基于LiDAR数据的平均树高反演关键技术研究

中国体视学与图像分析　2009年　第14卷　第2期CH I N ESE JOURNAL O F S TER EOLO GY AND I M AGE ANALYS I S Vo l .14No.2J une 2009

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　文章编号:1007-1482(2009)02-0209-07

基于L iDAR 数据的平均树高反演关键技术研究

张周威1

,　汪承义1

,　陈静波1

,　王　刚

2

(1.中国科学院遥感应用研究所遥感图像处理室,　北京　1001012.中国科学院对地观测与数字地球科学中心,　北京　100101)

摘　要:通过激光雷达数据反演林木参数,特别是树高,将极大地推进激光雷达在林业上的应用。

本文首先对L i D AR 获取的高密度点云进行预处理,生成适合森林参数提取的规则网格数字表面模型,然后利用形态学滤波的方法逐步去掉非地形要素,形成数字高程模型,最后利用数字表面模型减去得到的数字高程模型,可得到正则化数字表面模型,并求出地物的相对高度信息,在林木上就是最终得到所需要的树木平均高度信息。结合真实LH Syste m ALS40数据进行实验,验证了本文方法的可行性。

关键词:激光雷达;树高;形态学滤波;正则化数字表面模型中图分类号:S75811;TP391141 文献标识码:A

Key Techn i que of Forest He i ght I nversi on fro m L iDAR Da t a set

ZHANG Zhouwei 1

,　WANG Chengyi 1

,　CHEN J ingbo 1

,　WANG Gang

2

(1.Depart m ent of Re mote Sensing I m age Pr ocessing,I nstitute of Remote Sensing App licati ons,

Chinese Acade m ic Sciences,Beijing 100101,China;

2.Center f or Earth Observati on and D igital Earth,Chinese Acade my of Sciences,Beijing 100101,China )Abstract:Forest para meters,es pecially forest height,can be inverted fr om L ight Detecti on And was p r o 2cessed task,Ranging (L i D AR )dataset,which should p r omote the app licati ons of L i D AR in f orestry .T o do the hard task,the cl oud point data of L i D AR was p r ocessed at first,foll owed by generating regular grid digital surface model (DS M )t o extract f orestry infor mati on,then mor phol ogical filtering was used t o re 2move non 2t opographic features,finally relative height inf or mati on of gr ound features,including the forest height inf or mati on,were achieved by subtracting digital elevati on model (DE M )fr om DS M ,called nor 2malized DS M (nDS M ).Validati on of the experi m ents was carried out on a dataset collected by LH Syste m ALS40and the feasibility of this technique was p r oved .Key words:L i D AR;f orest height;mor phol ogical filter;n DS M

收稿日期:2009204220

基金项目:国家自然科学基金(08J0140055);中国科学院遥感应用研究所基金(08S01800CX )

作者简介:张周威(1980-),男,博士生,研究方向为图像复原和提高图像分辨率。E 2M ail:wangcycastle@

激光雷达(L ight Detecti on And Ranging,L i 2DAR )技术是现代对地观测的最新技术之一,在对地面的探测能力方面有着强大的优势。L i D AR 通过位置、距离、角度等观测数据直接获取对象表面点的三维坐标,空间与时间分辨率高、动态探测范围大、能够部分穿越树林遮挡、直接获取真实地表的高精度

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　中国体视学与图像分析2009年　第14卷　第2期

三维信息,是快速获取高精度地形信息的全新手段[1]。

树高是反映材积和林地质量的重要参数,因此树高信息的获取具有十分重要的意义,高精度的森林高度信息获取一直是林业遥感中难以解决的问题,而激光雷达技术的优势主要在于高程信息的获取。因此,激光雷达凭借其快速准确地获取林地数字高程模型和森林高度信息的能力,使遥感技术在林业领域的应用登上新的台阶。

近20年来,研究者发展了许多用于激光雷达数据反演林木参数特别是树高(林分平均树高和单木树高)的算法,极大地推进了激光雷达在林业上的应用。

国外,N ilss on等通过计算冠顶和地面回波之间的距离计算了树高,精度达90%以上[2]。马里兰大学地理系Dubayah等人与NAS A2GSFC合作提出了星载植被激光雷达系统(VCL)计划,该计划的机载实验系统(LV I S)在美国、加拿大、澳大利亚等多个国家进行了成功的实验,发展了森林激光雷达回波波形处理的方法并进行了验证[3]。Lefsky等人对多种先进的遥感数据进行了比较研究,包括多时相T M 数据、高空间分辨率的记载ADAR数据、机载高光谱AV I R I S数据和机载激光雷达S L I CER数据,结果表明激光雷达数据反演出的数目结构参数精度最高,并指出尽管目前激光雷达只有采样数据,但与其他影像数据结合使用将大大提高林业遥感的精度,近来随着星载激光雷达系统的实施,必能取得更广泛的应用[4]。Kent on T odd等对小光斑L i D AR数据计算树高进行了研究,通过剔除首次回波中的噪声点而提取出数字表面模型,然后通过DS M减去而得到了平均树高[5]。

国内,庞勇等人利用较低密度的点云数据,使用分位数法对林分平均高进行了估计,实验精度达到国家二类森林调查规程的需求[6]。王永平(2006)[7]对现有的数据滤波方法进行了分析和比较,并提出了一种适用于森林地区L i D AR数据滤波的算法,该方法能在中等复杂地形的林区有效剔除粗差点、确定数目点云、地面点云,并使用德国数据进行了相关实验和分析,最终提取了森林实验区的数字高程模型和平均树高。周淑芳[8]将L i D AR数据和与其同步获取的高分辨率数目影像为数据源,进行了高精度的单木水平方向信息及树高信息的提取。赵峰(2007)[9]采用植被激光点云数据在不同高度处的分位数作为统计变量,建立与林分平均高的关系,进行林分平均高反演,以树冠高模型(CH M)和影像分割结果为基础进行了单木树高反演。

可见,L i D AR用于在林业应用中估测一些重要的森林参数,如树高、林冠高度、郁闭度、林间空地和地上生物量甚至区别树种等。这种估计目前被分为两个层次:林分尺度森林调查和基于单株立木的清查,如单木分割、树高提取及树冠层信息提取等。本文主要讨论林木平均树高的反演问题,利用形态学滤波的办法逐步去掉数字表面模型(DS M)中的非地形要素,利用DS M减去得到的数字地形高程模型(DE M),得到所需要的树高信息。该方法同上述方法相比较可以简单快速提取单木树高信息。

1　激光雷达及其平均树高反演关键技术简介111　激光雷达基本原理

用于森林参数测定的激光主要是波长在900～1500n m,利用传播时间差原理的测距型激光雷达。所谓测距型激光雷达,就是通过测量地面采样点激光回波脉冲相对于发射主波间的时间延迟得到传感器到地面采样点之间的距离[10]。

激光雷达系统由激光扫描系统、全球定位系统(Gl obal Positi oning Syste m,GPS)和惯性测量单元(I nertialMeasure ment Unit,I M U)组成,如图1所示,由于该系统所获得的数据是大量悬浮在空中离散的点阵数据集,因此被形象地称为“点云”数据。点云数据不仅包含地物对象的高程信息,还具有丰富的目标多次回波信号及强度信息、地物类别信息,以及与每一点高程信息对应的位置信息等

。

图1　激光雷达系统

用于林业的L i D AR主要有两类,即记录波形数据的大光斑激光雷达与记录回波信号的小光斑激光