基于机载LiDAR数据的单木树高提取研究

论文总字数：15914字

目 录

1 绪论 1

1.1 研究目的及意义 1

1.2 国内外研究现状 1

1.3 研究内容及研究方法 3

1.4 研究技术路线 3

2 机载LiDAR基本原理及数据介绍 4

2.1 LiDAR的基本原理 4

2.2林业用LiDAR的工作原理 4

2.3研究区数据介绍 5

3 单木树高提取算法原理 6

3.1树冠轮廓的提取 6

3.1.1 分水岭分割算法提取原理 6

3.1.2 边缘算子提取算法提取原理 6

3.2树冠局部最大值提取 7

3.3树冠顶点提取 7

4、单木参数提取结果分析 8

4.1 树冠轮廓提取结果分析 8

4.2 树高结果分析 11

4.2.1 局部最大值结果分析 11

4.2.2 树冠顶点及树高分析 12

5、结论和展望 14

5.1 结论 14

5.2 展望 15

参考文献 15

致谢 17

基于机载LiDAR数据的单木树高提取研究

房磊

，China

Abstract:As a new method for fast acquisition of spatial data,Light Detection And Ranging(LiDAR)is the only feasible technique to measure the surface elevation of forest cover area at present, and it has been widely used in the field of geospatial information science. Since tree height is one of the important input parameters of ecosystem models,accurate extraction of tree height is very important for forest research. In this paper, the canopy height model (CHM) is generated from airborne LiDAR data of a forest in Daxinganling, Heilongjiang Province. The multi-window local maximum fusion method and the improved watershed segmentation method are adopted in the paper, which can determine tree top position, the height of the individual tree and extract tree crown edge. Finally, the position and height of the trees are compared based on visual interpretation of ground truth data. The results show that the accuracy of crown diameter and height extracted in sparse forest area is higher than that in dense forest area. In particular, the matching degree is higher for those single trees.

Key words:Airborne LiDAR;Canopy height model;Multiwindow local maximum fusion method;Improved watershed segmentation method

1 绪论

1.1研究目的及意义

森林是一个多资源、多功能的综合体，是我们人类赖以生存的宝贵财富。从树木自身来看，它作为地球生态系统的重要组成部分，不仅可以准确定量评估森林生态系统对环境的影响反映森林生产力，确定木材的数量和容量的增长率；而且还具有良好的湿度保持和气候调节等生态功能，维持着全球和各个地区的碳循环、水循环以及能量平衡^[1]。从国家政策角度， 由于世界人口的不断增加，森林资源的过度开发利用和非合理利用，生态环境的恶化显著加剧，因此国民对自然生态环境的保护意识的逐渐提高，也逐步将注意力转移到森林资源方面。由此，掌握森林树木的生长和消亡的发展规律具有战略性的意义。

然而，传统的调查这些参数的方法涉及复杂的抽样设计和后期补充工作，这些工作均属于密集型劳动，表现出耗时多、效率低、主观性强和小范围性的缺点。同时，利用遥感技术进行森林调查的方式主要是通过卫星来获取数据，虽然可以获得大区域数据，但是遥感影像易受外界因素影响，不能很好地体现林分纵向的结构信息。

近年以来，激光雷达测量（Light Detection And Ranging）广泛普及应用在地球空间地理信息科学领域，是一种快速获取空间各种数据的新手段。全球许多国家，特别是一些林业发达的国家，在林业生产中都会选择采用激光雷达测量技术技术进行森林资源普查。技术在获取森林资源相关数据方面具有：及时性、准确性、高效性。作为一项高科技技术，它兼有激光测距、GPS、惯性导航等先进技术的优点。这项技术有许多成功的例子应用于在森林参数测量方面上，让林业数据测量获得了巨大突破^[2]。在森林高度的探测能力以及在树高参数的获取上，技术拥有独特的采集数据方式。提供科学依据在国家林业部门林业政策的制定和管理措施的实施方面。在获得高大乔木植被下被遮挡的低矮植被信息方面：技术的脉冲光束通过穿射植被间的空隙的方式，来捕获部分被遮挡地物反射的回波信号。然而，部分林木树冠之间往往是连接在一起的，采集的数据呈现出一簇或者一团的情况，不能够自动清晰区别出单株树木，也就降低了树高提取的精度。

本研究正是在这样一个研究背景之下开展的，根据我国森林资源的分布特点，选择合适的试验森林研究区，检验数据在对树木冠层参数提取有效性与可靠性等方面的优劣，并自动提取单木树冠的高度等参数。

1.2 国内外研究现状

LiDAR最早产生于20世纪70年代，是由美国 NASA研发的，最初并未运用于森林参数估测领域，而真正用于估测森林参数的研究是在20世纪80年代中期，研究过程中多采用具有高空分辨率的像片，以满足单木树冠提取对数据空间分辨率的高要求。21世纪初，机载LiDAR技术快速发展并在单木参数提取方面展现出更强的优势，于是开始了航空像片到机载激光雷达数据的过渡，并利用其优势大幅度提高了单木树冠直径提取的准确性以及精度，充分发挥了优势作用。并且还一起研发了机载激光植被成像传感器系统运用在森林资源调查管理领域。之后 LiDAR技术蓬勃发展至今。到目前，国内外对于单木参数信息的提取已经成为森林精确遥感的热点之一。

对于单木树冠参数的提取，野外实测是获取单木树冠参数的传统方法之一，然而，这种传统的方法的测量过程是缓慢和耗时的，得到的数据也往往只是局部数据，不能满足高动态监测的需要，测量结果也无法进行精度的验证与评价。而现在随着科技发展，国内外在对单木树冠进行提取时，开始利用高分辨率影像、航空像片、数码相机影像、等作为介质来获取数据。

国外在对单木树冠参数提取研究发展比较早且迅速。最早，尼尔森^[2]等人在树高推算上，将时间间隔为首次回波与末次回波之间的，不同的雷达数据用于推算树高。平均树高采用激光发散度不同的数据。提取树高值与真实值之间相差小于1 m，说明树高提取精度不太受激光发散度的影响。Naesset^[3]采用15 ×15米的栅格遍历研究了36个林区。平均树高是单个栅格中最大树高，对比树高与实地调查的树高后，发现高差为0.4到1.9米之间。小光斑系统被克拉克等人^{[ 4]} 利用，估算热带雨林地区的树木高度,对林区进行9个回波点/平方米采样；得到估测树高小于实际树高的结果。特斯法米夏尔等人^[5]使用逐步回归分析方法，进行林木平均高度分布的估测，在密度水平下，得到估测的均方根误差均达到1米左右。证明了雷达技术能较精确提取森林高度。St-Onge等人^[6]使用雷达数据和立体摄影测量组合，测量单株木的高度，建立有实际树高与树冠多边形中回波最大值的模型，后进行比较发现相关性为90%。

国内在树冠提取方面的研究起步比较晚。何祺胜等^[8]利用机载数据反演林木的平均高度，识别到的树高结果R²为0.78。王永平^[9]通过比较了不同的数据滤波方法，采用移动窗口差分算法，提取出平均树高。周淑芳^[10]以LiDAR点云数据及与其同步获取的高分辨率航片，测量重庆铁山坪林场的树木高度，将航空图片与点云数据生成的图片叠加后，提取树树冠多边形内的树高。张琼等人^[11]利用大比例尺航片与机载LiDAR数据进行森林参数测量的反演中得到树高与实测高的相关系数为0.9361，表示呈线性相关。赵峰^[12]等人用LiDAR点云数据提取山东省泰安市祖徕山林场的树高，利用面向对象的方法，将提取出的树冠多边形与CHM模型进行叠加，得到精度为74.89%。吴迪^[13]等人用激光雷达与多角度遥感数据估测树高，将树高信息的提取从点到面的尺度进行了拓展，得到了 R²为0.67、RMSE为1.83、精度为85.22%的结果。刘清旺^[14]用双正切角识别算法对重庆铁山坪林场进行树高提取，单木树高估测值与实测值相关系数为0.34。王轶夫^[15]等人采用HASM-AD曲面模拟方法，使用LiDAR点云数据研究黑河生态树高，最终获得较为精确的树高。

1.3 研究内容及研究方法

本文的主要研究内容包括树冠顶点确定和树高提取两个方面。在确定单木树冠顶点位置时，采用多窗口局部最大值融合和分水岭分割的方法，提高探测到实验样地内单木树冠的顶点的准确性。在提取单木树高方面，本文基于ArcGIS10.2软件上面完成树高提取，并以目视解译得到的单木中的特征参数作为对比标准，评价本文研究的结果精度。

1. 树冠轮廓提取

利用改进的分水岭算法对研究区进行树冠轮廓提取，为后续树冠顶点的确定数据基础。

1. 多窗口局部最大值融合法

利用局部最大值提取函数确定出不同大小窗口中的局部最大值；根据试验样本区域内树木的稀疏程度和提取出的树冠轮廓来判定最终的树冠顶点。

1. 单木树高提取

利用（2）中提取出的树冠顶点，在ArcGIS10.2软件上进行树高的提取。

1. 精度评价

将目视解译出的树高作为精度检验的特征标准，对试样结果进行对比分析，并对试样结果的可靠性做评价。

1.4 研究技术路线

本文对黑龙江省大兴安岭某一林场内的机载激光雷达（LiDAR）数据处理生成冠层高度模型(CHM)，在此基础上采用多窗口局部最大值融合法和改进的分水岭分割法，进行树顶位置的判断以及树冠边缘提取，从而准确地识别出单株木并提取单木树高。最后结合目视解译的单木树冠特征标准，进行精度评价。技术路线图见图1。

图1 技术路线

2 机载LiDAR基本原理及数据介绍

2.1 LiDAR的基本原理

LiDAR是一种集激光，全球定位系统(GPS)和惯性导航系统(INS)三种技术与一身的系统，用于获得数据并生成精确的DEM。这三种技术的结合，可以高度准确地定位激光束打在物体上的光斑。它又分为目前日臻成熟的用于获得地面数字高程模型(DEM)的地形LiDAR系统和已经成熟应用的用于获得水下DEM的水文LiDAR系统，这两种系统的共同特点都是利用激光进行探测和测量，这也正是LiDAR一词的英文原译，即：LIght Detection And Ranging -LiDAR。它通过向目标照射一束光，通常是一束脉冲激光来测量目标的距离等参数。激光雷达在测绘学、考古学、地理学、地貌、地震、林业、遥感以及大气物理等领域都有应用 此外，这项技术还用于机载激光地图测绘、激光测高、激光雷达等高线绘制等等具体应用中^[30]。

激光雷达最基本的工作原理与无线电雷达没有区别，即由雷达发射系统发送一个信号，经目标反射后被接收系统收集，通过测量反射光的运行时间而确定目标的距离。至于目标的径向速度，可以由反射光的多普勒频移来确定，也可以测量两个或多个距离，并计算其变化率而求得速度，这也是直接探测型雷达的基本工作原理。由此可以看出，直接探测型激光雷达的基本结构与激光测距机颇为相近。因为光速是已知的，所以根据发射光的发出时间和后向散射光的接收时间的时间差就可计算出激光器与污染剂的距离。这就是激光雷达能测距的原理。

2.2林业用LiDAR的工作原理

LiDAR数据能够生成树冠高度模型CHM（冠层高度模型（Canopy Height Model, CHM）是对地面上森林冠层高度的一种表达方式，反映了森林冠层在垂直方向上的高度变化和水平方向上的分布状态。CHM 一般表示成栅格形式，有利于数据的快速处理与分析。CHM 栅格单元的尺寸根据激光脉冲点间隔（密度）确定，由于激光脉冲点间隔有一个变化范围，一般取平均点间隔作为 CHM 栅格单元尺寸。由 DSM 与 DEM 相差得到 CHM。并以此为基础准确地得到重要的森林参数的估计量，包括冠层高度、林分蓄积量和森林冠层的垂直结构。并能够通过在树冠层中减去裸地高程来估算树高。在机载激光雷达系统中，当激光信号第一次遇到目标地物马上返回称为首次回波，首次回波可以用来构建树冠层。遇到像植被这种半透明地物，部分激光信号可以穿透并在不同的表面位置反射回来。末次回波可以提供地面的位置和高程信息。树冠高度就可以通过首次回波和末次回波来估计。

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