基于機載激光雷達和數(shù)碼相機的林木特征提取

王 寧 李德亮 田聰聰

（1.水發(fā)規(guī)劃設(shè)計有限公司，山東 濟南 250100；2.山東省國土測繪院，山東 濟南 250100；3.山東智帆地理信息技術(shù)有限公司，山東 濟南 250100）

機載激光雷達和數(shù)碼相機能夠提供高精度的森林結(jié)構(gòu)和生物量信息，有助于評估森林碳匯功能。同時，森林生物多樣性是維持生態(tài)系統(tǒng)健康和穩(wěn)定的關(guān)鍵[1]。提取林木特征可以監(jiān)測森林物種分布、種群密度和生態(tài)位等關(guān)鍵的生物多樣性指標，為保護森林生物多樣性提供科學(xué)依據(jù)。

森林健康狀況直接影響生態(tài)服務(wù)功能和木材生產(chǎn)。利用機載激光雷達和數(shù)碼相機提取林木特征，可以實時監(jiān)測樹木的生理狀態(tài)、生長情況以及森林病蟲害情況，為保證森林健康提供數(shù)據(jù)支持。林業(yè)資源清查是一項重要的林業(yè)基礎(chǔ)工作，其工作內(nèi)容包括調(diào)查資源分布、蓄積量和生長量。機載激光雷達和數(shù)碼相機可以在大范圍內(nèi)獲取高精度的森林資源信息，提高清查效率和準確性[2]。此外，應(yīng)采取必要的措施進行生態(tài)恢復(fù)，對采伐過度或遭受破壞的林區(qū)進行再造林。本研究可以評估生態(tài)恢復(fù)和再造林的效果，為制定科學(xué)的生態(tài)恢復(fù)計劃提供依據(jù)。本文基于應(yīng)用數(shù)碼相機與機載激光雷達進行研究，使人們更充分地了解森林資源和生態(tài)環(huán)境，提高公眾的環(huán)保意識和參與度。

1 研究區(qū)與數(shù)據(jù)

1.1 研究區(qū)概況

隨著全球氣候變暖，為了應(yīng)對氣候變化，需要準確、快速地監(jiān)測森林碳儲量。因此，在設(shè)計方法前，需要分析研究區(qū)的概況。相關(guān)內(nèi)容見表1。根據(jù)表1分析研究區(qū)的氣候條件和氣溫條件，相關(guān)內(nèi)容見表2、表3。

表1 研究區(qū)概況

表2 研究區(qū)氣候條件

表3 研究區(qū)的氣溫條件

明確地區(qū)氣候條件后，安排技術(shù)人員現(xiàn)場調(diào)研與勘查，發(fā)現(xiàn)林場的森林資源種類較多。為更直觀地掌握研究區(qū)基本情況，勘查現(xiàn)場，明確研究區(qū)林場經(jīng)營林地總面積為10 217.55 hm2，森林覆蓋率88.6%，林木蓄積324 000 m3[3]。森林資源既是可再生資源，又是無形的環(huán)境資源，其本質(zhì)屬于具有開發(fā)潛力的綠色能源。因此，合理規(guī)劃和利用森林資源對保護生態(tài)環(huán)境和經(jīng)濟發(fā)展都有重要意義[4]。為保證相關(guān)工作在實施中的規(guī)范性與合理性，以某試點區(qū)域為例，分析區(qū)域內(nèi)樹種面積與占有面積，見表4。

表4 試點區(qū)域樹種面積與占有面積分析

1.2 研究區(qū)飛行設(shè)計

完成上述內(nèi)容的設(shè)計后，使用激光雷達設(shè)備采集測區(qū)數(shù)據(jù)，激光雷達發(fā)射脈沖激光束照射地面或物體上后會被反射回來。通過測量激光束的往返時間，可以計算物體的距離。同時，激光束的探測角度也影響數(shù)據(jù)的精度和分辨率。

因此，在正式收集資料前，需要先確定被測量區(qū)域的界線，這對確定地面控制點和規(guī)劃航線來說非常重要[5]。同時，測量區(qū)域內(nèi)的地形條件，例如植被、建筑物等，都會直接影響制定飛行計劃。另外，機載 LiDAR資料的最終用途也是制定飛行計劃的重要參考。例如，為了得到1個更精確的數(shù)字地形模型，需要在研究區(qū)的植被覆蓋范圍內(nèi)留出一定間隙，使觀測信號能夠穿過冠層，進入地表[6]。在高植被覆蓋區(qū)域進行地面遙感反演，還須提高掃描頻率，減少激光岐角，并降低飛行高度，增大空間密度并增強植被穿透力。本文以此為標準，設(shè)計研究區(qū)飛行路線，如圖1所示。

圖1 研究區(qū)飛行路線設(shè)計

2 數(shù)碼相機影像正射校正

當飛機飛行時，由于不可能精確地控制飛行平臺，加上地表起伏，因此采集的數(shù)字相機圖像出現(xiàn)了像點偏移、圖像變形和尺度不一致等問題。針對這個問題，在利用機載激光雷達提取林木特征參數(shù)前，需要正射校正數(shù)碼相機影像[7]。在平坦區(qū)，采用多項式幾何改正方法，解決高精度航攝影像的正射改正問題。正投影修正原理如圖2所示。

圖2 數(shù)碼相機影像正投影修正原理示意圖

須采用微分校正方式修正框幅式中心投影的影像。由地表決定的平面位置為地表的正交投影，它與其對應(yīng)的點之間的內(nèi)在函數(shù)關(guān)系為共線方程。根據(jù)共線性公式，在給定航片內(nèi)、外方位要素以及地面高的基礎(chǔ)上，建立圖點間的映射關(guān)系[8]。共線方程如公式（1）、公式（2）所示。

式中：x為橫坐標共線方程；y為縱坐標共線方程。XA、YA和ZA為圖點坐標；XS、YS和ZS為像點坐標；f為共線函數(shù)；a、b和c為轉(zhuǎn)換系數(shù)。為實現(xiàn)二維圖像之間的幾何轉(zhuǎn)換，假設(shè)定義任意一個像元為p。在原始圖像和糾正后圖像中確定一個節(jié)點，其坐標分別為p（X，Y）、p（X'，Y'），兩者之間的映射關(guān)系如公式（3）、公式（4）所示。

式中：fx（X'，Y'）和fy（X'，Y'）為直接法轉(zhuǎn)換函數(shù)橫、縱坐標；φX（X'，Y'）和φY（X'，Y'）為間接法轉(zhuǎn)換函數(shù)橫、縱坐標；fy為直接法轉(zhuǎn)換函數(shù)；φX為間接法轉(zhuǎn)換函數(shù)；X'為像元p的橫坐標；Y'為像元p的縱坐標。將上述映射關(guān)系作為依據(jù)，生成數(shù)字正射影像，流程如圖3所示。

圖3 數(shù)字正射影像生成流程

3 三維機載激光雷達掃描測量林木數(shù)據(jù)點云

在林木測量領(lǐng)域，點云數(shù)據(jù)可以提供準確的樹高、樹冠形狀和樹木間距等信息，這些信息對森林管理、森林保護和森林規(guī)劃等方面具有重要意義。同時，這些信息也可以用于監(jiān)測森林生長狀況、評估森林生態(tài)效益等方面。機載激光雷達掃描獲取的數(shù)據(jù)為點集，其在3D空間上呈不規(guī)則的點云分布，具有一定隨機性。其中，既有現(xiàn)實地表的點位，也有人造建筑（樓房、煙囪、鐵塔和輸電線路等）以及天然植被（樹木、灌木和草地）。對任意三維機載激光雷達掃描點集P{（p1x，p1y，p1z），（p2x，p2y，p2z），…，（pnx，pny，pnz）}，初始化1個映射的權(quán)重集合W（ω1=ω2=…=ωn）。在權(quán)重集合W中，任意1個元素ωi的取值表示點集上的3 d點在數(shù)字高程模型（DEM）曲面上的作用權(quán)重，權(quán)重越大，DEM曲面的貢獻度就越大。將表面f（X，Y）作為標準，對WP點集進行均勻化插值處理，并以此生成三維空間內(nèi)的二維DEM表面。DEM表面上的任意一點（tx，ty，tz），存在下述關(guān)系，如公式（5）所示。

按照上述內(nèi)容完成DEM迭代運算，直至1組距離的剩余值降至預(yù)定的某個閾值以下，或者已達到最大值。

4 林木特征數(shù)字高程模型歸一化與林木特征分布圖生成

機載激光雷達直接記錄了地面目標的3D信息，激光雷達的探測波束能夠穿透或部分穿透目標，在最終回波中有豐富的地面信息。本項目以研究區(qū)的一次回波數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，采用插值法構(gòu)建DEM，并對已分類的地表激光點（ASCII文件格式）進行插值生成，形成 DEM。

將森林特性DEM與數(shù)字地表高程模型（DSM）進行高度差分后，再通過DEM與DSM的高差處理，最終獲得高精度的地物形態(tài)信息。在不同尺度上將數(shù)據(jù)進行對比，并進行歸一化處理，將林木特征和地形信息映射至同樣的數(shù)值范圍，例如將它們縮放到0～1。目前，利用DEM與DSM獲取數(shù)字影像學(xué)數(shù)據(jù)，其準確度決定了歸一化數(shù)字地表高程模型（nDSM）的準確度。

在林區(qū)，nDSM與冠層高度模型是等價的。由于部分激光光斑可能來自冠層下部灌木等低矮植被，部分激光光斑對樹高反演產(chǎn)生影響，因此，需要剔除一些高程偏高或偏低的測點。在此基礎(chǔ)上，針對研究區(qū)內(nèi)的樹高分布特點，將﹤1.5 m、＞35 m的點剔除，獲得只含有植被高度數(shù)據(jù)的點云文件，并將其進行差分，從而獲得對應(yīng)的植被高度分布圖。

5 結(jié)語

機載激光雷達和數(shù)碼相機是森林調(diào)查和監(jiān)測中的重要技術(shù)工具。這兩者結(jié)合使用，可以有效地提取林木特征，對森林管理和保護具有重要意義。通過本研究，明確了林木特征提取是一項具有重要意義和應(yīng)用前景的技術(shù)。該技術(shù)的出現(xiàn)改變了傳統(tǒng)森林調(diào)查方法的局限性，解決了效率低的問題，實現(xiàn)了快速、準確和大范圍的森林資源監(jiān)測。

本研究具有以下4個優(yōu)點。1）精度高。機載激光雷達可以獲取高精度的地形數(shù)據(jù)，數(shù)碼相機可以拍攝高分辨率的圖像，通過數(shù)據(jù)處理和分析，可以得到更準確的林木特征信息。2）適用范圍廣。該技術(shù)可以應(yīng)用于不同類型的森林，包括針葉林、闊葉林和混交林等，也可以應(yīng)用于不同的地理條件和氣候區(qū)域。3）實時性強。通過機載激光雷達和數(shù)碼相機獲取的數(shù)據(jù)，可以實時監(jiān)測和分析數(shù)據(jù)，為森林管理和保護提供及時、可靠的信息。4）成本效益高。與傳統(tǒng)的森林調(diào)查方法相比，基于機載激光雷達和數(shù)碼相機的林木特征提取技術(shù)具有更高的成本效益，可以大幅降低調(diào)查成本。

在未來的研究中，可以進一步探索該技術(shù)在不同森林類型、不同地理條件下的適用性和優(yōu)化方法，提高該技術(shù)的可靠性和精度。同時，還可以將該技術(shù)與現(xiàn)代信息技術(shù)、大數(shù)據(jù)分析等相結(jié)合，使森林管理更智能化、自動化。