DB45T-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.docx

广西地方标准地基激光雷达典型森林类型地上碳储调查技术规范（征求意见稿）编制说明编制组2024年1月一、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月二：2024年12月。主要起草人及分工如下表。姓名单位职务/职称分工杨元征南宁师范大学助理研究员（博士）项目组织、协调联络，拟定标准总体框架，标准撰写与修改苏宏新南宁师范大学副院长/副研究员（博士）项目组织、协调、联络，文献整理、标准撰写及修改完善蔡会德广西森林资源与生态环境监测中心副主任/教授级高工项目组织、协调、联络，标准撰写与修改蔡文华南宁师范大学副研究员（博士）激光点云数据处理，文献整理、标准撰写及修改完善及样地补充调查罗蔚生广西森林资源与生杰环境监测中心高级工程师典型森林类型样地野外调查，标准制定编写等徐占勇广西森林资源与生态环境监测中心工程师典型森林类型点云数据预处理，参加标准申报书的编写与样地补充调查唐一飞广西森林资源与生工程师典型森林类型点云数据处理分态环境监测中心析等孟想广西森林资源与生态环境监测中心助理工程师典型森林型样地野外调查卢峰广西森林资源与生态环境监测中心副主任/高级工程师典型森林类型样地野外调查，标准制定编写等杨健南宁师范大学研究员（博士）标准制定与修改胡宝清南宁师范大学院长/教授（博士）标准制定与修改俎佳星南宁师范大学助理研究员（博士）激光点云数据处理，标准制定与修改，补充样地调查蒙俭广西森林资源与生态环境监测中心工程师典型森林类型样地野外调查，标准制定编写等李成杰广西森林资源与生态环境监测中心工程师典型森林类型点云数据处理分析等二、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（405±067Pg）约占全球化石燃料释放量的50%,降低CCh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(TeITeStrialLaserScanning,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，能够准确、快速、自动获取毫米级别的详细森林参数信息。随着TLS技术的日趋成熟，除了能够反演森林单木基本属性(数量、树高、胸径、冠幅、生物量等)，还可以应用于森林叶面积指数、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据。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，自治区市场监督管理局印发广西壮族自治区市场监督管理局关于下达2023年广西地方标准修定项目计划的通知（桂市监函（2023）2257号），本项目通过立项审查。（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。标准编制小组依据中华人民共和国标准化法、标准化工作导则汇编、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2023年9月22日，广西森林生态监测中心组织召开“广西林业碳汇系列地标专家咨询会”，邀请广西科学院吕郁彪（二级教授）、广西植物研究所刘演（二级教授）、广西林科院申文辉（教授级高工）、广西地矿局康志强（正高级工程师）、中国亚热带农业生态研究所杜虎（副研究员）、广西大学林学院罗应华（副教授）等单位相关专家对征求意见稿（初稿）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2023年10月-2024年1月，项目组对征求意见稿（初稿）征求的意见进行梳理和修改，进一步明晰了标准的框架、条款、技术参数等关键指标，2024年1月3日，项目组蔡会德教授级高工、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，又符合广西区情。标准按中华人民共和国国家标准GB/TLl-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标准的结构和编写规则等文件的要求进行编写。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：1 .科学性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行性。（二）标准制定依据1.引用相关法律法规和国家、行业标准本标准术语和定义依据GBb1927.5,GB/T14911.GB/T36100、LY/T2259.LY/T2812.LY/T2988.CH/Z3017.CH/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/T1491hCH/T8024和CH/Z3017等采集，数据及样本处理参照GB/T1927.5、LY/T2259、LY/T2812、LY/T2988等执行。2.参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,SPRSJournalofPhotogrammetryandRemoteSensing；(3)AirborneLidar-derivedvolumemetricsforabovegroundbiomassestimation:Acomparativeassessmentforconiferstands,AgriculturalandForestMeteorology；(4)Automaticreconstructionoftreeskeletalstructuresfrompointclouds,ACMTransactionsonGraphics；(5)Computational-Geometry-BasedRetrievalofEffectiveLeafAreaIndexUsingTerrestrialLaserScanning,IEEETransactionsonGeoscienceandRemoteSensing；(6)DB44/T21232018,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。本标准遵循中华人民共和国标准化法-等法律法规，标准文本与上述等现行法律、法规和存关强制.性国家标准相V与这些文件中的规定不存在矛盾,木标准的内室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“38590),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算方法(GB"36100)测绘基本术语(GB/T14911)、机载激光雷达数据获取技术规范(CHzT8024)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"1927.5)、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)关于术语和定义本标准引用了机载激光雷达数据获取技术规范(CH/T8024)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T测绘基本术语(GB“14911)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20mX20m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ICm植株进行每木检尺，记录物种名并于L3m处捆绑5cm宽反光带（反光带下缘为L3m）,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（图1）。图1量取树木胸径与捆绑反光带利用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 .样地点云归一化利用Z+FLaserControl和LiDAR360软件对点云数据进行数据配准、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点云进行单木分割，获得单株树木的点云（图4）。图4单木分割点云数据4,点云提取DBH利用归一化与分割完毕的点云数据反演树木DBH,验证反演DBH与实测DBH的关系（图5）。y= LOlx+ 0.09R2 = 0.9E。俱噩屏吆STL1520253035404550实测胸径(Cm)图5反演与实测DBH的相关性5.单木树干与树枝体积利用树木定量结构模型（ACCUrateandDetailedQuantitativeQtructureModel）,对单木点云数据进行树木三维结构重建，测算单株树木体积，模型可以对单株树木进行分段构建（图6）。图6单木激光点云分段三维构建结果（六）关于地基激光点云单木生物量提取利用点云数据测算出的单木树干、树枝体积，叶面积指数及对应的木材基本密度和比叶面积计算出每株的生物量，跟采伐后实际称重乘以含水率获得的生物量进行相关性分析，树干生物量与点云测算结果相关系数R2=0.96,树枝生物量R2=0.78,树叶生物量R2=0.40,地上生物量R2=0.95（图7）oO IOO 200 300 WO 500 600 700 800 900TLSIit测树干生物Ift (kg)Ooooooooo 90807060504030201050 100 150 200 250 300 350 400TLSfft测树枝生物fft(kg)Oooooooo 050sos 05 3 3 2 3 1 1a琴÷i至50403020amtf岑=:y - 0.24x + 7.67R,=O.4IO2030K)50TLS曜测树叶生物曜(kg)Ooooo 100(80604020图7实测地上生物量与激光点云量测结果比较（a：树干生物量；b：树枝生物量；c：树叶生物量；d：单木生物量）森林样地地上生物量为样地内所有植株生物量的总和，地上碳储量为生物量乘以相应的含碳系数即可获得。六、重大意见分歧的处理本标准研制过程中无重大分歧意见。七、实施标准的措施广西作为林业大省，森林面积位居全国前列。该技术调查规则颁布后，建议相关部门组织有关专业技术人员、管理人员以及科研院校学习，掌握地基激光雷达森林地上生物量估算方法，提高广西森林碳储量估算精度，切实做好贯彻国家“双碳”战略工作，为碳贸易提供科学数据。同时建议各级林业主管部门加强宣贯和示范，通过示范让群众看到森林生态系统的社会经济和生态效益，提高民众森林生态保护意思，推广无损碳储量估算方法和规程的应用，实现精准碳核算。八、其他应当说明的事项本标准无其他应当说明的事项。编制工作组2024年1月15日