《地基激光雷达典型森林类型地上碳储量调查技术规范》编制说明

1一、任务来源、起草单位、主要起草人广西地方标准《地基激光雷达典型森林类型地上碳储量调查技术规范》（即本规范）编制项目由广西壮族自治区质量技术监督局《关于下达2023年广西地方标准制修订项目计划的通知》（桂市监函〔2023〕2257号）文，由广西壮族自治区林业局提出，广西壮族自治区森林资源与生态环境监测中心和南宁师范大学共同负责起草。立项编号：2023—1378，起止年限：2023年8月-2024年12月。主要起草人删除[administ]:~及分工如下表。唐一飞2二、制定标准的必要性和意义陆地森林生态系统是全球重要的碳库与碳汇，其每年碳固存总量(4.05±0.67Pg)约占全球化石燃料释放量的50%，降低CO2浓度，缓解气候变化等方面起着举足轻重的作用。森林地上生物量是反映森林生态系统质量和生产力的重要参数，是森林资源调查监测评价的重要指标，也是植被碳的重要存储库。国家“双碳”战略需求，制定科学合理的碳达峰和碳中和实施方案及技术路线，急需开展森林固碳潜能研究和规范森林地上碳储量估算技术方法。传统森林蓄积量清查多注重木材产量，较少关注森林碳储量估算，原有树木异3速生长方程通常以规则形体树木为标准木，通过数理统计方法获取。天然林中异型树木占比众多，传统异速生长方程很难应用于异型树木的碳储量估算。同时，珍惜濒危、城市行道绿化等特殊树种，无法通过传统破坏性采样获取树木异速生长方程，而这些树种也是森林碳汇的重要组成部分。为实现森林碳储量的精准估算，亟需非破坏性采样又能高效精准的森林碳储量估算方法。地基激光雷达(TerrestrialLaserScanning，简称TLS)是一种主动遥感技术，可有效穿透森林各林分结构，提供一种非破坏性的高分辨率的森林结构三维测量手段，能够获取目标对象高精度3D点云数据，自动化提取森林调查属性参数，在森林参数反演方面具有独特优势。自2000年TLS初次应用于森林调查中进行单木属性参数提取后优势凸显，能够准技术的日趋成熟，除了能够反演森林单木基本属性(数量、树冠层孔隙度、冠层辐射、冠层结构、叶面积分布、树干曲线以及竞争指数等方面的反演，提高了数据精度和工作效率。然而，TLS在森林资源调查中的应用多集中于科学研究中，在林业调查中使用范围有限且至今没形成规范化的地基激光雷达森林资源野外调查技术的国家或行业规范和技术标准。为实现先进新兴技术在实际工作的应用，提高我国林业4部门及相关高校科研机构森林资源调查能力，规范TLS在森林资源调查中数据的统一性、科学性和准确性，本研究致力于地基激光雷达典型森林类型地上生物量调查技术规范或标准制定。广西是我国林业大省，2021年森林总面积1429.6万公顷，森林覆盖率高达62.55%，居全国第三位；森林生态服务功能总价值达1.75万亿元，居全国第五位；森林蓄积量达9.78亿立方米，森林植被总碳储量约5.27亿吨，相当于吸收储存二氧化碳约19.2亿吨。针对国家双碳战略，发挥广西森林产业优势，实现广西生态文明建设，中共广西壮族自治区委员会联合广西壮族自治区人民政府于2022年4月印发了《关于完整准确全面贯彻新发展理念做好碳达峰碳中和工作的实施意见》，要求提升城乡建设绿色低碳发展质量，依托并拓展现有自然资源调查监测体系，利用已有生态综合监测评价成果，构建创新型森林生态系统监测和碳源汇核算体系。广西壮族自治区林业局于2022年6月印发了《广西壮族自治区林业局关于加快制定我区碳达峰、碳中和中长期规划的建议会办意见》（桂林函〔2022〕837号明确提出继续推进全区林业碳汇资源本底调查工作。为了准确评估广西森林生态系统碳汇能力，亟需建立和完善典型森林生态系统碳汇计量指标、方法、参数、模型和规程规范，“广西典型森林生态系统碳汇计量监测核算地方标准体系”等技术研5究工作提上重要日程。广西天然植被类型有14个植被型，301个群系，树种类多样，统一实现所有森林类型地上生物量调查规范难度较大。本项目结合森林资源连续清查资料以及项目团队近年来工作基础，选择具有地带性代表的植被类型，且类型面积较大、森林蓄积量较大的群系作为研究对象开展研究，制定相应的野外调查技术规范或标准，利用传统人工调查方法验证技术标准的精度，建立可操作性性强、适用性广、可靠性高的地方标准，为广西区域森林地上生物量、碳储量估算、评价以及碳汇项目的开发的计量提供科学依三、主要起草过程本标准编制过程目前已经历以下4个阶段：立项申报、征求意见稿（初稿）编制、征求意见稿（初稿）咨询建议、征求意见稿公开征求意见等阶段。（一）立项申报阶段编制人员自2020年开始，以广西典型森林类型碳储量精准估算，服务国家“双碳”战略为目标，发挥广西森林资源优势，实现转移支付精准核算及碳贸易公开、公平和透明，系统开展了广西典型森林类型地上碳储量地基激光雷达估算研究，对广西人工林开展地上碳储量估算研究。根据《地基激光雷达典型森林类型地上碳储量调查技术规范》标准起草工作方案，2023年3月，广西林业局相关单位与南宁师范6大学地理与海洋研究院成立标准立项申报小组，开展标准立项申报工作。项目牵头单位广西森林生态监测中心负责提报立项申报书等相关材料，并组织相关单位开展标准研讨会，进一步明晰标准草案基本框架，明确各单位工作职责；南宁师范大学开展标准立项查新，并收集国内相关标准编制情况。2023年8月22日，自治区壮族自治区市场监督管理局关于下达2023年广西地方标准通过立项审查。（二）征求意见稿（初稿）编制阶段2023年8月标准项目下达后，广西壮族自治区森林资源与生态环境监测中心和南宁师范大学即成立了标准编制小组，开始实施标准项目的组织协调和技术规范编制工作。标导则汇编》、标准制定有关文件资料和《广西壮族自治区地方标准管理规定》要求，详细学习了GB/T1.1－2020、GB/T1.2－2020等基础标准，收集并研读了国内相关国标、行标及地标等文献，研究确定了标准编写的原则和技术路线，根据项目计划进度要求，确定了标准编写的原则和技术路线，并有序地组织开展标准的编制工作。（三）征求意见稿（初稿）咨询建议7西林业碳汇系列地标专家咨询会”，邀请广西科学院吕郁彪院申文辉（教授级高工）、广西地矿局康志强（正高级工程稿）咨询建议，项目组的蔡会德、卢峰、苏宏新、莫伟华等人参加会议，与会专家对标准的框架、条款、技术参数等进行了讨论，并提出相关修改建议。（四）征求意见稿公开征求意见征求的意见进行梳理和修改，进一步明晰了标准的框架、条教授级高工、苏宏新副研究员、杨元征博士和徐占勇工程师等有关成员再次对标准的相关内容及格式研讨修订后提报标准征求意见稿等相关材料公开征求意见。四、制定标准的原则和依据，与现行法律、法规的关系，与有关国家标准、行业标准的协调情况（一）标准制定原则标准制订以推进广西典型森林类型地上碳储量估算地基激光雷达调查技术方法的规范化、科学化、高效化为目标，遵循科学性、先进性、合理性和适用性的原则，力求做到科学规范、指标准确、可操作性强，既与国家相关标准接轨，8又符合广西区情。标准按中华人民共和国国家标准GB/T1.1-2020《标准化工作导则第1部分：标准化工作导则第1部分：标准化文件的结构和起草规则》等文件的要求进行编删除[administ]:标准的结构和编写规则写。《地基激光雷达典型森林类型地上碳储量调查技术规范》标准主要遵循以下原则：以广西典型森林类型3个八角林调查样地研究为依据，经过野外实地调查数据与室内激光点云数据三维建模数据反复验证并征求相关人员意见的基础上，参考国内外激光雷达点云数据估算森林地上生物量和碳储量相关技术文献资料的研究成果及技术参数，向森林生态系统蓄积量、生物量和碳储量估算专家咨询意见，再根据审查意见对标准进行修订，制定标准。2.可操作性原则从地基激光雷达森林地上碳储量估算技术的实际出发，充分考虑森林地上生物量和碳储量估算所需人力、物力及相关技术条件和技术要求，确保标准的技术条件和经济条件可（二）标准制定依据1.引用相关法律法规和国家、行业标准36100、LY/T2259、LY/T2812、LY/T2988、CH/Z3017、9CH/T8024等进行定义；样地数据调查依据GB/T38590开展；地基激光雷达点云数据采集及精度要求参照GB/T36100、GB/T14911、CH/T8024和CH/Z3017等采集，数据及样本处理参照GB/T1927.5、LY/T2259、LY/T2812、LY/T29882.参考各类标准文件资料本标准编制过程中主要参考的文件资料包括1）激光雷达森林生态应用：理论、方法及实例[M].北京：高等教育出版社，2018.2）SegmentingtreecrownsfromterrestrialandmobileLiDARdatabyexploringecologicaltheories，SPRSJournalofPhotogrammetryandRemoteSensing3）AirborneLidar-derivedvolumemetricsforabovegroundbiomassestimation:Acomparativeassessmentforconiferstands，AgriculturalandForestMeteorology4）Automaticreconstructionoftreeskeletalstructuresfrompointclouds，ACMTransactionsonGraphics5）Computational-Geometry-BasedRetrievalofEffectiveLeafAreaIndexUsingTerrestrialLaserScanning，IEEETransactionsonGeoscienceandRemoteSensing6）DB44/T2123—2018,生长锥取样木材密度测定方法[S]。（三）与现行法律、法规的关系，与有关国家标准、行业标准的协调情况本标准的编制依据现行的法律、法规和国家强制性标准，与这些文件中的规定不存在矛盾，协调一致。本标准内容和各项指标不低于国家强制性标准及国家推荐性标准。国内未查到地基激光雷达森林地上碳储量估算等方面的调查技术规范或标准。激光雷达点云数据采集及应用相关技术标准始于2011年《机载激光雷达数据获取技术规范》（CH/T8024），该技术规范侧重于机载激光雷达数据采集所遵循的技术方法和原则，并未对激光雷达在林业应用做具体说明。后续的《机载激光雷达森林蓄积量建模技术规程》（DB42/T2073）和《机载激光雷达遥感森林参数建模地面样地调查技术规程》（DB45/T2645）标准和规程也是强调机载激光雷达森林应用技术规程，而与机载激光雷达数据有极大区别的地基激光雷达并未做相应说明。本标准分别从地基激光雷达数据采集准备工作、样地扫描及样品采集、激光点云数据处理、林分关键参数测定、地上生物量/碳储量估算等重要环节提出了技术规定。五、主要条款说明、主要技术指标、参数、试验验证的论述（一）关于规范性引用文件拟制定的《地基激光雷达典型森林类型地上碳储量调查技术规范》标准，主要样地数据调查依据《森林资源连续清查技术规程》（GB/T38590），地基激光雷达点云数据采集及精度要求参照《机载激光雷达点云数据质量评价指标及计《机载激光雷达数据获取技术规范》（CH/T8024）和《地面三维激光扫描作业技术规程》（CH/Z3017），数据及样本处理参照《无疵小试样木材物理力学性质试验方法第5部分：密度测定》（GB/T1927.5）、《立木生物量建模样本采集技术规程》（LY/T2259）、《森林木本植物功能性状测定方法》（LY/T2812）和《森林生态系统碳储量计量指南》（LY/T2988）执行。（二）关于术语和定义8024）中“激光雷达”术语，引用了《地面三维激光扫描作业技术规程》（CH/Z3017）中的地面三维激光扫描技术、点云、标靶术语，引用了《机载激光雷达点云数据质量评价指标及计算方法》（GB/T36100）中的点云密度术语，引用了《测绘基本术语》（GB/T14911）中的2000国家大地坐标系术语，引用了《无疵小试样木材物理力学性质试验方法第5部分：密度测定》（GB/T1927.5）中的基本密度术语，《森林木本植物功能性状测定方法》（LY/T2812）中的比叶面积，《森林生态系统碳储量计量指南》（LY/T2988）中的地上生物量术语和《立木生物量建模样本采集技术规程》（LY/T2259）中的含碳系数术语。（三）关于调查样地本规范的验证样地为3个20m×20m的八角林样地，每个样地内树木单株数均大于40株，三个样地共计133株，其中八角共计95株。三个样地分布于不同的立地条件，避免空间自相关。(四)关于验证数据采集对样地内所有胸径大于1cm植株进行每木检尺，记录物种名并于1.3m处捆绑5cm宽反光带(反光带下缘为1.3m),用于验证激光雷达点云反演获得的胸高处位置和胸径精度利用RTK(全站仪)测量样地内每棵树和标靶球的位置，用于验证多站点激光点云数据配准精度，同时利用RTK测得坐标将点云相对坐标转成绝对坐标，便于与其他空间数据耦合使用。利用生长锥采集树干木材样本(图2),用于测量木材基本密度；利用高枝剪采集树枝、树叶样本，用于测量树枝木材基本密度和叶片比叶面积。图2树芯样品采集最后，将样地内所有树木于地面处全部伐倒，分段称量每株树的树干、树枝和树叶鲜重，并采集部分样品带回实验室测量树干、树枝和树叶的含水率，获得验证数据。(五)关于数据预处理1.木材基本密度和比叶面积利用“排水法”测量树木树干、树枝的木材基本密度；通过扫描法获取叶片面积，烘干称重后计算比叶面积。2.样地点云归一化行数据配准、点云去噪、数据裁切、点云滤波、DEM生成和地面点归一化处理，获得归一化后的样地点云数据(图3)。图3归一化后的样地点云数据3.单木点云分割利用Lidar360软件自带的比较最短路径算法对