基于背包式激光雷达的单木地上生物量估算

摘要

【目的】探索背包式激光雷达与树木定量结构模型（accurate and detailed quantitative qtructure model,AdQSM）在森林结构参数提取及单木地上生物量（aboveground biomass,AGB）无损估测中的应用，为森林资源调查与碳储量评估提供科学依据。【方法】以内蒙古大兴安岭白桦天然次生林中的优势树种兴安落叶松（Larix gmelinii）与白桦（Betula platyphylla）为研究对象，采用背包式激光雷达获取点云数据，对点云进行单木分割，以野外实测数据为参考值评估其分割精度及胸径、树高的提取精度。基于AdQSM模型对单木点云进行三维重建，通过参数优化确定最佳建模参数分割高度（height segmentation,HS），将提取的胸径、树高、树干材积及树枝材积分别采用转换因子法与生物量模型法估算单木各器官生物量和AGB，并从不同树种、不同径阶、不同树高及不同林分密度等多个维度，利用决定系数（R²）和均方根误差（RMSE）对两种方法的估算精度进行评价。【结果】（1）单木分割总体精度F=0.96。背包式激光雷达提取的胸径精度较高，决定系数（R²）平均值为0.98，均方根误差（RMSE）平均值为0.60 cm，而树高的提取精度较低，R²平均值为0.60,RMSE平均值为2.22 m；（2）兴安落叶松和白桦AdQSM模型重建的最优参数HS=0.4 m；（3）生物量模型法估算各器官生物量的精度优于转换因子法。其中树干生物量估算精度较高（白桦R²=0.96,RMSE=8.13 kg/株；兴安落叶松R²=0.94,RMSE=14.54 kg/株），树枝生物量估算精度较低（白桦R²=0.94,RMSE=3.29kg/株；兴安落叶松R²=0.93,RMSE=2.47 kg/株）。两种方法均能准确估算兴安落叶松和白桦单木AGB（R²均大于等于0.92,RMSE介于13.14～18.47 kg/株）。大径阶（≥15 cm）、高大样木（≥11 m）和两种不同密度（低密度和高密度）样地采用两种方法均能获取准确的AGB估算结果（R²最高达0.94），而小径阶（<15 cm）、低矮木（<11 m）使用转换因子法更优。【结论】背包式激光雷达可以有效获取单木结构参数，基于点云数据构建的AdQSM模型可以实现单木AGB的无损、高效估算，可为森林资源调查和碳储量研究提供参考。

关键词

单木生物量估算 / 背包式激光雷达 / 定量结构模型 / 兴安落叶松 / 白桦