基于DOM航空影像单木树冠提取

准确提取单木树冠边界是获取森林数量参数的重要基础，是高分辨率遥感图像林业应用的技术难题。基于DOM航空影像数据源，采用面向对象的方法对研究区内的2个树种的林分进行了单木树冠边界提取研究。首先利用桉树和杉木的空间分布矢量数据对DOM航空影像进行掩膜处理，在掩膜区域内进行多层次多尺度图像分割得到初步树冠分割结果，并剔除非树冠信息；再以树冠信息种子对象为基础，使用区域增长算法对树冠信息种子对象增长得到单木树冠范围；最后使用形态学滤波的方法优化单木树冠边界，完成林区内桉树和杉木两类树种的单木树冠边界提取。结果表明，由于不同树种的树冠存在尺度和形态差异，进行单木树冠分割时需要设置不同的参数才能到达较好的分割效果。本研究中桉树和杉木的单木树冠提取总体精度分别为86.75%与89.21%，可满足林业部门获取森林单木树冠的精度需求。     

基于U-Net和分水岭算法的无人机单木树冠提取方法

高分辨率无人机遥感影像单木树冠参数信息提取方法是森林资源精准监测和生态功能评估的重要基础，而自然光照条件下粘连和遮挡单木树冠的准确分割是直接决定单木树冠信息提取精度的关键。针对自然光照条件下山地森林无人机遥感影像中单木树冠相互粘连、遮挡难以分割，以及传统算法泛化能力弱等问题。本研究结合深度学习和标记控制分水岭算法的优点，提出了一种基于U-Net和标记控制分水岭（marker-controlled watershed,MCW）算法（简称U-Net+MCW算法）的山地森林单木树冠提取方法。以新疆山地森林优势树种天山云杉(Picea schrenkiana var.tianschanica)为研究对象，在南山实习林场采集积雪背景下无人机遥感影像作为试验数据，构建了基于深度神经网络U-Net和标记控制分水岭算法的单木树冠提取模型。首先，从无人机遥感影像中选取1 000张训练样本，128张测试样本，并对样本进行标注，通过数据增强将1 000张训练样本扩增为16 000张，按照4∶1分为训练集和验证集，对U-Net模型进行训练，在训练过程中赋予2个或多个树冠间的相邻边界像素较大权重。然后，利用训练好的U-Net模型对测试集样本进行单木树冠提取。最后，在深度神经网络U-Net单木树冠提取的基础上，采用MCW算法对提取结果进行优化，并对单木树冠提取效果进行精度评估。结果表明，U-Net+MCW算法对于单木尺度的F测度为74.04%，比单一使用U-Net模型提高了28.52%，以该方法提取遥感影像中的天山云杉树冠信息为基础，计算其单木树冠面积和冠幅的精度分别为81.05%和89.94%。因此，U-Net+MCW算法能够有效解决自然光照条件下，由于原始图像背景复杂且树冠内部亮度变化不均匀和树冠间粘连、遮挡等因素，导致的单个树冠内、树冠聚集处或连接重叠区域出现的树冠错分割、过分割、合并等问题，是一种低成本、高效率的单木树冠提取方法，能够满足中小尺度山地森林资源调查和监测要求。     

机载与星载高分遥感影像单木树冠分割方法和适宜性对比

目的应用高分辨率遥感影像快速准确提取单木树冠信息,对现代森林管理具有重要意义。面向对象的多尺度分割方法能有效地解决基于像元特征分析的局限,是单木树冠提取的重要技术途径。本文对比分析了不同遥感平台和人工林树种的树冠提取精度,探究实验方法针对不同尺度影像数据和树种的优势及适用性,并结合调查目的为影像数据的选取提供参考。方法以广西壮族自治区高峰林场为研究区,选取低空无人机CCD、机载CCD和星载高分二号遥感影像数据,针对树冠区域与背景区域的对比度效果不佳的问题,首先采用小波变换进行图像增强处理,去除影像噪声,增强树冠与背景的对比度;然后应用面向对象的多尺度分割方法,排除背景区域的干扰,针对树冠区域进行单木树冠的快速提取;最后对3种影像下提取的杉木和桉树人工林单木树冠的流程和方法,以及树冠提取精度进行研究分析。结果采用小波变换对无人机和机载平台影像增强效果显著,无人机平台下桉树和杉木实验区单木分割精度分别为87%和93.3%,冠幅估测精度为84.2%和85.1%;机载平台下桉树和杉木实验区单木分割精度为89%和91.1%,冠幅估测精度为83.9%和84.4%;而小波变换对星载平台影像增强效果不佳,桉树和杉木实验区的单木分割精度为82%和89%,冠幅估测精度为72.3%和73.3%。结论在无人机和机载平台下,应用多尺度分割得到的树冠提取精度相接近;在星载平台下,直接应用多尺度分割进行单木树冠提取,受影像自身空间分辨率的局限,提取精度低于前两种平台,但也能够满足森林调查的基本需求。      

坡度对应用机载激光雷达估测人工针叶林单木参数的影响

以黑龙江省佳木斯市桦南县孟家岗林场为研究对象,利用2017年的机载激光雷达(ALS)数据构建冠层高度模型(CHM),探索坡度对单木参数估测的影响。研究区域内坡度分为4级,Ⅰ级为平坡:坡度<5°;Ⅱ级为缓坡:坡度5°~14°;Ⅲ级为斜坡:坡度15°~24°;IV为陡-急-险坡:坡度≥25°。每一级选取8块高郁闭度的人工针叶林样地(50 m×50 m),应用基于区域的分层横截面分析法(RHCSA)进行单木树冠提取,估测单木位置、树高和冠幅信息,利用目视解译的单木树顶和树冠作为参考数据进行精度检验(包括单木树冠提取精度和单木参数估测精度检验)。结果表明:不同坡度下单木树冠提取和单木定位估测均有显著差异(p<0.05)。其中,平坡上的单木树冠提取总体精度最高(均值为84.61%),陡-急-险坡上的总体精度最低(均值为41.31%);缓坡上的单木定位精度最高,平均的均方根误差为1.16 m,陡-急-险坡上单木定位精度最低,平均均方根误差为1.58 m。但是,不同坡度下单木树高和冠幅的估测结果差异并不显著(p>0.05)。因此,应用CHM进行单木参数估测时,虽然进行了地形标准化,但还是需要考虑坡度对单木树冠提取和单木定位的影响,而其对树高和冠幅的影响不大。     

运用激光雷达数据的单木树冠提取算法对帽儿山林场单木参数估测的影响

选取黑龙江省尚志市帽儿山实验林场的10块高郁闭度的天然次生林样地为研究对象,利用激光雷达数据构建的冠层高度模型(CHM),分别使用分水岭分割算法、区域生长法和区域的分层横截面分析(RHCSA)3种方法提取单木位置、树高和冠幅信息。利用手动勾绘的单木树顶和树冠作为参考数据进行精度检验(包括单木树冠提取精度和单木参数估测精度检验),探索不同单木提取算法估测单木参数的可行性。结果表明:RHCSA算法对单木树冠提取的总体精度为83.64%,区域生长算法总体精度为75.19%,分水岭算法总体精度为68.65%;对于单木参数估测,区域生长法与分水岭算法的单木定位精度高(R_(MSE)为1.12 m),RHCSA算法得到最高的树高与冠幅提取精度高(R_(MSE)分别为0.62、1.11 m)。因此,RHCSA算法更适用于帽儿山林场单木树冠提取与单木参数的估测。     

运用无人机激光雷达数据提取落叶松树冠特征因子及树冠轮廓模拟

为探究无人机激光雷达(UAVLS)获取单木树冠三维结构的能力,利用无人机载激光雷达数据,对人工长白落叶松进行单木树冠特征因子的提取以及树冠轮廓的模拟,并与机载激光雷达(ALS)单木树冠特征因子的提取进行比较。结果表明:利用UAVLS数据1∶1匹配的单木数量远高于利用ALS数据匹配的单木数量,且UAVLS单木位置探测的精度达到0.338 1 m,比ALS提高了0.185 1 m;UAVLS单木树高的提取精度达到0.578 5 m,比ALS提高了1.294 5 m;对于冠幅及冠基高的提取,UAVLS也有更高的精度。与ALS相比,UAVLS不仅具有更高的单木探测精度,也具有更高的单木树冠结构参数提取精度;3种树冠轮廓模型拟合的R~2均高于0.75,表明3种常用的轮廓模型都能够很好的描述从UAVLS数据中获取的树冠外部轮廓,其中二次抛物线模型具有最强的模拟效果(M_(AE)=0.256 4,M_(RAE)=4.59%)。因此,无人机激光雷达数据提取单木树冠结构,可以提高林业调查的效率。     

基于灰度梯度图像分割的单木树冠提取研究

树冠是树木的重要组成部分,基于遥感影像的树冠提取对于森林资源调查监测具有重要意义,但准确获得树冠的形状和边界比较困难。高分辨率影像具有丰富的纹理和光谱信息,基于高分辨率影像单木树冠勾勒技术为森林资源调查提供了一种快速有效的测树途径。但是,由于高分影像信息冗杂,面向对象的分割方法数据计算量大,并且需要人工设置光谱或纹理阈值才可以实现单木分割,导致工作效率下降,鲁棒性差。图像增强通过改变原始图像的结构关系,有选择地突出或者抑制图像中的某些特征,有效的图像增强有益于提高单木树冠分割的准确程度。因此,本文提出一种基于影像的灰度梯度图像分割的树冠提取方法,通过对比传统的罗伯斯、拉普拉斯算子与改进的数学形态学算子,利用目视解译与灰度直方图结合的方法确定最优选择为改进的数学形态学算子。然后,利用改进的数学形态学算子结合面向对象多尺度分割方法,简化原始影像复杂的背景信息,快速提取大范围单木树冠信息。以甘肃省张掖市大野口林区机载激光雷达系统携带的CCD影像为数据源,提取实验区单木树冠,并从空间和形状上验证效果。实验结果表明:在高分影像的灰度梯度图像上进行面向对象分割提取单木冠幅, 单木株数精度为83.19%,形状精度达到88.62%,优于传统林业调查精度,且冠幅获取速度快,效率高,并可以较为精确地提取树冠边界。      

高空间分辨率遥感的单木树冠自动提取方法与应用

用高空间分辨率遥感影像对单木树冠进行自动提取和轮廓描绘,是获取森林信息的一种快速有效的方法。也是近年来林业遥感领域研究的热点。详细介绍了目前高分辨率遥感单木树冠信息自动提取的各种方法．包括局部最大值法、模板匹配法、谷地跟踪法、多尺度法、种子区域生长法、分水岭分割法、局部射线法．并对单木树冠提取在林业上的应用进行了探讨,最后结合国内外研究现状,对单木树冠自动提取的未来作了展望。参51     

基于无人机载激光雷达点云数据的人工侧柏林单木分割研究

可持续的森林经营管理模式有助于实现生态文明建设的高质量发展，人工林单木分割结果的获取是森林经营管理的关键。目前无人机载激光雷达技术为单木位置的精准定位和树冠的精确划分提供了应用空间。利用冠层高度模型(CHM)检测和提取单木数量和树冠、树高等信息，评估和分析空间分辨率和点云密度对单木分割和树冠提取结果的影响和精度，该方法可准确分割人工侧柏林和提取树冠信息，总体上单木分割精确率均>75%,树冠轮廓提取精确率均>65%,实测数据与提取数据的回归决定系数均>0.6。适当的空间分辨率有助于提高单木分割精度，当分辨率为0.3 m时单木分割和树冠提取结果均为最优。同时研究发现随着点云密度的降低，单木数量的识别精度值随之下降。当点云密度为100%时，F为89%,当点云密度为10%时，其F降低至73%。基于CHM模型可以较好实现人工林的单木精确分割，对林木出现的树冠重叠、覆盖、偏移等现象均有一定的辨别能力；同时分析了空间分辨率和点云密度对单木分割和树冠提取结果的影响并评估了精确性，识别了单木分割时关键参数的最优选择。     

基于机载LiDAR的高郁闭度华北落叶松林单木识别

  目的  高郁闭度华北落叶松林Larix principis-rupprechtii林木树冠交叉重叠,传统的基于高分辨影像的单木识别方法识别精度不高。利用机载LiDAR三维点云数据可提高高郁闭度华北落叶松林的单木识别精度。  方法  在点云数据预处理基础上,提出基于点云空间特征的高斯核函数改进的均值漂移单木位置识别方法(MSP),比较并分析MSP法与基于点云空间特征的区域生长点云分割方法(RGP)、基于冠层高度模型的局部最大值单木位置识别方法(LMC)和基于冠层模型的多尺度分割单木位置识别方法(MSC)的单木识别效果。  结果  4种方法单木位置识别精度从大到小依次为MSP (89.30%)、LMC (85.60%)、RGP (77.50%)和MSC (70.00%),MSP的漏分误差和错分误差最小,分别为8.7%和8.0%,平均单木冠幅提取精度为90.18%。  结论  提出的MSP法对高郁闭度华北落叶松林单木位置识别具有较好的适用性,利用机载LiDAR可为提取华北落叶松林森林结构参数提供新的途径。图3表3参28     

基于分水岭算法的无人机不同飞行高度下林木冠幅提取研究

树冠是林木重要的组成部分之一,林木冠幅信息精确提取对森林资源调查和树木生长动态监测有着重要的意义。通过设置不同的无人机飞行高度,以哈尔滨市城市林业示范基地中的樟子松样地为对象,分别利用传统分水岭算法和改进分水岭算法对单木树冠和林隙进行提取,并对树冠冠幅和树冠投影面积进行估算,最后与实测数据进行对比分析。结果表明:1）基于传统分水岭算法平均单木冠幅识别率为51.11%,平均欠分割率为25.18%,平均过分割率为11.11%;树冠冠幅和树冠投影面积平均提取精度分别为69.72%和53.59%,说明传统分水岭算法对单木冠幅提取效果一般。2）改进分水岭算法平均单木冠幅识别率为80.74%,平均欠分割率为8.15%,平均过分割率为6.67%;树冠冠幅和树冠投影面积平均提取精度约分别为79.84%和76.04%,表明改进的分水岭算法对林木单木冠幅提取精度较高。3）50 m飞行高度下样地中林隙面积在0~5 m²和5~10 m²各占57.89%和31.58%;林隙形状指数分布在1.14~1.85,平均值为1.36;研究表明,利用改进分水岭算法在50 m无人机飞行高度获取的林木影像可以有效提取林木树冠和林隙面积信息,研究结果可为森林资源调查提供有效参考。     

无人机遥感影像提取的单木冠幅数据在桉树林分蓄积量估测中的应用

以广西壮族自治区南宁市树木园坛里管理区为研究区域、以桉树(Eucalyptus spp.)人工林为研究对象,在坛里管理区内设置6块20 m×20 m的典型样地,实地测量单木树高、胸径(1.3 m高)、冠幅直径,获得287株桉树样木数据;样地调查同时进行无人机航拍数据采集,获取分辨率为8 cm像素影像(110张),通过正射校正、倾斜校正、投影差校正对无人机影像进行处理,消除环境因子的影响,采用面向对象的影像分析方法对遥感影像上的桉树林提取林分单木冠幅;根据样地实测数据建立冠幅-胸径模型、冠幅-树高模型,将无人机影像提取的修正后的桉树单木冠幅数据代入构建的模型中,选择相关系数最高的模型推算胸径和树高,利用桉树二元材积公式估算样地的蓄积量,分析依据无人机遥感影像提取桉树单木冠幅数据估算林分蓄积量的可行性与精确度。结果表明：利用无人机影像提取冠幅与实测冠幅之间存在显著正相关,提取的平均精度为90.85%,建立的桉树冠幅-胸径曲线估计模型,其中对数函数方程拟合效果最好(决定系数为0.799);桉树冠幅-树高模型,拟合效果最好的是三次方函数方程(决定系数为0.755)。影像提取的单木冠幅,通过模型...     

基于无人机影像的天山云杉林单木树冠信息提取

【目的】 研究树冠信息估测出林分密度、生长量等森林调查指标,判断林木生长优良状况提供参考,【方法】 基于无人机遥感影像,以新疆农业大学实习林场主伐迹地下天山云杉林(Picea Schrenkiana var tianshanica)为研究对象,采用高斯-拉普拉斯算子(Laplacian of Gaussian,LOG)结合最大类间方差寻找最优阈值(Otsu)对影像进行处理,并利用标记控制分水岭分割方法分别提取疏、中、密3种不同郁闭度的天山云杉单木树冠信息。【结果】 利用优化后的标记控制分水岭分割方法较好的解决了过分割问题,对单木树冠信息提取的F测度在疏、中、密林区分别是98.26%、92.91%和87.57%。【结论】 使用的方法提取单木树冠信息精度较高,可以评价对天山云杉林的生长状况,可对主伐迹地下天山云杉林的更新和恢复提供可靠的技术支撑。     

基于LiDAR数据的单木提取算法研究

有效了解森林生长变化信息对森林资源的保护以及生态环境的研究具有重要意义。近年来,激光雷达数据是森林清查中主要的LiDAR数据源。但是现有机载LiDAR数据单木分割算法在密集林区应用精度较低,尤其在中下层冠层单木提取精度不高,存在漏检的现象。针对以上问题,采用归一化割（normalized cut,Ncut）方法直接对激光点云数据进行初始分割,然后设定冠层的形状参数与点云数量阈值,利用全局最大值重复Ncut方法,对林区下层冠层进行探测,实现单木的精确提取。结果表明,与只利用归一化割方法提取单木结果相比,本研究方法使单木提取误判率由22.66%降至3.9%,识别率由原先的68.49%提升至86.63%,有效规避了上层冠木对下层遮盖导致的下层单木漏检情况,提高了在冠层中间层和下层树木的识别率,可为今后森林清查、森林资源管理提供分割方法的选择,也为森林分类、单木分割提供样例。     

应用高斯聚类的单木分割及树高和冠幅的提取

针对机载激光雷达点云中基于栅格化的冠层高度模型(CHM)所导致的原始点云数据丢失问题,提出了一种应用高斯模型聚类的单木信息提取方法。采用形态学开运算和高斯平滑方法形成高斯冠层最大模型(GCMM)能减少无关局部最大值对单木分割的影响,利用局部最大值法初步探测树冠顶点,通过最速下降法建立混合高斯模型得到树木位置和冠幅。利用聚类分析划分临近点云归属,进而实现单木参数准确提取,并提取单木最高点为树高。将点云分割方法应用于美国蓝岭地区6块圆形针叶林样地(r=30 m)。结果表明:单木分割F为0.89,正确分割单木树高提取精度95%,冠幅提取精度91%。结合实测数据对提取到的树高和冠幅进行相关性分析,树高R2=0.92,平均误差为-0.83 m;冠幅R2=0.84,平均误差为-0.42 m。相比于分水岭算法,高斯模型聚类方法F提高了11.2%,正确分割单木树高及冠幅提取精度提高了5.5%、5.8%,树高R2提高0.08,平均误差减少0.58 m;冠幅R2提高0.11,平均误差减少0.63 m。     

阔叶红松风景林单木景观质量评价与模型研究

为科学进行天然风景林的抚育经营,以长白山地区松江河林业局板石河林场内的天然风景林单木为研究对 象,共调查了913 株单木的外部形态指标,拍摄913 张单木景观照片,筛选获得87 张针阔叶树种景观照片并进行美 景度评价,并对其景观要素进行分解,进而建立了针叶和阔叶树种单木的美景度模型,最后对99 株单木的景观质 量进行了预测以检验模型的预测效果。结果表明:1)影响针叶和阔叶树种单木景观美景度的景观要素差别较大; 2)影响针叶树种单木美景度的主要景观要素有树干挺拔度、轮廓清晰度、枝条混乱度、树冠完整度和枝条密度;3) 影响阔叶树种单木美景度的主要景观要素有树冠形态、轮廓清晰度、树冠均匀度、叶片密度、枝条舒展度和树干挺 拔度;4)基于单木景观质量影响要素,风景林经营应以培育树干通直的针叶单木景观和树冠饱满的阔叶单木景观 为目标;5)本文建立的针叶和阔叶单木景观美景度模型能较准确地预测单木景观美景度,可以应用于单木景观质 量研究。      

利用无人机遥感测定岷江冷杉单木树干生物量

无人机获取的高分辨率遥感影像,已成为单木生物量估算的有效手段。本文以四川省王朗自然保护区岷江冷杉为研究对象,利用本项目组自行研制的无人机获取无阴影遥感影像。设置2块样地,其中plot 1为建模样本,plot 2为验证样本。通过人机交互的方式提取单木树冠面积(CA)数据,并结合野外实测的胸径(DBH),建立DBH遥感估算模型。最后基于CA-DBH模型的有效性,结合已有DBH-SB(树干生物量)经验方程,计算plot 2岷江冷杉单木树干生物量。结果表明:基于无人机遥感影像提取的单木CA与实测DBH存在较好的非线性相关关系,所建立的模型有较好的拟合度,R2达到0.752(P<0.001,n=94)。采用t检验验证CA-DBH模型预测值与观测值的差异,同时计算皮尔森相关系数(Pearson Correlation Coefficient),检验结果表明:该模型估算的DBH与实测值偏差差异不显著(P>0.05),其皮尔森相关系数可达0.879,证明利用无人机获取的遥感影像,通过提取的CA估算DBH是可行的。本次实验表明:利用无人机遥感获取影像,通过提取的单木CA进行树干生物量的估算是有效的。      

基于BJ-2号卫星的马尾松松材线虫病监测研究

本研究针对松材线虫病普查监测耗时长以及疫木提取难的现状,利用BJ-2号卫星数据对东钱湖镇的松材线虫病病疫木进行监测提取。利用高分辨率影像和遥感图像处理软件,采用面向对象的CART决策树分类方法提取东钱湖镇松材线虫病病疫木,后利用无人机和人工辅助手段进行监测验证,有效提高松材线虫病疫木提取的效率和精度。     

北亚热带高山区日本落叶松林相容性生物量模型研究

研究在北亚热带高山区日本落叶松林内均匀设置51块标准地,对单木、灌草和林分的生物量进行测定并建模,再通过独立检测样地验证模型的精度.结果表明,日本落叶松单木生物量模型以D2H为参数的拟合精度高于仅以D为参数的模型,其中幂函数B=4.6×(D2H)0.827对预测北亚热带高山区日本落叶松单木生物量效果最佳,γ值和F值分别...     

考虑预估期间林木枯死及采伐影响的杉木单木胸高断面积生长模型研究

单木生长模型以单木为模拟对象,模拟单株林木在一定立地条件下的生长规律,其良好的精度为森林经营措施的制定提供了决策依据。基于两期福建省三明市杉木人工林一类调查数据,以林木生长量为因变量,林木大小、立地条件、林木竞争指数以及基于所有保留木相同的3个竞争指数为自变量,运用R语言,采用多元线性逐步回归,构建杉木胸高断面积生长模型。结果表明,考虑枯死及采伐效应的基于保留木所构建的竞争指数在模型中影响显著,说明预估期间林木采伐及枯死对林木生长的影响显著。在单木生长模型构建中,有必要考虑预估期间林木采伐及枯死效应,从而使模型更具合理性。所做模型还可用来模拟不同采伐强度及不同采伐林木下林分的生长动态,为合理制定采伐措施提供决策依据。