地面光達技術應用於人工林疏伐作業
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魏浚紘｜
國立屏東科技大學生物資源研究所
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）
