地基激光雷达在森林参数反演中的应用

近年来地基激光雷达(TLS)得到了快速发展, 它能够快速地获取高精度、高密度的3D点云数据, 可以应用到工程设计、林业、农业、矿产、交通、城市规划和遗产记录等领域。在森林参数的定量测量应用上, 利用TLS测量森林参数如树高、胸径、密度和蓄积量等, 不仅节省人力, 还提高了工作效率, 现在已经成为一种快速获取树木几何参数的有效方法。文中主要介绍地基激光雷达遥感的工作原理、数据处理过程和方法、在林业中的应用现状、利用TLS数据反演森林参数(位置、胸径、树高、蓄积量、树干和郁闭度等)的方法和研究进展, 同时对地基激光雷达在林业中的应用前景进行了分析和展望。     

基于机载激光雷达的落叶松组分生物量反演

目的 构建基于机载LiDAR的落叶松组分生物量反演模型,讨论不同方法对模型构建的影响。 方法 以地面实测样地数据和同步获取的机载LiDAR点云数据为数据源,分别采用多元线性回归（MLR）和随机森林（RF）方法,估测了长白落叶松的组分生物量,利用"刀切法"评价了模型的泛化能力。 结果 表明：（1）MLR筛选得到的Hinterval、H80、D10、D20与各组分生物量普遍表现为显著（P < 0.05）或极显著水平（P < 0.01）。（2）MLR模型的R2高于0.82（枝、叶除外）;RF模型的R2均高于0.91,且均拥有较小rRMSE、TRE值。（3）MDI和MDA方法的变量相对重要值排序均能较好地体现LiDAR变量与生物量之间的关系,MDI在趋势性判断和阈值设定方面更具优势。 结论 LiDAR变量与组分生物量具有显著的相关性。RF拥有更好的拟合效果和泛化能力,MLR则对LiDAR和组分生物量的关系有更明确的解释能力。反演模型能较好地反映林分的现势特征,生物量被低估的现象会随着林龄的增加而逐步增多。     

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。     

基于机载大光斑激光雷达的森林冠层高度估测

利用国家林业和草原局卫星林业应用中心设计研发的机载林业探测大光斑激光雷达回波数据,基于Matlab2014a软件对光斑数据进行数据读取、背景噪声估计、信号起始位置判断、地面回波位置确定,从而估测光斑位置下森林冠层高度。通过选取样地位置附近连续10组大光斑回波波形对森林冠层高度进行估测,并与样地实测森林冠层高度进行精度验证。结果表明:机载林业探测大光斑回波波形对7种森林冠层高度均有不同程度的估测能力,其中以胸高断面积加权平均高、优势树种平均木平均高估测效果最好,相对误差分别为4.36%和8.29%,RMSE(均方根误差)为1.40 m和1.55 m;对优势木平均高H、优势木平均高D估测能力最差,相对误差为19.81%和22.00%,RMSE为2.99m和3.34m。     

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...     

三维成像激光雷达遥感技术在林业中的应用

激光雷达三维遥感是获取各种森林冠层特征参数的一种突破性技术, 具有精确地直接测量和估计森林结构特征的能力。文中介绍了三维成像激光雷达技术的背景、发展情况及其在林业中的应用, 详细分析了通过激光雷达直接测量、建模或推断及多源融合获取森林结构特征参数的方法。     

基于机载激光雷达和机器学习的林分平均胸径遥感估测

为探究不同模型对林分平均胸径的预测精度,使用贵州省桂花国有林场马厂工区同步获取的机载激光雷达点云数据和地面实测样地数据,通过提取样地水平的点云特征变量,采用方差膨胀因子分析和皮尔逊相关性检验进行自变量选择,建立机器学习模型估测样地平均胸径。结果表明：1)点云特征变量,如平均冠层高度和高度偏态与林分平均胸径有很强的相关性。2)机器学习模型(随机森林、支持向量机、最近邻算法)优于多元线性回归模型,其中,随机森林的拟合效果最好。随机森林的决定系数(R²)为0.71,均方根误差(RMSE)为2.50。3)通过柳杉纯林、针叶混交林、针阔混交林、马尾松纯林4种森林类型的林分平均胸径预测值与实际值差值,进一步证实随机森林模型精度最高,拟合效果最好。利用机载激光雷达点云数据提取点云特征变量,并构建基于机器学习算法的林分平均胸径估测模型是可行的,该方法的精度能满足森林资源调查的应用需求,可作为辅助林业调查工作的技术手段。     

地基激光雷达技术在森林调查中的应用研究进展

森林资源的实时监测是森林经营管理的重要基础。地基激光雷达以其快速性、准确性、非破坏性和自动化等优点逐渐取代了传统的森林资源调查方法,可用于单木参数和林分信息的提取,特别是传统方法难以获取的冠层信息,并解决森林地上生物量估计中的不确定性。文中主要介绍地基激光雷达技术在森林资源调查中应用的研究现状,分析讨论该技术的优缺点,并对其未来的应用前景进行展望。     

基于无人机机载激光雷达构建森林蓄积量模型反演及精度分析

基于机载激光雷达点云数据提取的嵩县测区森林资源数据,结合样地调查数据,采用多元线性回归模型,重点分析无人机载激光雷达获取的点云数据在森林蓄积量模型反演方面的精度分析,为河南省森林蓄积量的测算提供参考依据。结果显示：山区栎类蓄积量调整决定系数AdjR2=0.890m³·hm^-2,平均相对误差MSE=0.237 m³·hm^-2,均方根误差RMSE=0.478 m³·hm^-2,结合分层地面样地调查数据对山区栎类蓄积量数据进行多元线性回归模型反演,模型精度为96.01%。无人机机载激光雷达能够自动获取大面积栎类标准地的激光点云数据,可以提取森林的垂直结构信息(高度参数)和水平结构信息(郁闭度)具备三维结构参数提取能力,通过全覆盖的激光雷达数据反演结果以及地面验证两个部分的数据验证,得到的精度测算结果较好,为计算森林蓄积量提供新的方法。     

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。     

地面三维激光扫描技术在林业中的应用与展望

以地面三维激光扫描技术的测量原理、技术特征为切入点, 重点论述了该技术在国内外林业领域的应用现状、不足及前景。与传统研究手段相比, 地面三维激光扫描技术在测树效率、三维建模、模型化精度等方面具有较大的优势, 显示出更广阔的应用前景。     

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。     

机载全波形 LiDAR 数据处理及林业应用研究综述

随着激光雷达技术的发展,近几年对小光斑全波形激光雷达数据处理方法及其应用的研究已成为国内外相关领域关注的热点。文中阐述小光斑全波形激光雷达的组成及数据特点,介绍波形数据的处理流程,并在此基础上概述小光斑全波形激光雷达波形数据在林业中的应用; 基于国内外研究现状,详细论述了波形分解和提取森林结构参数的理论及方法,分析了小光斑全波形激光雷达波形数据处理的局限性及其在林业中的应用前景。     

3D激光扫描技术及其在森林测绘中的应用研究

对三维激光扫描技术的总体情况进行简单介绍,结合工程实际,阐述如何在林业资源调查中应用该项技术,提出立木直径、材积和蓄积量测量的原理与方法。结果表明,该项技术在林业测绘领域具有广阔的应用前景和重要价值。

Abstract：

The overall situation of 3D laser scanning technology is introduced briefly.Based on the actual engineering situation,how the technology is applied in forest resource survey is stated and the principles and methods for measuring the diameter,volume and st     

基于激光雷达数据的东北林区航空林分材积表编制

利用东北林区云冷杉林、落叶松林、樟子松林、红松林、栎树林、桦树林、杨树林、榆树林、椴树林和水胡黄林10种森林类型的1947个样地的激光雷达数据和地面实测蓄积量数据,首先通过多元线性回归和非线性回归方法,分别建立基于机载激光雷达数据的森林蓄积量回归估计模型,并通过对比分析,确定统一形式的基础回归模型;然后利用哑变量建模方法,建立基于不同森林类型参数和相同激光雷达变量的蓄积量模型。结果表明,研究建立的10种森林类型的线性蓄积量回归模型的解释变量个数在2~7之间,确定系数在0.460~0.858之间;非线性蓄积量回归模型的解释变量个数在2~4之间,确定系数在0.461~0.846之间。基于点云平均高度和平均强度建立的10种森林类型的二元蓄积量模型(研究称之为标准模型),其确定系数在0.440~0.815之间,平均预估误差在2.88%~4.42%之间,平均百分标准误差在16.76%~25.52%之间,预估精度基本达到森林资源规划设计调查技术规定要求。依据研究建立的10种森林类型的蓄积量模型,可以编制基于激光雷达数据的航空林分材积表,在森林资源调查实践中推广应用。     

Estimating single-tree branch biomass of Norway spruce with terrestrial laser scanning using voxel-based and crown dimension features

Abstract

Many remote sensing-based methods estimating forest biomass rely on allometric biomass models for field reference data. Terrestrial laser scanning (TLS) has emerged as a tool for detailed data collection in forestry applications, and the methods have been proposed to derive, e.g. tree position, diameter-at-breast-height, and stem volume from TLS data. In this study, TLS-derived features were related to destructively sampled branch biomass of Norway spruce at the single-tree level, and the results were compared to conventional allometric models with field measured diameter and height. TLS features were derived following two approaches: one voxel-based approach with a detailed analysis of the interaction between individual voxels and each laser beam. The features were derived using voxels of size 0.1, 0.2, and 0.4 m, and the effect of the voxel size was assessed. The voxel-derived features were compared to features derived from crown dimension measurements in the unified TLS point cloud data. TLS-derived variables were used in regression models, and prediction accuracies were assessed through a Monte Carlo cross-validation procedure. The model based on 0.4 m voxel data yielded the best prediction accuracy, with a root mean square error (RMSE) of 32%. The accuracy was found to decrease with an increase in voxel size, i.e. the model based on the 0.1 m voxel yielded the lowest accuracy. The model based on crown measurements had an RMSE of 34%. The accuracies of the predictions from the TLS-based models were found to be higher than from conventional allometric models, but the improvement was relatively small.     

Airborne LiDAR-derived elevation data in terrain trafficability mapping

Heavy off-road traffic causes soil compaction and rutting, which can significantly reduce the yield of forest stands. Reliable information on terrain trafficability, that is, the ability of terrain to support the passage of vehicles, would enable significant enhancement of wood procurement planning and reduction of soil damage. The objective here was to determine the feasibility of airborne scanning light detection and ranging (LiDAR)-derived digital terrain models (DTM) in terrain trafficability mapping. Soil damage was inventoried from a total of 13?km of forwarding trails, and a logistic regression model was fitted for predicting the event of soil damage. DTM-derived soil wetness indices performed well as predictor variables, and DTM-derived local binary patterns also proved useful in terrain trafficability mapping. A prediction accuracy of 83.6% (Cohen’s kappa of 0.38) was observed for soil damage probability modelling, using only DTM-derived predictors, and a corresponding accuracy of 85.0% (kappa of 0.45) was achieved when an existing soil map was used as well. In addition to the topography-related features, soil stoniness proved to be a critical factor affecting soil resistance to rutting. Our results indicate that the utilisation of LiDAR-derived elevation data for terrain trafficability mapping is a feasible method in sustainable forest management.     

三维激光扫描系统在测树中的应用

阐述了三维激光扫描系统的原理,并对激光扫描系统在测树中的应用作了初步分析.通过与传统测树方法进行比较可知,在测树效率、三维建模、模型化精度以及数据处理等方面,三维激光扫描系统都具有较大的优越性.     

三维激光扫描与雕刻机集成系统的研究

激光扫描测量和雕刻机的集成是一项新技术,基于自主研发的激光扫描软件解决了与雕刻机系统集成过程中所遇到的扫描点云数据转换、激光测头的安装与固定、运动控制系统的一致性等问题。相比传统的手工雕刻和手工电脑绘图,其成倍地提高了加工效率。