点目标LRCS测量系统研究

本文介绍了激光雷达散射截面(LRCS)测量的研究背景及重要意义,对LRCS物理意义进行说明;对目标LRCS测量理论基础进行总结并对锥形点目标LRCS测量系统进行设计,最后对锥形点目标LRCS进行测量。     

基于机载LiDAR落叶松树冠几何形状三维重建关键技术研究

森林冠层的三维重建研究能够更加直观反映森林空间结构,提高森林参数的测量精度。目前小光斑激光雷达已经广泛应用于林业研究中。为建立落叶松树冠三维形状模型,以长春净月潭实验区落叶松机载LiDAR(LiDAR,Light Detection And Ranging)数据为基础,采用K-means算法提取建模参数。该算法以单木树冠顶点作为初始聚类中心,经过4次迭代估测出单木树高和单木树冠直径,通过与试验区的单木实测数据对比,进行相关性分析,得到估测树高和估测树冠与实测数据相关系数分别为0.892 4和0.769 0,经过验证,估测树高和估测树冠的精度为94.06%和82.21%。利用激光雷达提取出的单木坐标、树高、树冠和冠基高采用旋转抛物线方法重建森林尺度三维模型呈现森林结构。     

近红外激光云高仪与微脉冲激光雷达比对分析

云在气象领域扮演着重要的角色,因此准确测量云高有助于分析天气系统未来的变化,为气象等领域提供依据。为了比较CL51激光云高仪和微脉冲激光雷达(MPL)这2个云高仪的性能,对位于南京信息工程大学的2台仪器2012年9—11月这3个月的数据进行分析,得出如下结论:CL51和MPL第一层云底高度的相关性很高,相关系数为0.89;CL51的所有数据平均高度为3.879 km,MPL的所有数据平均高度为3.587 km,说明这2台仪器的一致性很高。     

基于仿真大光斑激光雷达和多层感知器的森林地上生物量估算模型构建

森林是全球重要的陆地生态系统,各国普遍采用地面样地调查的方法评估其资源量和生物量。随着激光雷达技术的发展,采用星载大光斑激光雷达估算大区域森林地上生物量将成为另一种选择。为探索利用大光斑激光雷达估算森林地上生物量的方法,提出了一种基于仿真大光斑激光雷达和多层感知器的森林地上生物量估算模型。比较仿真大光斑激光雷达波形参数13种组合拟合森林地上生物量的效果后,认为多层感知器的估测精度高于多元线性回归。与样地实测地上生物量相比,多元线性回归估测结果的偏差范围为-34.96~23.28t/hm²,多层感知器估测结果的偏差范围更小,为-19.09~20.19t/hm²。因此,多层感知器估测森林地上生物量的效果优于多元线性回归。     

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。     

基于LiDAR的温室番茄冠层几何参数提取

【目的】准确获取温室番茄作物行中单株冠层数据,为分析作物生长状态和为对靶喷药提供冠层数据支持。【方法】采用三维激光雷达(LiDAR)搭建番茄植株冠层检测平台,使用导轨以0.05 m/s的速度移动三维激光雷达,利用雷达上位机软件Ctrlview保存双侧扫描的A、B 2组共40株番茄植株点云。双侧点云使用ICP(迭代最近点)算法进行配准,利用基于特征值的平面拟合法去除地面,使用均值漂移算法(Meanshift)分割番茄行中的单株点云,获取冠层参数,与人工测量值比较验证精度,将单株点云在MATLAB中使用alpha shape算法进行重建并进行体积的获取,使用凸包算法作物参考值对比。【结果】该检测平台在激光雷达前进方向与垂直前进方向的测量误差分别为-2.65%、-3.95%;获取到的单株番茄植株高度与人工测量值相比,平均绝对误差分别为0.025和0.031 m;重建后求取的体积与凸包算法相比平均误差下降了约15.3%,与人工获取相比相差不大,各指标良好。【结论】番茄行点云分割结果与人工测量相比A、B 2组的均方根误差RMSE分别为0.039和0.043,冠层体积获取与参考值对比V_RMSE为0.011 3,激光雷达在获取作物外形轮廓信息中具有一定的准确性和可靠性,该方法用于温室环境下单株作物冠层数据的获取。     

基于机载激光雷达数据的天山云杉林蓄积量反演模型构建

构建多变量的天山云杉林Schumacher蓄积收获模型,提高林分蓄积量反演精度,获得便捷、快速提取森林蓄积信息的技术方法,为探索山地天然林精准监测与评价提供技术途径。以2020年激光雷达影像与样地实测数据为研究材料,在激光雷达影像图中提取遥感因子,代入Schumacher蓄积收获模型中,通过再参数化来构建适用于天山云杉林的可变密度收获预估模型,并进行精度检验。结果表明,激光雷达影像分辨率较高,进行点云数据处理后,树高提取精度为89.64%,每公顷株数提取精度为85.13%,坡度提取精度为84.26%,坡向提取精度为84.26%,海拔提取精度为97.25%。结合Schumacher蓄积收获模型构建天山云杉蓄积量反演模型,R²=0.80,将检验数据代入模型中,估测蓄积量与实测蓄积量平均精度为90.22%,模型的拟合度较好。研究将立地因子、林分密度、林龄等变量引入Schumacher蓄积收获模型,对于天山云杉的蓄积估测精度有较大提高,优于以往经验模型,满足新疆山地天然林数字经营管理的标准。     

基于局域最大值法单木位置探测的适宜模型研究

以凉水自然保护区为研究区域,基于机载激光雷达数据,采用动态窗口局部最大值法对郁闭度较高的针叶林进行单木位置自动提取。采用树冠高度模型(CHM)和树冠最大模型(CMM)配合两种动态窗口,即树高--树冠大小回归方程和该方程的95%预测下限来探测树冠顶点,用探测百分比、1∶1对应关系的单木个数、生产者精度和用户精度进行了精度评价。结果表明:利用CMM能够抑制树冠内部枝杈产生的错判现象;利用树高--树冠大小回归方程95%的预测下限做动态窗口,能够有效防止在局部最大值方法中产生的小树漏测现象。因此,利用CMM和95%的预测下限做动态窗口的局域最大值法有利于提高单木位置探测的精度,为密林中自动地探测单木位置提供依据。      

长白落叶松单木参数与生物量机载LiDAR估测

采用黑龙江长白山地区长白落叶松人工林LiDAR数据和野外调查补充样地数据,利用树冠高层模型和三维点云分割相结合的方法实现单木识别,选择逐步回归分析法进行单木参数和生物量估算。结果表明：机载LiDAR估测的长白落叶松单木参数与实测数据具有较好的相关性,单木树高、冠幅、胸径和地上生物量的R2分别为0.8732、0.6335、0.7903和0.7992;平均拟合精度分别为88.34%、83.46%、85.11%和86.19%;幼龄林、中龄林、近熟林和成熟林的单木平均生物量分别为25.12、94.08、117.74、279.33kg。     

国产星载激光雷达森林回波波形模拟仿真

为探究拟发射国产星载激光雷达卫星波形数据在森林结构参数估测方面应用潜力,首先需对其回波波形进行模拟仿真。针对地形无规律起伏和林层结构复杂这一问题,本文采用有限元原理实现了随机地形与林分三维信息的模拟仿真;针对激光脉冲传输过程中能量衰减的问题,引入了激光雷达辐射传输模型;为验证本文所建回波仿真系统有效性,利用与国产星载激光雷达回波波形相近的ICESat-GLAS实测波形数据对GLAS仿真波形数据进行验证。研究结果为：发射波仿真波形与实测波形相关系数为0.96;地形坡度分别为0°～10°、10°～20°、20°～30°和30°以上时回波仿真波形与实测波形相关系数均值分别为0.90、0.88、0.85和0.81;郁闭度分别为0～0.2、0.2～0.4、0.4～0.6、0.6～0.8和0.8～1.0时回波仿真波形与实测波形相关系数均值分别为0.81、0.80、0.84、0.88和0.90;针叶林、阔叶林和混交林回波仿真波形与实测波形相关系数均值分别为0.85、0.86和0.89。研究结果表明：本文所建回波仿真系统可用于国产星载激光雷达回波仿真。回波仿真所得国产星载激光雷达仿真波形,可为森林结构...