基于三维激光扫描的单木胸径和树高提取

为了提高林分尺度下单木参数的识别精度,研究了基于三维激光扫描的单木胸径和树高的辨识方法。在东北林业大学实验林场,采用Trimble S60三维激光扫描仪,对104株蒙古栎进行多测站扫描,获得样本树的点云数据。在对点云数据进行配准、去噪、地形数据提取、切片栅格化等一系列处理基础上,基于霍夫变换和连续生长法分别构建了胸径和树高的提取方法,对林分尺度下单木定位识别、胸径和树高提取精度进行了对比分析。研究结果表明:所构建方法单木定位识别精度均值为87.50%,胸径和树高提取的均方根误差分别为2.88 cm、2.61 m。     

基于背包式激光雷达的天山云杉林单木因子估测

单木因子高精度无损快速估测对森林资源监测和评估至关重要,背包式激光雷达在获取森林三维结构参数方面具有良好的应用潜力。以天山云杉林为研究对象,利用背包式激光雷达扫描样地获取点云数据进行单木分割识别和单木胸径、树高及冠幅面积等因子估测,以地面实测结合目视解译数据作为参照,进行精度评价及相关性检验。结果表明:利用背包式激光雷达数据进行单木分割的单木分割精度F值均大于0.9,精确率和召回率均值分别为0.96和0.90,识别率平均值为86.61%;单木胸径和树高估测结果决定系数R~2均大于0.90,胸径均方根误差RMSE均值为1.11,树高的为1.05;单木冠幅面积估测结果决定系数R~2均大于0.80,均方根误差RMSE均值为3.21。可见,使用背包式激光雷达能够实现对单木胸径、树高参数的高精度提取。     

近景摄影测树仪的研究与开发

立木树高、胸径、任意处直径及高度是单木测量的重要因子,传统的测量方法需要多种测树工具分别进行测量,为了实现这些因子的快速非接触测量,笔者基于近景测量原理,设计了一种高速数字化、便携的近景摄影测树仪。该设备以激光尺、倾角传感器、摄像头和核心板卡等主要硬件为基础,以CCD传感器为采集信息手段。利用近景摄影技术,通过数字信号处理器及其应用系统进行图像处理,提取并存储立木的树高、胸径和任意处直径及高度等信息,实现了单次摄影测量多个测树因子的功能。试验结果表明,任意处直径测量与测树钢围尺的相对误差范围为10.193%17.977%;高度测量与卷尺的相对误差范围为8.763%11.721%。树高测量与MPTS-2的相对误差为11.52%,胸径测量与测树钢围尺的相对误差为15.19%。     

基于三维点云模型获取单木树高和胸径的研究

使用无人机和智能手机分别从空中和地面拍摄的样地林分影像构建三维点云模型，并从三维点云模型中获取样地内单木树高和胸径参数。本研究以池杉人工林为研究对象，利用PhotoScan Agisoft软件对无人机倾斜摄影和智能手机近景摄影的样地影像进行三维重建，通过对齐照片、控制点刺点、对齐优化、建立密集点云等步骤，构建出与样地实景相符的三维点云模型；通过LiDAR 360软件从样地三维点云模型中获取单木的树高和胸径参数，将其与实地测量获取的单木树高和胸径参数进行对比分析。利用无人机和智能手机影像构建的三维模型可以满足《数字航空摄影测量测图规范》的精度要求。通过实测数据和点云数据获取的树高和胸径的平均差值分别为-0.9 m和-0.8 cm,平均相对误差分别为5.4%和7.1%。以实测数据作为自变量x,以点云数据作为因变量y,树高和胸径回归模型的R²分别为0.809 5和0.918 4。将倾斜摄影和近景摄影的点云模型统一在同一空间参考基准下可构建出与样地实景相匹配的三维点云模型，从样地三维点云模型中获取的单木树高和胸径与实地测量结果具有较好的线性相关性，本研究所使用的方法可以代...     

基于UAV遥感的单木冠幅提取及胸径估算模型研究

在森林资源调查中冠幅和胸径是重要的测树因子,自动获取冠幅和胸径值可以提高森林资源调查效率。以云南松为研究对象,基于无人机影像自动提取单木冠幅参数,拟合不同密度等级样地的单木冠幅和树冠面积与胸径的关系以估测单株胸径。首先利用标记控制分水岭分割算法对样地冠层高度模型(CHM)中的单株树冠进行分割,获取最大、最小冠幅和树冠面积,并与实测数据进行精度评价,然后将提取冠幅与树冠面积与实测胸径进行拟合,建立不同密度等级样地的一元回归模型和二元回归模型。结果表明:单木树冠分割准确率为86.26%,冠幅相对误差平均值为6.04%,冠幅面积的相对误差平均值为11.23%;在拟合的模型中,冠幅树冠面积-胸径模型的拟合效果最好,决定系数均在0.7以上,该模型验证数据相对误差均不超过5%,符合A类森林资源调查胸径误差值低于5%的要求。提出的基于无人机影像提取冠幅及预测树木胸径的方法较为准确,可推动森林资源调查自动化发展。     

无人机摄影获取单木三维信息方法研究

随着无人机航空摄影测量技术的成熟和发展,改变了传统森林调查的手段,加快了森林调查的数字化、智能化发展。为提高单木因子的采集效率和精度,降低外业的工作强度,基于倾斜摄影测量技术,以多旋翼无人机为数据采集平台,实现了孤立单木的三维点云模型重建。在此基础上,建立了单木三维信息量测算法,提出切割法和投影法两种提取树冠投影面积的方法,并提取树高、树干任意处直径、树冠投影面积、冠幅、树冠表面积、树冠体积6项测树因子参数。结果表明:1)树木的总高度和第一枝下高的提取精度分别为96.28%和95.61%,胸径和上部直径的提取精度分别为96.24%和93.78%;2)利用切割法和投影法提取树冠投影面积的精度分别为96.28%和98.24%,提取冠幅的精度分别为89.65%和91.50%,提取树冠表面积的精度分别为96.78%和97.58%,提取树冠体积的精度分别为94.29%和96.14%;3)实践证明,该技术可很好地应用到古树名木的保护工作中,并可对森林调查的方式提供新的技术参考,具有较高的现实意义和实际应用价值。     

三维激光扫描技术在提高林木产量方面的应用

三维激光扫描技术作为一种高效科技,在森林资源调查、林分结构研究、单木三维建模等方面有着巨大的应用潜力。通过三维激光扫描仪获取单株立木空间点云数据,利用软件自动建模分析功能,可直接量测立木树高、胸径、树冠面积和位置等信息,生成林木收获报表,以确定不同区域内林木收割的时间,最大限度降低因为收割时间带来的损失,从而开创了该项技术在林业领域的新应用。     

基于FCM和分水岭算法的无人机影像中林分因子提取

【目的】研究高精度小型无人机获取林分调查因子方法,将林分调查因子在低空无人机影像上识别并提取出来,获取树高、冠径等测树因子,建立林分因子测量方法,实现经济、高效、快捷、精准的森林资源调查和监测,及时掌握森林资源及相关林分因子的时空变化特征。【方法】以东北林业大学城市林业示范基地樟子松人工林为研究对象,以多旋翼无人机影像为数据源,基于FCM聚类算法和分水岭分割算法以及形态学运算、阈值分割、图像平滑、灰度化、二值化等一系列数字图像处理技术,提取樟子松人工林林分因子。FCM聚类算法和阈值分割法用于提取树梢标记图像,分水岭分割算法对树梢标记图像进行迭代处理从而获得单木树冠分割图像,根据单木树冠分割结果提取单木特征进而计算各林分因子值。【结果】在林地提取中,根据影像的颜色特征绿度分割成功地将林地部分与非林地部分分离开来,确定单木树冠分割范围。在单木树冠分割中,阈值分割法和FCM聚类算法均可有效将树梢标记从林地图像中提取出来;将基于标记的分水岭分割算法用于单木树冠分割取得较好效果,大多数单木树冠被单独分割出来,但某些区域仍然存在一定的欠分割或过分割问题。在林分因子提取中,提取的林分因子包括林分郁闭度、林地面积、立木株数和平均冠幅,其中林分郁闭度的测量精度为96.67%,林地面积的测量精度为81.23%,立木株数和平均冠幅的测量精度与单木树冠分割中的树梢提取方法(阈值分割法和FCM聚类算法)及分水岭分割中的2个参数(形态学腐蚀的结构元素大小和中值滤波的窗口大小)有关。针对2种树梢提取方法,分别进行参数组合试验,结果显示2种树梢提取方法使用适当参数组合所得各林分因子测量精度均在80%以上,平均测量精度均在90%以上,其中阈值分割法的最高平均测量精度为94.49%,FCM聚类算法的最高平均测量精度为93.17%。【结论】利用无人机拍摄的人工林影像进行森林资源调查,将先进的计算机科学技术和无人机技术应用到林业领域中,可有效提高森林资源调查的效率和精度。本研究提出的林分因子提取方法适用于高郁闭度林分,测量精度满足实际需求。     

基于地基激光雷达胸径提取的单木位置精确测量

[目的 ]为将单木位置匹配至更精确的树干中心处,本研究发展了一种基于地基激光雷达提取胸径中心位置的空间校正方法。[方法 ]对高密度地基激光雷达点云数据,使用霍夫变换的方法提取单木胸径及圆心点,以外业调查的胸径数据作为精度控制基础,再用空间点校正方法将外业测量的样地单木相对空间位置匹配至提取的单木胸径中心点处,最后通过数字冠层高度模型特征分析实现单木位置的地理位置匹配。[结果 ]以黑龙江佳木斯孟家岗林场为研究区,对比分析3种不同株数密度的落叶松样地,提取胸径误差在1 cm之内,高、中、低株数密度样地单木位置在空间点校正时胸径误差2 cm误差范围内位置正确匹配率分别为91%、92.5%、98.6%。全部匹配的外业调查单木相对空间位置误差控制在1 m之内,且与机载激光雷达数字冠层模型影像地理位置匹配误差在0.5 m内。[结论 ]基于地基激光雷达提取胸径匹配单木空间位置的方法,极大地提高了单木空间位置测量精度。此方法的发展,不仅为局部样地单木分割等提供精确位置信息,也为大范围遥感数据提供可靠地面基础位置验证数据,是可靠的单木位置测量和多源数据匹配方法。     

LIDAR技术在林业调查中的应用研究

以LIDAR测量树高为研究内容,利用全站仪对研究区选定的37株样木的树高和材积进行精准测量,获取训练样本实测数据。通过BP神经网络分析,建立了LIDAR测量树高与实测树高、材积的拟合函数方程,实现了用LIDAR树高数据计算单木材积的过程。从拟合的结果来看,树高相关系数R为0.993 2,平均残差平方和为0.086 312。材积相关系数R为0.974 7,平均残差平方和为0.000 310 5,达到了林业调查精度的要求,在林业数表的编制方面是一个比较好的范例。     

点云数据双向选择单木提取与地面数据匹配方法

【目的】基于双向选择判断原理,提出一种将激光雷达(LiDAR)点云数据提取到的单木信息与地面实测单木信息进行匹配的方法,以得到更为合理的信息匹配结果。【方法】采用机载LiDAR点云数据分割单木,提取单木位置、数量、树高和冠幅等信息,从LiDAR提取单木位置出发,依据树高和距离正向确定候选地面实测单木,再根据候选地面实测单木位置和距离信息逆向确认LiDAR提取单木是否为最合适的匹配对象木。【结果】以匹配精度、匹配后的单木树高和冠幅精度为判断指标,与邻域最高匹配法、最邻近匹配法和双因素匹配法相比,在匹配精度一致的情况下,双向选择判断法匹配的单木树高精度可从75.21%提升至91.01%,冠幅精度从60.50%提升至68.64%;在保证匹配信息精度一致的情况下,双向选择判断法可将匹配精度从传统方法的33.52%提升至61.11%。【结论】点云数据双向选择单木提取与地面数据匹配方法可快速、高效地将激光雷达点云数据提取到的单木信息与地面实测单木信息进行匹配,与传统方法相比,能够在高密度、多林层林分中发挥更高优势。     

基于地面三维激光扫描技术的林木胸径提取算法分析

胸径是树木最重要的测树因子之一,其精度直接影响材积的测定。传统的树木胸径测量效率低,范围较小;采用遥感反演间接测量胸径,精度较低,且不能直接获取单木的点云数据。本文利用三维激光扫描技术提取立木的3D点云数据,提出一种自动、高效提取单木胸径的算法。利用三维激光扫描仪对样地8棵杨树进行扫描,得到三维点云数据;同时,开展数据分割、精简、降噪处理,得到简化后的点云数据,最后对提取的胸径点云数据进行分层设置,将截取层厚度设置为0,0~1,1~2,2~3 cm 4个等级,利用快速凸包算法将点云数据闭合成一个多边形,运用Arc Engine控件调用Arc GIS中测算多边形长度的方法计算闭合平面周长,换算出立木胸径值,并结合同步实测数据与传统算法、拟合圆算法进行对比试验。结果表明:采用传统算法、拟合圆算法和快速凸包算法的模型决定系数R2分别为0.857、0.941和0.957,说明运用快速凸包算法提取立木胸径是一种高效且比较可行的方法。     

基于机载LiDAR的单木结构参数及林分有效冠的提取

【目的】基于机载激光雷达(LiDAR)数据提取单木树冠三维结构参数(树冠顶点位置、树高、冠幅和冠长),并在此基础上对林分有效冠进行提取,为进一步研究林分尺度上的有效冠结构及其动态提供依据,以更好掌握并改进林业经营措施。【方法】采用一定规则下的局部最大值窗口搜索树冠顶点,进行单木树冠顶点探测和单木树高提取;以树冠顶点为标记,利用标记控制分水岭分割算法提取单木冠幅;采用垂直方向点云高程检测方法获取枝下高位置,提取冠长;在标记控制分水岭分割出的树冠边界,提取树冠接触高,取平均值作为该样地的林分有效冠高。【结果】树冠分割正确率为88.5%;结合样地实测参数对提取值进行相关性分析,树高R~2=0.886 2,冠幅R~2=0.786 4,冠长R~2=0.800 0,树高、冠幅和冠长精度分别为90.34%、86.80%和89.90%;同一林分内单木接触高相对比较稳定,对提取的林分有效冠高进行单因素方差分析,无显著差异。【结论】基于机载LiDAR数据,采用可变大小的动态窗口搜索局部最大值点,能提高单木结构参数的提取精度;利用树冠顶点标记控制分水岭算法,将高空间分辨率航片作为辅助数据,可完成较高精度的单木冠幅提取;垂直方向点云高程检测方法可提取单木冠长;LiDAR点云数据可对林分有效冠进行提取,在同一林分中,不同样本数量对接触高提取的变异性影响不大,有效冠高大致相同。机载LiDAR数据具有良好的单木树冠三维结构参数提取能力,能够满足现代林业调查对单木结构参数提取的需要,实现对林分有效冠的提取。     

基于相似三角形原理测量树高的简便方法

树高是评定立地质量和林木生长状况的重要依据,是林业调查地的必测项目。在林业生产、森林调查、科学研究、编制林业数表和立木材积的计算等工作中,都需要对树高进行测量。本文主要介绍一种基于相似三角形原理测量树高的简便方法。     

基于无人机可见光遥感的单木树高提取方法研究

利用目前流行的高分辨率可见光无人机遥感影像生成树木冠层高度模型,采用分水岭分割算法提取单木树高的研究具有重要理论和实践意义。以位于云南省富民县的天然云南松纯林为研究对象,通过大疆Phantom 4 Pro无人机获取低空可见光遥感影像,利用Pix4D Mapper对无人机影像进行预处理及三维重建,生成三维点云,利用LiDAR360处理三维点云,构建DSM,DEM并生成CHM;采用分水岭分割算法对不同郁闭度条件下获得的CHM进行单木分割及树高提取,对提取结果进行精度评价。结果表明:分水岭分割算法能够准确分割CHM,利用无人机可见光遥感影像进行单木树高提取是可行的;将基于无人机可见光影像提取的树高值与野外实地调查得到的树高值进行对比,R²为0.893,RMSE为1.23m,估测精度为87.58%;同时,林分郁闭度会对单木树高估测产生影响,根据不同郁闭度条件下提取的3组样木树高与实地测量树高的决定系数(R²)分别是0.857,0.939和0.921,RMSE分别为1.450,1.097,0.896m,在低郁闭度林分内树高估测的精度显著高于高郁闭度林分。     

广西马尾松经济材出材率表编制研究

以马尾松人工林作为研究对象,用伐倒木样木数据,经干形分析和多指标精度比较,选定最佳的削度方程;通过树皮率方程和树高曲线方程进行计算机理论造材,依据各经济材种规格,编制出马尾松胸径树高二元经济材出材率表。经检验,以该方法编制的出材率表达到林业数表模型编制的精度要求。     

手持式测树枪量测树冠体积方法研究

为实现单木树冠体积的精准测量,文章介绍了一种手持式测树枪量测树冠体积的方法。在被测树周围布设测站点,以一定的顺序获取各测站点正对树冠边缘点位坐标,通过等高线内插法分层,以构成多面体,利用积分算法求算树冠的体积。将电子测树枪所测结果与传统方法、无棱镜全站仪以及三维激光扫描仪所测结果进行对比分析。结果表明,测树枪所测精度与等高距呈线性关系,测树枪所测精度远高于传统方法,略低于无棱镜全站仪,低于三维激光扫描仪的精度,满足林业调查精度要求,可以在林业行业中推广使用。     

基于单木过程模型的杉木林分生长模拟研究

基于林分尺度的3-PG模型原理,在考虑单木林分生理生态过程的基础上,改进了生物量积累和分配子模型,建立适应于单木生长的生理生态过程模型,实现基于单木过程模型的林分生长预测。选择胸径和树高生长量2个指标与实测值对比分析,结果表明:改进模型对胸径和树高生长量的模拟平均精度分别为95.57%和91.16%,均明显高于3-PG模型对应的89.4%和85.18%的平均模拟精度,改进模型的模拟精度显著提高,模拟效果更好。     

基于机载LiDAR点云多层聚类的单木信息提取及其精度评价

【目的】针对已有三维点云数据单木分割方法提取下层林木困难、准确提取林木数量占总体比例偏低导致提取工作有效性不高、提取效果受点云密度和林分结构复杂程度影响等问题,改进单木提取策略和算法,为Li DAR单木提取技术向生产实践应用转化提供支撑。【方法】以机载Li DAR点云数据为基础,提出一种基于分层聚类的三维立体单木分割方法,并对点云分层、分割、单木匹配等环节进行算法改进,实现空间异质性较高林分的单木分割和信息提取。【结果】改进后的算法可在高密度、高空间异质性林分中进行单木分割和信息提取,并能更合理地与地面实测林木信息匹配,可匹配的林木比例最高达88.70%,单木树高、林分平均高精度最高分别达92.38%、99.84%,树高基尼指数、树高变异系数精度最高达89.65%。【结论】通过多水平分层和纵向聚类融合,可提升对于林下层尤其是更新层林木的提取能力;构建提取有效性指标,更加关注成果的适用性;评价指标中加入空间结构精确度指标,可充分发挥Li DAR对空间结构的反演能力。     

基于无人机数据的人工林森林参数估测

无人机凭借低成本、高精度的优势在森林资源调查中被广泛应用,基于无人机高分影像及点云数据的森林主要参数估测及评价方法研究,可以为无人机技术在人工林调查中的推广应用提供科学参考。选取南京林业大学树木园内东方杉(Taxodium mucronatum)人工实验林为研究对象,以2018年无人机高分影像、点云数据以及地面实测数据为主要信息源,通过局部最大值以及种子点分割的方法对株数、树高、冠幅、郁闭度等森林参数进行提取,并进行精度检验。研究结果表明:1)提取的株树探测率为0.92,株数准确率为0.97,F参数为0.95。2)单木树高估测的决定系数(R~2)为0.795 7,均方根误差(RMSE)为0.594 0;单木冠幅直径的决定系数(R~2)为0.800 8,均方根误差(RMSE)为0.897 8。3)提取的总冠幅的提取率达到0.95,准确率达到0.93,f参数达到0.94。4)提取的样地郁闭度相对误差只有0.32%。基于无人机高分数据及少量地面实测数据的人工林主要参数估测,可以在很大程度上替代全林实测,在人工林中具有较大的推广价值。