(jìn)行存檔。

（資料性）

樣地調(diào)查記錄表樣地概況記錄表樣地名稱：樣方編號(hào)：調(diào)查人員：調(diào)查日期：地名省市縣鎮(zhèn)（鄉(xiāng)）村屯樣方面積m×m經(jīng)度（°）緯度（°）海拔（m）坡度（°）坡向（°）坡位林型起源干擾程度灌木層優(yōu)勢(shì)物種灌木層平均高度（m）灌木層蓋度（%）草本層優(yōu)勢(shì)物種草本層平均高度（m）草本層蓋度（%）樣地每木檢尺記錄表（立木類型）樣地名稱：樣地編號(hào)：調(diào)查人員：調(diào)查日期：樣木號(hào)檢尺類型樹(shù)種胸徑（cm）樹(shù)高（m）枝下高（m）方向角（°）水平距（m）備注a檢尺類型包括活立木、枯立木、枯倒木3類。標(biāo)靶球位置記錄表樣地名稱：樣地編號(hào)：調(diào)查人員：調(diào)查日期：標(biāo)靶球編號(hào)經(jīng)度（°）緯度（°）海拔（m）備注壹角點(diǎn)1貳角點(diǎn)2叁肆伍陸柒捌玖拾拾壹角點(diǎn)3拾貳角點(diǎn)4a請(qǐng)?jiān)谠摫砜臻g坐標(biāo)后的括號(hào)內(nèi)注明RTK設(shè)備使用的地理坐標(biāo)系或投影坐標(biāo)系類型，經(jīng)緯度單位根據(jù)選用坐標(biāo)系不同而不同，地理坐標(biāo)系為度，投影坐標(biāo)系為米；備注欄內(nèi)明確標(biāo)出樣地四個(gè)角點(diǎn)處的標(biāo)靶球（角點(diǎn)1、2、3、4），該表行數(shù)可根據(jù)標(biāo)靶球個(gè)數(shù)增減。參考文獻(xiàn)[1]郭慶華，蘇艷軍，胡天宇，劉瑾.激光雷達(dá)森林生態(tài)應(yīng)用：理論、方法及實(shí)例[M].XX：高等教育出版社，2018.[2]TaoShengli，WuFangfangandGuoQinghuaetal.2015.SegmentingtreecrownsfromterrestrialandmobileLiDARdatabyexploringecologicaltheories.SPRSJournalofPhotogrammetryandRemoteSensing，110，66-76.[3