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地面光達技術應用於人工林疏伐作業

105/11/23 瀏覽次數 1073
紙在日常生活當中是不可或缺的一項用品,從我們所看得書籍、使用的筆記本、到廁所用的衛生紙,隨處可見,當然如果生活當中,缺少了紙這一項東西,我們的生活也會變得非常不方便。除了紙類製品外,木製品在生活當中也扮演著重要的角色,包括地板、桌椅、櫃子、房子等,均可利用木材來進行製作,除了讓我們感覺脫離冷冰冰的鐵製品之外,也增加了一些高貴的質感,不論是紙張或木製品,他們的誕生都必須是由木材生產並透過加工而產生。

木製品雖然影響著我們的生活,但不像糧食危機一樣直接衝擊人類,經年累積也產生了一些問題,2012年在臺灣進口木材618.3萬m3,而由自己生產的木材僅有4.6萬m3 (0.75%),其中林務局生產部分佔自產材39.1%,這些數據告訴我們,如果哪天無法進口木材,我們生活周遭將無紙可用。國際熱帶木材組織 (International Tropical Timber Organization, ITTO) 已訂出未來之木材貿易對象,將以永續性經營森林(Sustainable Forest)所生產木材為目標,臺灣當前應盡力符合未來潮流。

臺灣人工林的經營近年來因受到環保意識高漲,被認為疏伐會對生態環境產生衝擊,造成人工林無法正常且全面性的進行中後期疏伐撫育,使部分人工林生長停滯,其林分生長量與枯死量相抵,呈現老化、劣化現象,經過多年來的試驗研究,已證明適當的疏伐撫育,對於生態環境不會造成不可恢復性的影響,且對於生物多樣性、碳吸存及水文循環皆可帶來正面之效益。
人工林中後期撫育作業因林分狀態(如樹種組成、林分結構及林齡)及森林經營目標之不同,其所採取之作業方式會有所不同,因此中後期疏伐撫育作業之前,必須進行人工林生長狀態之調查,依據林分狀態及經營目標之設定,研擬適當的疏伐撫育作業模式,疏伐撫育作業實施後進行綜合性之疏伐撫育作業效益評估,建立人工林中後期疏伐撫育之標準作業程序,為當前人工林經營之重要工作。現今遙測技術精進,透過光達系統,進行不同時期之光達資料獲取,進行林地疏伐作業之評估,以瞭解疏伐作業前後,林木植生生長狀況評估,為現今之發展趨勢。

光達(雷射掃瞄)測量原理,係透過三維空間中已知之座標A1(X1, Y1, Z1),與該點至地面點A 2 (X2, Y2, Z2)之向量(距離與角度),以光學原理,計算出其座標而光達具有光的特性,如直線前進、不同介質傳播速率之差異(光的傳播)、入射角等於反射角(光的反射)、一部分反射一部分折射(光的折射)、兩道波相遇產生相加或相減的現象(光的干涉)、當光波遇到大小與本身波長相近的障礙物或狹縫時,其傳播的波形,會產生變化,而與原來的波形相差甚多(光的繞射),以及隨傳播距離而減少能量等特性。光達資料主要由許多點構成,每幅資料均由非常密集之點雲(Point Cloud)所形成,資料中每個掃瞄點均離散分布,任意一點均具有準確座標(X, Y, Z),若點雲密度越高,則越能反應物體形狀。

三維雷射掃瞄技術為主動式偵測系統,依照雷射光測量物體距離之原理,透過飛行時間法(Time of Flight),應用光速固定的特性,與雷射光脈衝發射至返回的時間,即可推算出距離與方位資料。

根據研究結果,若拍攝點位足夠,應用地面光達資料萃取立木位置實為可行,而立木位置準確度亦為遮蔽程度之指標,若立木位置準確度足夠,則表示該林木胸徑圓盤萃取具有一定準確程度,未來以地面光達獲取林分資料時,除可以非破壞性的方式,獲得較為準確的三維資訊外,亦可使用取樣之概念配合模式進行推估。

傳統立木位置的繪製都是由調查人員現場繪製,藉由測繩的方式,測量距離,需要花費大量人力與物力,更花費許多時間,而近年透過全站儀進行調查,雖可減少調查時間,但後續無法針對前次調查進行檢核,故不論任何方法在立木繪製上,最重要的是無法保存當時現場狀況,又林業研究常為長時間研究,前後期調查往往差異5至10年甚至更久,故資料的保留是非常重要的。

地面光達資料則可解決此一問題,可提供不同時期同一地點的比對,來達當到監測之目的,提高調查資料之價值,在傳統疏伐作業在進行規劃時,也往往無法將現地資料空間化與量化,造成經營決策者施行撫育作業之困難,透過地面光達技術與GIS技術兩者,即可將現地資料空間化與量化,使決策者更容易掌握現況。現在地面樣區的調查均以人力為主,對於現地測量可能會有人為產生之誤差,如果使用地面光達,進行地面樣區的影像拍攝,除了可避免人為誤差外,亦可將資料以3D影像的方式保存,以利未來深入探討比較,而探討地面光達於林業的應用效益評估、限制因子與未來應用等議題,為一個重點研究方向。

疏伐作業雖對林木生長有促進作用,且對生育環境的衝擊有限,由過去的疏伐監測研究,可顯示疏伐作業,不但未造成生物多樣性的降低,反而有利於生物多樣性的提升。由於疏伐作業為一高技術性的森林作業法,在林分密度控制、疏伐木的選擇及疏伐後的生態環境變化,必須設置監測樣區,以利於進行疏伐前後之林木生長及生態環境變異的監測。而如何有效快速收集監測樣區資料、如何分析資料以掌握疏伐效益資訊,為疏伐監測樣區設置之重要工作,而現今量測技術精進,透過光達系統,進行疏伐林分之樣木生長監測,以探討疏伐作業對林木生長效益評估,為未來研究之重要目標。現階段臺灣科學家透過先進技術於人工林經營與管理,使在林業經營管理上的風險降低,讓生產林木的林農更願意投入林木的生產,透過上述的技術引進,期盼能解決臺灣木材生產的問題,當然除了正確的生產經營管理方式外,在後端的產品開發與銷售也是需要配合,如此一來才能讓臺灣的林業達到永續且與生態共存平衡的目的。
(本文由科技部補助「新媒體科普傳播:小王子眼中21世紀的地球」執行團隊撰稿)
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