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。     

高郁闭度人工林无人机激光雷达单木分割方法优化

【目的】针对高郁闭度林分条件下基于LiDAR点云数据单木分割林木提取困难、总体精度较低等问题,提出一种基于冠层起伏率结合分水岭算法和基于点云的局部最大值聚类算法的分层分割法,为开展无人机LiDAR技术森林资源调查提供技术参考,为提高单木分割总体精度提供新策略。【方法】利用无人机激光雷达数据,采用分水岭算法、基于点云的局部最大值聚类算法和基于冠层起伏率结合分水岭算法和基于点云的局部最大值聚类算法的分层分割法对高郁闭度思茅松人工林进行单木分割,并分析分水岭算法中4种CHM空间分辨率和3种DSM插值方法对单木分割效果的影响,与无人机高分辨率影像单木树冠目视解译结果进行比较,以探测率r、准确率p和F得分为指标对单木分割精度进行验证和评价。【结果】在幼龄林中,冠层起伏率较大,分水岭算法对单层林的分割效果优于基于点云的局部最大值聚类算法;在中龄林和近熟林中,冠层起伏率较小,分水岭算法易将思茅松树枝识别为树冠,基于点云的局部最大值聚类算法的分割效果优于分水岭算法;基于冠层起伏率结合分水岭算法和基于点云的局部最大值聚类算法的分层分割法充分考虑不同龄组的林分结构差异,精度最高(F=0.75),优于分水岭...     

机载激光雷达和航空数码影像单木树高提取

用激光雷达(LiDAR)数据和航空数码影像相结合进行单木水平树高反演.对研究区的LiDAR点云数据进行滤波和分类,根据地形特点、地表植被状况以及其他地类的分布,采用Tin Filter滤波算法提取地面回波点和植被回波点.用面向对象的方法对高空间分辨率(25 cm)的航空数码影像进行单株木检测.通过多尺度、树冠模式的分割创建影像对象和类层次,用最邻近距离和成员函数法进行影像对象的分类,并基于分类结果进行再分割.对分割后的树冠多边形进行边缘优化,以准确识别单株木.将植被回波点和影像分割后得到的树冠多边形进行叠加,计算多边形内的LiDAR数据最大高程差值,与实测树高进行相关分析,建立单木树高估测回归方程,平均估测精度为74.89%.     

基于激光雷达数据的森林数据分析与处理系统的设计与实现

机载激光雷达(LiDAR)是一种新型数据获取手段,目前在林业资源管理、森林防火、林木砍伐等方面已广泛应用,但尚未形成完整的、实用的林业LiDAR数据分析与处理系统。通过分析已有LiDAR数据应用于林业资源管理方面的理论和方法,以目前开源LiDAR点云数据处理技术、海量点云数据可视化技术,以及GIS相关分析技术为基础,结合林业资源管理需求,设计并研发了基于LiDAR数据的林业资源数据分析与处理系统。系统实现了LiDAR点云数据的管理与可视化、数字高程模型生成、数字地表模型生成、冠高模型生成、平均树高估计等功能,为基于LiDAR数据的林业资源管理提供统一的平台。     

基于三维激光点云数据获取树木几何参数的研究

无人机(Unmanned Aerial Vehicle,UAV)遥感可快捷获取高分辨率正射影像。本文探讨利用无人机采集高分辨率影像,生成三维点云数据获取树高和冠幅,并与实测数据对比。实验地点选择北京市京西林场,采用无人机搭载激光雷达扫描系统获取点云数据,使用LiDAR360软件进行数据处理分析,获取树木位置、株数、树高、树冠直径等信息,并与实测数据对比,结果表明:最大类间方差法可分割树木点云数据;利用三维点云技术可获取树木高度及冠幅;树高提取平均精度为94%,冠幅提取平均精度为89%。     

基于无人机多源遥感的输电线下树冠分割方法研究

架空输电线路走廊内高杆树种的快速生长是引起的线路跳闸故障的重要因素,为提高线路安全,须快速提取输电线下树木的高度与覆盖宽带。基于激光雷达点云数据,通过不规则TIN格网方法精确构建树木形态特征;基于多光谱数据计算林区的NDVI构建树木的光谱特征,结合二者的优势,先通过CHM的极大值,判断出了树木的顶点;然后利用Voronio图进行空间分割,判断出树冠的范围;最后统计每个树冠多边形内CHM和NDVI情况,剔除非树木,得到有效的单木树木顶点及树冠多边形。     

一种机载LIDAR数据估算森林蓄积参数的方法

针对林业调查中的单株树木提取问题,提出一种基于机载激光雷达点云数据,采用局部最大值和噪点消除获取树冠顶点,利用分水岭分割方法提取单株树,根据样地树高和森林蓄积模型估算胸径和森林蓄积量的方法,与传统的人工现场勘测方法相比,具有更高的时间效率,减少了大量的人力成本。     

基于机载激光雷达点云数据的马尾松单木材积估测

为提高森林单木材积估测精度和效率,选取贵州省织金县城郊典型马尾松林为研究对象,基于机载激光雷达点云和样地调查数据,以提取的树高、冠幅、树冠投影面积和树冠体积等单木结构参数为变量,构建基于机载激光雷达点云数据的马尾松单木材积估测模型。结果表明：1)基于点云数据提取的马尾松单木树高和冠幅因子与实际调查数据之间存在良好的相关性,决定系数R²在0.7以上,精度相对较高,可用于构建马尾松单木材积模型。2)在经典非线性CAR模型基础上,利用枚举法对树高、冠幅、树冠投影面积、树冠体积等4个变量组合构建的11个模型中,包含树高、冠幅及树冠体积三个林分因子的模型表现最佳,R²为0.774 1。3)树高、冠幅及树冠体积被确定为马尾松单木材积估测的关键因子,其中,树高的贡献最大且与单木材积呈极显著正相关关系(P<0.001)。利用机载激光雷达点云数据提取单木结构参数,并基于非线性CAR模型构建单木材积模型估测马尾松单木材积的方法是可行的,该方法不仅能满足森林资源调查的精度要求,且能有效提高调查效率。     

基于地基激光雷达和手持式移动激光雷达的单木结构参数提取精度对比

【目的】针对人工实测与地基激光雷达(TLS)在林业资源调查中数据获取效率低下的问题,以哈尔滨市城市林业示范基地黑皮油松林为研究对象,综合对比地基激光雷达和手持式移动激光雷达(HMLS)两种扫描方式,为高效的森林资源调查和经营管理提供有效的参考。【方法】利用TLS单站与多站扫描以及HMLS获取研究样地单木点云数据,然后基于点云数据处理软件提取单木结构参数并与实测数据进行匹配,综合对比两种扫描方式的数据获取效率、点云质量以及单木结构参数提取精度。【结果】1)HMLS在扫描高郁闭度黑皮油松林样地时扫描速度大约为27 m~2/min,TLS4站扫描该样地速度为10 m~2/min,扫描速度上HMLS扫描约为TLS多站扫描的3倍。2)TLS4站扫描的胸径处点云数量与单木点云数量远高于HMLS,且HMLS相比于TLS4存在冠层点云缺失的问题,但HMLS相较于TLS数据拥有更好的胸径处切片点云完整度。3)HMLS、TLS单站、TLS4站数据胸径估测结果的R~2分别为0.92、0.84、0.95,HMLS与TLS4站扫描均给出了较好的胸径估测结果,单站TLS扫描估测胸径结果较差。HMLS扫描与TLS单站扫描由于冠层点云扫描不完整导致估测树高和树冠面积的决定系数均小于0.5。TLS4站扫描相较于HMLS扫描在树高和树冠面积的估测精度上有了较大提升,R~2达到了0.7以上。【结论】TLS4站扫描拥有最高的点云数据质量与单木结构参数提取精度,但扫描效率最低,而单站扫描由于遮挡效应单木结构提取精度较低但扫描效率最高;HMLS具有较高的扫描效率与胸径估测精度,但由于冠层点云的缺失在树高和树冠面积等参数的估测精度较低。     

基于无人机激光雷达的银杏人工林有效叶面积指数估测

【目的】精确估测银杏人工林有效叶面积指数(eLAI),以更好了解银杏人工林的生长和竞争、理解人工林生态系统的功能和生产力。【方法】基于多旋翼无人机激光雷达(LiDAR)系统获取的点云数据,结合45块地面实测样地数据,使用孔隙度模型法(通过计算点云的冠层穿透率,根据Beer-Lambert定律计算有效叶面积指数)和统计模型法(首先通过地面实测的有效叶面积指数和所提取的LiDAR特征变量建模,然后借助拟合的模型估测有效叶面积指数)对我国典型银杏人工林进行样地尺度的有效叶面积指数估测。【结果】1)使用统计模型法估测eLAI时,仅利用LiDAR高度特征变量估测精度为R2=0. 38(rRMSE=54%),引入其他特征变量(冠层密度特征、冠层容积比以及强度特征变量)后精度分别达到R2=0. 64(rRMSE=26%)、R2=0. 61(rRMSE=28%)、R2=0. 74(rRMSE=23%); 2)根据Cover将样地分组建模后发现,分组建模的精度优于不分组建模的精度;3)孔隙度模型法估测有效叶面积指数的精度为R2=0. 71(rRMSE=32. 0%)。【结论】结合多组LiDAR特征变量估测有效叶面积指数能够充分挖掘LiDAR数据包含的冠层结构特性,从而提升估测精度;同时,使用孔隙度模型法可以有效估测银杏人工林有效叶面积指数。无人机LiDAR点云在估测银杏人工林有效叶面积指数上具有较好的潜力。     

联合UAV-LiDAR和HMLS技术的森林样地点云数据融合

[目的]基于单一平台遥感数据提取的森林结构参数信息不全面,因此融合多平台遥感数据已成为遥感技术在林业应用中的发展趋势.本研究针对手持移动激光雷达和无人机激光雷达2种不同平台的数据,提出一种基于Delaunay三角网和迭代最近点(ICP)算法的点云数据融合方法,通过融合获得完整的树木点云数据.[方法]选取哈尔滨城市林业示...     

机载激光雷达森林参数估算方法综述

综述了机载激光雷达(LiDAR)在森林树高、郁闭度、蓄积量等参数估算中的应用,并对森林参数的估算精度及其影响因素进行了总结和分析。重点总结了目前机载激光雷达在森林参数估算中采用的如基于几何特性的点云数据滤波方法、基于强度信息森林参数提取方法、全波形数据的处理方法及L iDAR与多光谱影像数据融合关键技术,阐述了其现状及各自应用范围和存在的问题。     

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。     

基于地基激光雷达的植被聚集指数反演方法

植被聚集指数是表征冠层元素空间分布聚集特征的重要参数。精确反演聚集指数对研究植被碳氮循环、冠层生物量估算具有重要意义。地基激光雷达凭借其快速精确获取植被三维空间信息的优势,已成为提取植被聚集指数的重要手段。针对现有聚集指数反演方法均存在一定程度的点云信息浪费,本研究利用地基激光雷达点云数据,提出了一种基于三维间隙的植被聚集指数反演方法。首先通过多站地点云拼接、去噪、滤波等预处理操作,将地面与植被点云分离,再基于滤波结果获取归一化植被点云;然后采用分治方法建立植被点云Delaunay四面体格网模型,用三维孔隙替代传统二维孔隙以获取间隙累积分布函数;最后利用间隙大小分布法计算植被冠层聚集指数。将该方法应用于研究区20块植被样地的地基激光扫描数据,反演得到其植被聚集指数。经实测数据验证,结果表明:该方法充分利用激光雷达精确获取三维空间信息的能力,实现了植被聚集指数高精度反演(R~2=0.74,rRMSE=8.94%),对于激光雷达定量反演植被结构参数具有指导意义。     

基于机载激光雷达的国外松片林蓄积量反演研究

该文基于金坛区碳汇监测山区调查点范围内,第250,77号国外松林小班的LiDAR数据和样地实测数据,利用冠层高度模型与点云分割相结合的方法实现单木识别,以实测胸径作为因变量,估测树高作为自变量,通过建立非线性回归方程的方式进行林分胸径反演和公顷蓄积量估算.结果表明:机载LiDAR估测的国外松数据与实测数据具有较好的相关...     

背包式激光雷达林木点云帧间匹配算法比较研究

[目的]为了提高背包式激光雷达估测林木胸径精度,得到在不同坡度的林分下高精度帧间匹配方法.[方法]使用Ubuntu 16.04和ROS Kinetic系统,将背包式激光雷达在不同坡度的林分下扫描数据转化成单帧点云,并采用关键帧技术选取实验点云;应用ICP算法、NDT算法、基于点云曲率特征匹配算法、基于PFH特征匹配算法...     

无人机密集匹配点云与机载激光雷达点云的差异分析

为分析无人机密集匹配点云和机载激光雷达点云的异同性,对密集林分(郁闭度0.85)、稀疏林分(郁闭度0.55)和未成林地的2种点云的空间分布进行目视对比分析,并通过2种点云生产的DEM(UAV_DEM和LiDAR_DEM)分别对密集匹配点云进行归一化处理,得到2套归一化密集匹配点云数据,将其与激光雷达点云进行统计特征参数配对样本t检验分析。结果表明:1)在密集林分中,密集匹配点云无法获取冠层内部和地面信息,采用LiDAR_DEM进行归一化后,密集匹配点云的中下部分位数高度及全部分位数密度与激光雷达点云相应统计特征参数均存在显著性差异(α=0.05),但中上层分位数高度的差异不显著;2)在稀疏林分和未成林地中,除下部分位数高度外,其余高度、密度统计特征参数均与激光雷达点云相应参数无显著性差异,但密集匹配点云对幼树三维结构的刻画能力优于机载激光雷达点云。在森林调查监测中,无人机密集匹配点云可直接用于稀疏林分和未成林地的森林参数估测,在既有高精度DEM支持下可对密集林分的一些林分参数(如冠层表面高度等)进行估测。     

基于低密度机载LiDAR和CCD数据的林分平均高提取

本文基于低密度的机载激光雷达(L iDAR)数据生成林区树冠高度模型(CHM),结合高分辨率CCD数码相机影像勾绘林分多边形,由改进的树冠识别算法提取林分平均树高。结果表明:全部有效数据林分总体精度达74.86%,刺槐精度达75.62%,油松精度达74.74%,结果受点云密度影响,使得阔叶树种的精度稍高于针叶树种,因此,低密度激光雷达数据结合高分辨率CCD可以快速、准确地提取林分平均高。     

融合机载和背包激光雷达的桉树单木因子估测

以海南省五指山市4块人工桉树林共计157株桉树为例,融合背包激光雷达和机载激光雷达点云数据对桉树单木因子进行了估测,探究融合数据在森林资源调查中的适用性。估测结果与实际样地数据对比表明,融合点云数据在胸径的估测上,R²=0.982,RMSE=0.868cm;在树高的估测上,R²=0.895,RMSE=2.005m,优于只使用背包激光雷达数据获取树高精度(R²=0.835,RMSE=2.458m)。基于背包激光雷达点云数据获取的单木胸径精度较高,融合点云数据可改善单一背包点云数据对树高上的估测。     

基于激光雷达数据的热带森林冠高模型生成及平均树高估计

激光雷达(LiDAR)是一种适用于大范围快速获取森林三维数据的新手段,但是基于Li DAR的林业参数估计算法和提取精度仍有待进一步提高。以海南省三亚市热带区域森林为研究对象,基于其扫描获取的Li DAR点云数据提出了改进的动态移动窗口搜索算法,进行冠高模型建模与生成,并提出了基于此模型进行林木平均高度估计的方法。通过改进的算法,利用C#编程、Las Tools、Arc GIS等相关工具对点云数据进行网格化,从而进行DEM和DSM提取、CHM生成、平均树高等参数估计。结果表明:经过算法的改进,大面积森林的数字地面模型(DEM)、数字表面模型(DSM)和冠高模型(CHM)可以从Li DAR数据中快速提取,但Li DAR点云获得的树高值比实际值低。这是由于Li DAR数据树顶的错失及点云的低密度所导致的,然而通过最低树高值的不断增加,其实测值与估计值的差值也在逐渐缩小。