基于高分辨率卫星影像的CV模型单木定位法

【目的】基于遥感影像自动获取单木位置信息,进而建立单木数据库,实施单木集约化管理,以实现精准林业特别是对城市树木的集约管理。【方法】针对传统方法在树冠重叠区域易出现误判和漏判问题,提出基于CV模型的单木定位技术。首先结合树冠形态学特征自动提取初始轮廓;其次基于CV模型对初始轮廓线进行迭代,进而获取单木树冠轮廓;最终提取单木位置信息。为了检验该单木定位方法的效果,选择了7张不同类型(针叶林、阔叶林、经济林等林分和非林分)的高分辨率卫星影像,进行基于CV模型的单木定位方法与传统单木定位方法的对比分析。【结果】基于高分辨率卫星影像的CV模型单木定位法可基于图像全局信息,利用曲线内外的灰度均值而不是梯度信息进行分割,能够在边界模糊或梯度无意义的图像中取得较好的分割效果,快速准确地收敛到目标位置。与梯度分水岭法、标记分水岭法及局部最大值法等传统方法相比, CV模型单木定位法具有更高的匹配率,平均匹配率提高近23%。【结论】该单木定位法可以更好地处理树冠的连接、重叠状况,具有更好的定位效果,表现出良好的应用潜力。     

数字化测绘技术在私家园林中的应用研究

【目的】总结私家园林所适用的高效数字化测量方法和结果表达方式,为私家园林的传承研究和遗产保护提供参考。【方法】分析私家园林的特点、测绘内容和任务,对私家园林可运用的主要测量技术和结果表达方式进行比较,并以苏州遂园为例,通过地面三维激光扫描和无人机近景摄影测量技术,分别对测量对象进行地面和空中的扫描及拍摄,然后利用软件Cyclone对地面三维激光扫描所获点云数据进行拼接、去噪、纹理映射和剖切等处理,利用软件Pix4DMapper对无人机近景摄影所获影像进行拼接、点云加密和建模等处理,最后利用多款绘图软件对点云切片进行测绘图的实景化绘制和处理。【结果】提出私家园林适用的测绘方法和结果表达方式的具体类型、效果、特点及其制作方法,获得苏州遂园园内要素的三维点云模型、园林和建筑的平面和剖面等二维线画图、园林上部空间及周围环境的影像图和三维实景模型。【结论】目前私家园林较适用的测量方法主要包括三维激光扫描测量和近景摄影测量,具体测绘方法和表达方式的选择需综合考虑测绘要求和效果、工作效率及成本等因素,但地面三维激光扫描和无人机近景摄影测量的配合使用是一种获得园林空间和要素以进一步研究所需信息的高效测绘方法。     

无人机遥感估算绿化园林三维绿量——以福州大学旗山校区为例

针对传统的三维绿量估算方法存在耗时费力的缺点,提出利用可见光无人机影像快速估算绿化树木三维量的方法.首先获取高于10cm分辨率的无人机可见光遥感影像;其次结合可见光波段的光谱特征与无人机数据点云的高程特征获得研究区的冠层高度模型;再次通过局部最大值算法与标记控制分水岭算法提取单木树高、株数以及冠径参数,通过野外实测数据构建“树高-冠高”关系模型得到冠高;最后结合树种分布情况,按照不同的树冠形状构建三维绿量估算模型.     

基于增强Frost局部滤波及单木距离图重构标记的CHM树冠分割

【目的】利用增强Frost局部滤波和单木距离图重构标记技术对冠层高度模型(CHM)进行分割，以提高无人机激光雷达在单木树冠分割的精度和效率。【方法】选取江西分宜山下实验林场阔叶混交林、针叶混交林和针阔混交林3个不同类型的林分为研究对象，以无人机激光雷达数据为数据源，构建CHM。针对高分辨率CHM树冠区域孔隙较多的问题，利用增强Frost局部滤波处理优化CHM,优化结果与不同滤波方法进行了比较分析；然后应用距离图重构标记分割技术对增强Frost局部滤波优化后的0.1、0.2、0.5及1.0 m分辨率的CHM进行分割与分析；最后确定最佳分辨率的CHM,并其将分割结果与同等分辨率下分水岭算法以及点云分割均值偏移算法结果进行比较。【结果】采用增强Frost局部滤波处理的CHM优化效果显著，在有效抑制树冠噪音的同时，也能较好地保留图像细节信息。0.2 m分辨率的CHM分割效果最佳。距离图重构标记分割方法分割针叶混交林、针阔混交林、阔叶混交林3种不同林分类型的分割精度(OA)分别为0.96、0.84、0.75;根据树冠分割结果计算单木冠幅，冠幅估测的决定系数R²分别为0.83...     

基于TLS的红松树冠半径提取及其外轮廓模型构建

【目的】探究基于地基激光雷达(Terrestrial Laser Scanning, TLS)点云数据提取人工林中红松不同树冠深度处最大树冠半径(crown radius,R_C)的精度,建立基于TLS点云数据的树冠外轮廓模型,为基于TLS点云数据研究树冠结构奠定实践基础。【方法】以30株人工林红松解析木的TLS的点云数据以及实测枝条因子为数据源,采用点云分层投影法提取不同树冠深度处的最大树冠半径,并与根据30株解析木各轮最大枝条计算出的半径对比进行精度分析。最后,基于TLS所提取的树冠半径进行红松树冠外轮廓模型的构建。【结果】最大树冠半径总提取精度为86.17%,不同树冠深度处提取精度存在差异,提取效果最好的相对冠深范围为0.15～1.00,精度均在90%左右;提取效果最差的相对冠深范围为0～0.15,精度为60.27%～75.79%。3种常用的树冠外轮廓模型(单分子式、二次抛物线、3参数Weibull方程)均具有较好的拟合效果。3参数Weibull方程为最优模型,对最优模型再参数化后引入的变量为胸径(DBH)和高径比(HD),拟合效果明显提高。【结论】基于TLS...     

基于无人机遥感的绿化园林三维绿量估算与分析——以福州大学校区为例

三维绿量能够从立体空间上描述城市绿地的空间分布和定量评价城市绿化的环境效益。本文以福州大学为研究区，探讨了利用可见光无人机影像估算绿化树木三维绿量的方法，并对校园生态效益进行定量分析。首先获取高于10cm分辨率的无人机可见光遥感影像；其次结合可见光波段的光谱特征与无人机数据点云的高程特征获得研究区的冠层高度模型；然后通过局部最大值算法与标记控制分水岭算法提取单木树高、株数以及冠径参数，通过野外实测数据构建“树高-冠高”关系模型得到冠高；最后结合树种分布情况，按照不同的树冠形状构建三维绿量估算模型，并基于三维绿量估算校园不同树种的生态效益。结果表明：研究区内三维绿量总量达到了804405m3，其中休闲区的三维绿量总量为428566m3，占总绿量的53.3%，而科技园区的三维绿量总量为26568m3，仅占总绿量的3.3%；而常见树种中，三维绿量贡献最大的为榕树，达到404405m3，占三维绿量总量的50.3%，而丹桂贡献的三维绿量仅为509m3，占总绿量的0.063%。研究认为：基于无人机遥感数据，能够较好的估算出研究区内绿化树木的三维绿量。     

基于无人机LiDAR的单木生物量估测

单木生物量是遥感反演大尺度森林生物量的基础,为提高森林单木生物量估测精度和效率,利用无人机LiDAR点云精确估算桉树、马尾松的单木生物量。首先通过优化算法,提取树高和冠幅,然后采用改进的凸包算法计算树冠面积与体积,把单木结构参数引入CAR模型,构建单木生物量估测模型,并与线性模型进行比较。结果表明：（1）桉树样地树高、冠幅相关性系数R2分别为0.92、0.72;马尾松样地相关性系数R2分别为0.94、0.78,算法提取的树木参数与实测数据相关性较好。（2）改进的CAR模型的精度优于线性模型,桉树和马尾松样地R2分别为0.821、0.830,RMSE分别为17.731、19.149 kg/株。（3）CAR模型引入冠幅面积、体积等树冠因子的生物量模型拟合度更好、精度更高,其中桉树、马尾松样地R2提高了0.102、0.115,RMSE下降了4.484、5.683 kg/株。利用无人机LiDAR数据提取单木结构参数进行生物量估测可取得很好拟合优度和精度。     

基于逆向工程技术的不规则几何体体积测量方法研究

利用逆向工程技术(逆向工程软件与三维激光扫描设备相结合)对不规则的棱纹形几何结构体进行了三维激光扫描,得到了不规则体的三维点云数据.在此基础上,利用CATIA软件对该结构体进行了三维实体建模,并测得了棱纹形不规则实体的体积值.为了进一步验证该方法的可行性和测量精确度,利用相同的方法测量并得到了球缺体的体积.利用球缺体的...     

基于点云数据的株冠体积测量方法

 在林业领域,利用地面三维激光扫描(Terrestrial 3D Laser Scanning,TLS)技术可获取测树因子,以辅助林业资源调查,但该技术尚未用于测量灌木植物的体积。在介绍TLS系统组成、工作原理的基础上,基于紫穗槐的点云数据,测量29株两年生紫穗槐苗的冠高、冠幅直径,采用整体凸包算法、切片凸包算法、切片分割算法和立体栅格算法计算紫穗槐的株冠体积,并对株冠体积与冠高、冠幅直径进行相关性分析,从而选择适合测量灌木植物体积的方法。结果表明,立体栅格算法是计算与紫穗槐有相同结构特征植物株冠体积的最好方法,利用TLS技术可监测野外灌木生长状况。     

三维激光扫描仪油膜粗糙度检测

【目的】观测水面油膜粗糙度,以进一步研究水面油膜对后向散射的影响,提高微波监测水面溢油的精度。【方法】采用三维激光扫描仪观测激光垂直扫描油面获得测距数据,多次测量求平均值后再求其均方根误差以实现对油膜粗糙度的观测。【结果】随着含水率的增加,原油张力和粘度逐渐增大,当温度为20~33℃时,其乳化饱和含水率不大于21%,在理想状态下的原油乳化制备过程中,油膜粗糙度与含水率基本呈余弦关系。三维激光扫描仪可在0~6m/s风速下观测油膜厚度0.005mm的油面粗糙度。【结论】采用三维激光扫描仪观测油膜粗糙度是可行的。     

基于非参数分类算法和多源遥感数据的单木树种分类

【目的】通过研究随机森林(random forest, RF)特征筛选对单木树种分类精度的影响,以及多源遥感数据协同下单木树种分类的有效性,分析不同特征对单木树种分类的影响程度。【方法】以东北林业大学帽儿山实验林场中林施业区的两块100 m×100 m样地为研究对象,首先,以机载激光雷达(LiDAR,light detection and ranging)和多光谱遥感CCD(charge coupled device)影像为数据源,分别基于机载LiDAR数据提取高度、强度和树冠大小等共37个特征,基于CCD影像提取光谱和纹理共21个特征;其次,以随机森林方法进行特征筛选,之后以随机森林和支持向量机(support vector machine, SVM)两种非参数分类器,结合不同数据源和特征,采用12种分类方案,利用总体精度(overall accuracy, OA)、用户精度(user’s accuracy, UA)和生产者精度(producer’s accuracy, PA)对分类结果进行对比与精度评价。【结果】经随机森林特征筛选后,分类结果优于未进行特征筛选的结果,总体精度可以平均提高3.47%,使用机载LiDAR和CCD影像协同分类相较于仅使用CCD影像总体精度平均提高6.07%。【结论】随机森林特征筛选可以优化特征,减少特征冗余,提高分类精度;多源数据结合也可以提高分类精度;在多源数据结合时,光谱特征最重要,LiDAR提取的强度特征相较于高度特征更稳定。     

基于点云的草甸型弯曲河岸的冲刷变形研究

为研究黄河源区草甸型弯曲河流的崩岸机制,采用原位冲刷方法,以青海省黄南州河南县兰木错曲为研究对象进行草甸型弯曲河岸原位冲刷实验,使用徕卡MS50三维激光扫描全站仪进行扫描,利用Geomagic软件对扫描获取的点云数据进行处理,得到草甸型弯曲河岸原位冲刷之后准确的变形量,与传统钢尺量测冲刷变形量的方法相比,提高了测量精度和密度,对合理研究草甸型弯曲河流的崩岸机制具有一定的现实意义。     

黑龙江省红松和长白落叶松人工林树冠外部轮廓模拟

【目的】红松和长白落叶松是黑龙江省主要的造林树种,构建两个针叶树树冠外部轮廓预估模型,为进一步科学合理地经营人工林提供参考。【方法】采用黑龙江省红松和长白落叶松人工林中各50株解析木的枝条解析数据,以分段抛物线方程、修正Kozak和Weibull方程为基础模型,构建以样木为单一水平树冠外部轮廓的非线性混合效应模型,并对两树种的树冠轮廓进行比较。【结果】两树种树冠外部轮廓的分段抛物线预估模型包含的变量均为D_BH(胸径)、C_L(冠长)、C_R(冠长率)、H_D(高径比),修正Kozak和Weibull预估模型包含的变量为D_BH、C_R、H_D。加入混合效应后,各模型的拟合效果较基础模型均有所提高。修正Weibull方程对红松和长白落叶松的拟合效果最好,但与分段抛物线和Kozak方程之间的差别不是很大。对于红松,分段抛物线方程预估的树冠半径在靠近树冠基部要低于修正的Kozak方程和修正的Weibull方程; 对于长白落叶松,各模型之间的拟合效果差别较小。【结论】分段抛物线方程、修正Kozak和Weibull方程均能够对黑龙江省红松和长白落叶松人工林树冠外部轮廓进行比较准确的模拟。修正Kozak方程和Weibull方程包含的树木变量较少,参数估计相对简单,容易通过积分计算树冠体积及表面积。     

一种基于三维体数据的医学图像融合新方法

传统的医学图像融合技术是基于严格配准基础上的二维影像融合,对于两个具有不同扫描和成像参数的影像具有极大的局限性.本文提出的基于三维体数据的医学图像融合技术以三维重建为基础,对重建后的三维体数据,经三维几何和观察变换,达到空间位置上的重合,然后对变换后的两个体数据直接进行融合.在此基础上,按照解剖学结构,设置任意的解剖面对融合体数据进行截取,可以得到任意剖面的二维融合结果.三维融合技术不仅可以解决二维融合技术多模图像间分辨率不同的问题,而且可以避免二维融合技术中多模图像间配准误差的问题.研究证明,使用该方法不仅融合的结果更加准确有效,而且无需配准,适用于任意的医学成像设备的影像融合.     

基于森林资源清查数据的江西省主要森林类型净生产力研究

【目的】基于江西省2011年和2016年的森林资源清查数据,分别估算不同森林类型的净生产力,为森林资源科学经营提供依据。【方法】以江西省2011年和2016年两期森林资源清查数据为样本,采用生物量回归模型法,在样木水平上计算单木生物量、累计样地水平生物量并扩大到总体水平,测算乔木层生物量的生长量和枯损量,结合乔木层生物量结果估测灌木层和草本层,并估算不同森林类型的净生产力。【结果】综合考虑森林乔木层生长与枯损、林下灌木层、草本层生物量,基于复位样木,由单木生物量模型得到样地生物量,进而计算江西省主要森林类型的净生产力,得出阔叶混交林的净生产力最高,针阔混交林次之,而针叶林和阔叶纯林的净生产力较低。2011—2016年,江西省森林平均净生产力为7.28 t/(hm²·a),阔叶混交林净生产力最高为11.26 t/(hm²·a)。【结论】在国家标准框架下的森林净生产力估算模式,可为更大范围内、统一标准下客观准确评估森林净生产力提供参考。     

赣中天然闽楠单木冠幅预测模型的研究

【目的】探讨竞争指标和建模方法对天然闽楠(Phoebe bournei)单木冠幅预测模型的影响,以期为精准预测天然闽楠单木的冠幅提供参考。【方法】以江西省赣中25块闽楠天然次生林典型样地中的1 011株闽楠为研究对象,采用普通最小二乘法(OLS模型)、仅考虑样地水平的混合效应模型、增强回归树和随机森林4种建模方法建立单木冠幅模型,分别添加林分每公顷断面积、大于对象木的断面积之和、林分密度指数和简单竞争指数4种竞争指标,分析竞争指标对冠幅模型的影响,采用决定系数(R²)、均方根误差(RMSE)、平均相对误差绝对值(RMA)和平均绝对误差(MAE)确定最佳模型。【结果】不添加竞争指标时,模型的预测能力表现为:混合效应模型>OLS模型>增强回归树>随机森林;添加竞争指标时,最优模型表现为:混合效应模型>OLS模型>随机森林>增强回归树。OLS模型中添加大于对象木的断面积之和竞争指标时预测能力最佳;增强回归树中添加固定半径为7 m的简单竞争指数时预测能力最佳;随机森林中添加林分每公顷断面积竞争指标时预测能力最佳;混合效应模型不添加竞争指标时预测能力最佳(RMSE为0.846 0,RMA为0.211 1,MAE为0.650 1),并且都优于其他模型。【结论】研究结果可对天然闽楠单木冠幅生长进行精准预测,并为提高闽楠天然次生林的林分质量提供理论依据。     

无人机摄影测量提取黄土高原切沟参数精度分析

选取陕北黄土丘陵沟壑区桥沟小流域为研究区,分别用同时相的地面三维激光扫描数据和固定翼无人机摄影测量数据提取切沟形态参数,分析无人机摄影测量提取切沟参数的误差及其原因．结果表明:1）无人机摄影测量与三维激光测量比较,提取切沟面积、周长和沟长二维形态参数的百分误差<10%;2）与三维激光扫描测得切沟横截面积、平均沟深和体积三维形态参数相比较,无人机摄影测量误差<20%,沟壁陡峭、植被覆盖度较高的大型切沟测量参数误差较大,而沟壁坡度相对较小、植被相对稀疏的小型切沟测量参数误差较小;3）固定翼无人机垂直摄影采集数据的方式会导致切沟沟壁细节数据缺失,从而降低切沟参数提取精度．基于无人机摄影测量生成的DSM无法有效过滤植被影响,在一定程度上影响切沟参数的提取精度．与三维激光测量相比,无人机摄影测量切沟地貌参数的精度略低,在切沟短期动态变化监测方面还存在一定的局限性．      

三维激光扫描技术在开平碉楼保护中的应用研究

近年来,具有扫描速度快、精度高等优点的三维激光扫描技术为空间三维信息的获取提供了强有力的技术手段.文章通过研究三维激光扫描技术在世界文化遗产——开平碉楼的应用,对从点云数据获取、预处理到如何快速准确建模的完整流程进行了详细的分析并优化了技术路线,以及针对此项新技术与传统测量技术的优劣进行探讨.研究结果表明,三维激光扫描技术对古建筑的量测具有重要意义,可为广东省的古建筑修缮保护与展示提供强有力的数据支撑与技术支持,并达到真实比例的虚拟仿真三维效果.     

基于三维激光扫描全站仪的矿山开采沉陷监测方法

为了快速准确地获取矿山地表沉陷变形数据,在分析主流监测方法的基础上,提出基于MS50三维激光扫描全站仪的矿山开采沉陷变形监测方法。选取青海省西海煤炭公司海塔尔矿为研究区,通过实验分析对MS50最佳扫描距离进行研究,推算自由设站法点位精度,介绍施测方法和点云数据处理方法,构建研究区地面三维模型和数据对比分析模型,并将三维模型数据与水准测量数据进行对比分析。结果表明:200 m内MS50扫描精度优于10 mm,范围越大精度越低;推算出自由设站点位中误差为1. 271 mm,能够满足矿山开采沉陷控制点位精度要求;三维激光模型数据能够反映出矿区沉陷变形情况,可以替代水准测量数据进行矿山开采沉陷监测工作。MS50自由设站三维激光扫描法相比传统方法可宏观、快速、准确的描述矿区地表移动变形真实状态,相比普通扫描仪具有设站灵活、扫描精度高、无须坐标转换、减少点云拼接误差等优点,是值得在矿山开采沉陷地表移动监测领域中进一步推广的方法。     

建筑物重建中的三维激光扫描精度分析

针对三维激光扫描技术在建筑物重建中数据采集、处理方面存在的误差,从三维激光扫描仪测站定向误差、仪器扫描误差、数据拼接误差进行分析,并构建了点位误差模型,为三维激光扫描技术在建筑物的重建中测量成果的精度评定及测量方案的优化设计提供了理论基础.最后以脉冲式三维激光扫描仪为例对建筑物重建进行精度分析.