地基激光雷达典型森林类型地上碳储量 调查技术规范

地基激光雷达典型森林类型地上碳储量调查技术规范范围本文件规定了地基激光雷达在森林地上碳储量调查的术语和定义、总则、调查准备、样地布设、样地调查、点云数据处理与林木参数提取、样品检测、地上碳储量测算和成果归档等技术要求和规范。本文件适用于广西行政区域内典型森林类型地上碳储量调查。规范性引用文件下列文件中的内容通过文中的规范性引用而构成本文件必不可少的条款。其中，注日期的引用文件，仅该日期对应的版本适用于本文件；不注日期的引用文件，其最新版本（包括所有的修改单）适用于本文件。GB/T1927.5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/T14911测绘基本术语GB/T36100机载激光雷达点云数据质量评价指标及计算方法GB/T38590森林资源连续清查技术规程LY/T2259立木生物量建模样本采集技术规程LY/T2812森林木本植物功能性状测定方法LY/T2988森林生态系统碳储量计量指南CH/Z3017地面三维激光扫描作业技术规程CH/T8024机载激光雷达数据获取技术规范术语和定义下列术语和定义适用于本文件。

激光雷达lidar发射激光束并接收回波获取目标三维信息的系统。[来源：CH/T8024，3.1]

地面三维激光扫描技术terrestrialthreedimensionallaserscanningtechnology基于地面固定站的一种通过发射激光获取被测物体表面三维坐标、反射光强度等多种信息的非接触式主动测量技术。[来源：CH/Z3017，3.1]

点云pointscloud以离散、不规则方式分布在三维空间中的点的集合。[来源：CH/Z3017，3.1]

点云密度pointclouddensity以高程方向为法向量，单位面积上点云中激光点的平均数量。[来源：GB/T36100，3.4]标靶target用一定材质制作的具有规则几何形状的标志，该类标志在点云中能够很好地被识别和量测，从而可以用于点云数据质量检查及点云配准等工作。[来源：CH/Z3017，3.1]

2000国家大地坐标系Chinageodeticcoordinatesystem2000；CGCS2000采用2000参考椭球，原点在地心的右手地固直角坐标系。Z轴国际地球旋转局参考极方向，X轴为国际地球旋转局的参考子午面与垂直于Z轴的赤道面的交线，Y轴与Z轴和X轴构成右手正交坐标系。[来源：GB/T14911，2.32]

基本密度basicdensity木材的绝干质量与生材体积的比值。[来源：GB/T1927.5，3.4]

比叶面积叶的单面面积与其干重之比。[来源：LY/T2812，4.4.6，有修改]

地上生物量above-groundbiomass地表以上乔木层（树高大于2m，包括干、桩、枝、皮、种子、叶）活体植物的干重，不包括下木层（灌木、草本和幼树）。[来源：LY/T2988，3.4，有修改]

含碳系数carbonfactor林木生物量中的有机碳占有机质总量的比值。[来源：LY/T2259，3.3，有修改]总则原则遵循科学性、可操作性、保护性、安全性原则。地理和投影坐标系统地理坐标系统为CGCS2000；投影坐标系统为高斯克吕投影3度分带，CGCS2000椭球体。点云精度与技术指标地基激光雷达扫描点云精度及技术指标按照CH/Z3017执行。测量精度要求基于地基激光雷达点云反演的树木胸径、株数、树高（或枝下高）测算精度按照GB/T38590的要求执行。工作流程工作流程包括准备工作、数据与样品采集、点云数据处理、测试分析、单木、样地尺度地上碳储量测算和成果数据归档等。地基激光雷达典型森林地上碳储量调查流程调查准备资料收集与方案制定收集调查区森林分类区划图、数字高程模型（DEM）、空间分辨率优于2m正射影像等，对调查区域进行实地踏勘，制定科学合理的调查方案。仪器设备及要求固定站式激光雷达扫描设备各部件及附件应齐全、匹配，各部件通电良好，能正常获取数据，主要技术指标应满足最大测距范围大于等于80m，扫描视场角360°×270°，测距精度高于3mm，采用激光级别为I级低能量激光设备；根据样地激光雷达多站点扫描需求，定制具有明确顺序编号且易于多角度识别的标靶球（图2）。其他仪器设备按照GB/T38590执行。标靶球示意图样地布设参照GB/T38590-2020开展样地选择，确定样地形状与大小，完成样地布设和测定等工作。样地调查样地实测与取样参照GB/T38590开展样地因子调查、每木检尺等工作。记录表见附录（A1、A2）。按样地内优势树种径阶选择样木，每个树种选择3-5株标准木，按GB/T1927.5要求利用生长锥对样木树干锥钻取树芯样本；利用高枝剪等工具对标准木树冠利用高枝剪选取能最大程度接收阳光照射、完全成熟、无病虫害损坏的不同生长方向的树枝、树叶等器官进行取样；样地内枯立木按树干和树枝分别采集3-5份样品。每份样品不少于500g，所有样品做好标记带回实验室进行相应测定。地基激光雷达调查标靶球布设样地采用多站点扫描，地基激光雷达扫描前应先架设标靶球，用于多站点数据拼接。为保证多站点激光雷达扫描数据的镶嵌拼接质量，标靶球应首先在样地四个角点布设，其它标靶球相对均匀地分布于样地内，保证任意3个标靶球不在同一条直线，同时注意避开树干遮挡。以25.82m×25.82m大小的样地为例，布设标靶球数量不少于12个，为便于多站点间数据拼接，顺序编码的标靶球依Z字形进行放置（图3），并记录标靶球坐标，记录表见附录（A3）。若样地林分密度大，林木相互遮挡严重，可在样地内适当增加标靶球数量，以保证数据采集精度。标靶球与地基激光雷达站点分布示意图地基激光雷达站点架设与扫描地基激光雷达站点应遵循相邻站点扫描获取的激光点云数据涵盖3个以上同名标靶球的标准进行架设，同时为减小多站点间数据拼接误差，第1站应架设于样地中心位置，以第1站为中心，分别以10m、15m和20m左右距离为半径，顺时针分别架设4个地基激光雷达站点（图3）。若样地内林分密度大，林木相互遮挡严重，可在样地内适当增加地基激光雷达扫描站点，保证每站数据涵盖3个同名标靶球。为了保证数据采集精度，兼顾工作效率，按照CH/Z3017要求执行。点云数据处理与林木参数提取点云数据处理与林木参数提取分别在激光雷达扫描站点、样地与林木尺度开展（图4）。点云数据处理与林木参数提取流程图扫描站点点云数据处理点云解算根据设备测量得到的目标点距离值以及与该目标点对应的激光发生器的水平角度和垂直角度，解算出目标点的三维坐标，可用公式（1）进行点云解算： XP=Scosβcosα式中：（XP，YP，ZPS——扫描距离，单位为米（m）；α——水平扫描角，单位为度（°）；β——垂直扫描角，单位为度（°）。点云解算后以las格式存储。点云配准多站点扫描点云数据需经过点云配准，将不同坐标系统间的点云数据统一为同一坐标系统，通常包括粗配准和精配准。利用人工、基于几何特征和基于随机采样一致性算法等3种方式之一实现多站点点云配准，再通过迭代最近点算法实现精配准。若已用RTK测得标靶坐标，可将配准后的点云坐标系统转成CGCS2000地理坐标系。合并与裁切将配准后的点云数据合并，利用样地四个角点标靶球或坐标对点云数据进行裁切处理，获得样地点云数据。样地点云数据处理点云去噪利用基于空间分布、深度、聚类、距离和密度等的去噪等算法，去除因设备精度、被测物本身特性、环境因素等引进的噪声，更好地还原树木真实形状，提高数据处理精度。点云分类利用基于模型拟合、区域增长和聚类的点云分类方法等，对地基激光雷达点云数据进行分类，获取地面、树木的点云数据。点云归一化利用反距离权重、自然邻近、克里金和径向基函数法等对地面点云数据进行插值，获取DEM，树木点云减去DEM获得归一化的树木点云数据。单木尺度点云处理单木分割利用基于生态理论的分割法、区域最高点搜索法、基于图论的联通区域思想和格网与邻近搜索法等方法，对点云数据进行分割，提取单木点云数据。单木测树因子提取依据单木分割点云确定样地内树木株数；通过单木点云数据确定树木最高点与地面的高度差获取树高；利用霍夫变换检测圆方法获取单木胸径；采用点云变量回归预测法、曲线拟合法和分层切片法等获取枝下高；利用单木点云投影到平面，获得树冠投影面积；利用投影区域的凸包或凹包，通过树冠投影面积得到冠幅；通过立体像素法测算单木叶面积指数。数据质量控制点云数据质量控制通过点云可视化，人工目视检查多站点云配准、点云去噪、点云分类、点云归一化、单木分割等精度，对有疑问处用断面图进行查询、分析。单木测树因子验证将实测样木因子与点云数据提取样木信息一一对应，标记提取样木的树种名称、检尺类型等因子，对点云数据反演获取样木的胸径、树高（或枝下高）等林分参数与实测数据进行验证，计算并统计反演参数与实测值间的误差。若数据质量不符合4.4条要求，应重新检查数据处理流程或重新开展激光雷达点云数据采集。样品检测树干、树枝基本木材密度的测定，按照GB/T1927.5执行；林木树干、树枝和树叶的含碳系数采用重铬酸钾-硫酸氧化法或元素分析法测定；用叶面积仪或扫描仪测量鲜叶面积，烘干称重，鲜叶面积与干重比值为比叶面积。地上碳储量测算单木树干树枝体积测算基于单木分割点云数据，采用区分求积法，将树干点云以固定间距进行分段，拟合模块提取各分段截面面积，再采用圆台模型测算各分段体积从而累加得到枝下的树干体积Vs，可用公式（2）进行计算: Va=1m10−43式中：Va——树干体积，单位为立方米（m3m——树干分段数量；Ririhi参照公式（2）测算单木树枝体积Vb，单位为立方米（m3单木地上碳储量测算树干碳储量测算 Ca=ρaVa式中：Ca——树干碳储量，单位为千克（kg）；ρa——树干基本密度，单位为克每立方厘米（g/cm3）Va——树干体积，单位为立方米（m3Ka树枝碳储量测算 Cb=ρbVb式中：Cb——树枝碳储量，单位为千克（kg）；ρb——树枝基本密度，单位为克每立方厘米（g/cm3）Vb——树枝体积，单位为立方米（m3Kb——树枝树叶碳储量测算 Cc=10−6LAI.S.K式中：Cc——树叶碳储量，单位为千克（kg）；LAI——叶面积指数，单位为平方米每平方米（m2/m2）；S——树冠投影面积，单位为平方米（m2）；Kc——树叶SLA——比叶面积，单位为平方米每克（m2/g）。单木地上碳储量测算 Ci=Ca+C式中：Ci——地上碳储量，单位为千克（kg）；Ca——树干碳储量，单位为千克（kg）；Cb——树枝碳储量，单位为千克（kg）；Cc——树叶碳储量，单位为千克（kg）。枯立木碳储量测算无树枝枯立木碳储量按公式（3）进行测算；有树枝枯立木按公式（3）和公式（4）进行测算，枯立木碳储量为公式（3）和公式（4）之和，其中木材基本密度和含碳系数分别为枯立木的木材基本密度和含碳系数。样地地上碳储量测算 C=i=1nCi+式中：C——样地地上碳储量，单位为千克（kg）；n——样地内单木数量；Ci——样地内第i棵树地上碳储量，单位为千克（kg）；M——样地内枯立木数量；Cj——样地内第j成果档案整理野外样地调查原始记录与工作照片、地基激光雷达点云原始数据及结果数据，基于采集数据撰写森林样地地上碳储量调查成果报告。对原始记录数据、形成的数据集和文档进行存档。

（资料性）

样地调查记录表样地概况记录表样地名称：样方编号：调查人员：调查日期：地名省市县镇（乡）村屯样方面积m×m经度（°）纬度（°）海拔（m）坡度（°）坡向（°）坡位林型起源干扰程度灌木层优势物种灌木层平均高度（m）灌木层盖度（%）草本层优势物种草本层平均高度（m）草本层盖度（%）样地每木检尺记录表（立木类型）样地名称：样地编号：调查人员：调查日期：样木号检尺类型树种胸径（cm）树高（m）枝下高（m）方向角（°）水平距（m）备注a检尺类型包括活立木、枯立木、枯倒木3类。标靶球位置记录表样地名称：样地编号：调查人员：调查日期：标靶球编号经度（°）纬度（°）海拔（m）备注壹角点1贰角点2叁肆伍陆柒捌玖拾拾壹角点3拾贰角点4a请在该表空间坐标后的括号内注明RTK设备使用的地理坐标系或投影坐标系类型，经纬度单位根据选用坐标系不同而不同，地理坐标系为度，投影坐标系为米；备注栏内明确标出样地四个角点处的标靶球（角点1、2、3、4），该表行数可根据标靶球个数增减。参考文献[1]郭庆华，苏艳军，胡天宇，刘瑾.激光雷达森林生态应用：理论、方法及实例[M].XX：高等教育出版社，2018.[2]TaoShengli，WuFangfangandGuoQinghuaetal.2015.SegmentingtreecrownsfromterrestrialandmobileLiDARdatabyexploringecologicaltheories.SPRSJournalofPhotogrammetryandRemoteSensing，110，66-76.[3