基于機(jī)載LIDAR樹木提取應(yīng)用

任 海 成

(中鐵第六勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，天津 300308)

20世紀(jì)80年代末，在攝影測量技術(shù)的影響下，逐漸興起了機(jī)載LIDAR技術(shù)，主要集成了激光測距儀、全球定位系統(tǒng)GPS、慣性導(dǎo)航裝置IMU、中心測量單元以及CCD相機(jī)等[1,2]。機(jī)載LIDAR技術(shù)原理主要是利用激光發(fā)射器發(fā)射激光，脈沖激光到達(dá)地面目標(biāo)物經(jīng)過多次反射被激光器接收，能夠快速獲取三維地形數(shù)據(jù)。機(jī)載LIDAR技術(shù)因其主動性、不受氣候和地形復(fù)雜程度因素影響，以及具有一定穿透性，又可同時獲取地表物體的三維信息、強(qiáng)度信息、回波信息，在相關(guān)領(lǐng)域已取得重要成果：基礎(chǔ)測繪領(lǐng)域制作大比例尺地形圖如：1∶500,1∶1 000,1∶2 000等，數(shù)字化城市領(lǐng)域構(gòu)建三維模型，工程勘察提供線路優(yōu)化依據(jù)，電力巡線中樹障安全性分析等。國內(nèi)外利用機(jī)載LIDAR技術(shù)也做了相關(guān)研究。在國外，大多數(shù)研究主要集中在森林區(qū)域，通過相關(guān)算法可以很好的評估林木特征。芬蘭學(xué)者Juha Hyyppa研究了單株樹木分割法。Suresh K.Lodha，2007根據(jù)LIDAR數(shù)據(jù)特征，應(yīng)用AdaBoost方法進(jìn)行了道路、建筑物、植被信息提取。國內(nèi)劉峰[3]研究了面向?qū)ο蠓诸悾ㄟ^Kd-Tree樹存儲大量點(diǎn)云，利用SVM法，進(jìn)行點(diǎn)云預(yù)分類。張齊勇、周國清利用區(qū)域生長算法大面積濾波建筑物，再結(jié)合梯度閾值法進(jìn)行樹木提取[4]。

1 點(diǎn)云空間結(jié)構(gòu)特征及濾波分類

本文基于LIDAR點(diǎn)云空間數(shù)據(jù)組織模式(如圖1所示)，從點(diǎn)云幾何分布特征分析出激光點(diǎn)到達(dá)植被樹木時，大部分位于樹冠且反射，小部分位于樹干上，而在垂直方向變化較大，尤其是樹木邊緣處和內(nèi)部方向上。根據(jù)樹木表面不具規(guī)則性和建筑物具規(guī)則性，利用梯度分割二階導(dǎo)數(shù)分離建筑物。

利用濾波分類算法，點(diǎn)云數(shù)據(jù)內(nèi)插生成DSM，通過移動曲面擬合法內(nèi)插生成DTM[5]。樹木具有時間特征、區(qū)域特征、位置特征、空間分布格局特征等，而建筑物都是人工建造，具有幾何規(guī)則特性。因此，樹木和建筑物激光腳點(diǎn)在平面上差異不大，但在垂直高程有很大不同，利用這一特性，本文以冠層高度模型CHM為參考，利用激光穿透性和回波特性，結(jié)合區(qū)域增長算法和拉普拉斯算子，濾除地面建筑物激光腳點(diǎn)和樹木及建筑物激光腳點(diǎn)，達(dá)到分離效果(見圖2)。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析及應(yīng)用

通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，利用區(qū)域增長算法和拉普拉斯算法能夠分離絕大部分樹木和建筑物：閾值K的選取和地形有很大關(guān)系，直接影響著二次局部曲面能否很好的擬合DSM。本文研究區(qū)域主要是山區(qū)，建筑物不到1/6，具有規(guī)則性和平整度較高，K值選6時，拉普拉斯算子介于0.75～1.3之間，可以成片的提取樹木，樹木提取信息見表1。

表1 樹木提取信息

從表1中可以看出，閾值選取受地形因素較大，當(dāng)閾值在0.75～1.3之間，樹木提取率可以達(dá)到88.5%，在一定程度上滿足了工程需要。根據(jù)架空輸電線路運(yùn)行規(guī)程DLT741—2001，當(dāng)電壓等級為220 kV時，檢測到樹障信息如表2所示。

表2 危險(xiǎn)點(diǎn)預(yù)警檢測表

由表2可以看出，1號危險(xiǎn)點(diǎn)水平距離為3.74 m，超過了導(dǎo)線與樹木最小安全距離，垂直距離4.09 m小于導(dǎo)線與樹木最大弧垂距離。2號危險(xiǎn)點(diǎn)水平距離3.14 m，超過了導(dǎo)線與樹木最小安全距離，垂直距離4.08 m小于導(dǎo)線與樹木最大弧垂距離。3號危險(xiǎn)點(diǎn)水平距離3.83 m，超過了導(dǎo)線與樹木最小安全距離，垂直距離4.19 m小于導(dǎo)線與樹木最大弧垂距離[6]。

3 結(jié)語

本文基于激光點(diǎn)云空間幾何特征、濾波分類算法進(jìn)行植被樹木分離提取。結(jié)合研究區(qū)環(huán)境特點(diǎn)，經(jīng)試驗(yàn)得到合適閾值，大范圍提取樹木?；谔崛〗Y(jié)果模擬輸電線路樹障安全性預(yù)警研究分析，從而確定導(dǎo)線與地面的安全距離、導(dǎo)線與建筑物的安全距離、導(dǎo)線與樹木之間的安全距離，智能化實(shí)時工況距離安全檢測。為工程后續(xù)清理障礙物提供了一定依據(jù)。