機(jī)載lidar數(shù)據(jù)的城區(qū)樹(shù)木點(diǎn)提取方法

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1、第３９卷第３期測(cè)繪科學(xué)Ｖｏｌ．３９Ｎｏ．３２０１４年０３月ＳｃｉｅｎｃｅｏｆＳｕｒｖｅｙｉｎｇａｎｄＭａｐｐｉｎｇＭａｒ．機(jī)載ＬｉＤＡＲ數(shù)據(jù)的城區(qū)樹(shù)木點(diǎn)提取方法程曉光，黃先鋒，張帆（武漢大學(xué)測(cè)繪遙感信息工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢４３００７９）摘要：在城區(qū)的機(jī)載ＬｉＤＡＲ點(diǎn)云中一般存在大量打在樹(shù)木上的點(diǎn)，從點(diǎn)云中提取的樹(shù)木點(diǎn)可以應(yīng)用于城區(qū)綠化面積和樹(shù)木參數(shù)的估計(jì)，以及樹(shù)木的建模。針對(duì)城區(qū)環(huán)境，本文在綜合分析樹(shù)木點(diǎn)和其他地物空間分布模式的基礎(chǔ)上，提出了一種只利用點(diǎn)云的幾何性質(zhì)，結(jié)合點(diǎn)云空間分布模式來(lái)提取樹(shù)木點(diǎn)的方法。實(shí)驗(yàn)表明，該方法可以取得很高的分類精度，卡帕系數(shù)為０．９７１３。關(guān)鍵詞：機(jī)載Ｌ

2、ｉＤＡＲ；點(diǎn)云分類；樹(shù)木；空間分布模式【中圖分類號(hào)】ＴＰ７５【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】Ａ【文章編號(hào)】１００９－２３０７（２０１４）０３－００５２－０５穿透樹(shù)冠，只能產(chǎn)生一次回波。此外在建筑物，１引言路燈，花壇等的邊緣以及農(nóng)田等也會(huì)存在多次回城市是人類最重要的活動(dòng)場(chǎng)所，而樹(shù)木是城波。因此，只利用多次回波并不能完全有效地提區(qū)環(huán)境的重要組成部分。機(jī)載ＬｉＤＡＲ是目前發(fā)展取出樹(shù)木點(diǎn)。一些學(xué)者結(jié)合多光譜影像或城區(qū)規(guī)［２，９－１３］最為迅速的測(cè)量和遙感手段之一，在它的點(diǎn)云中劃圖輔助從機(jī)載ＬｉＤＡＲ點(diǎn)云中提取植被點(diǎn)。存在大量位于樹(shù)木不同深度上的點(diǎn)，被認(rèn)為是樹(shù)但是這些輔助數(shù)據(jù)并不總是可用，而且計(jì)算和利木信息提取最有

3、前景的工具之一。從點(diǎn)云中提取用影像特征會(huì)使得分類復(fù)雜度大為增加。張齊勇出的樹(shù)木點(diǎn)可以用于城區(qū)綠地面積的估計(jì)，樹(shù)木等利用減去地面的ＤＳＭ（ｎＤＳＭ），采用高程閾值，［１４］的三維建模，以及樹(shù)高，胸徑，樹(shù)冠體積等樹(shù)木梯度閾值分割和區(qū)域增長(zhǎng)提取樹(shù)木點(diǎn)。實(shí)驗(yàn)表明參數(shù)的估計(jì)，進(jìn)而估計(jì)出城區(qū)的生物量?jī)?chǔ)量。提取率和正確率較高。這個(gè)方法的主要問(wèn)題是在計(jì)城區(qū)地物類型比農(nóng)村或者森林地區(qū)豐富的多，算梯度的時(shí)候，利用到了曲面擬合對(duì)鄰近的８?jìng)€(gè)點(diǎn)這極大地增加了點(diǎn)云分類的難度。目前，城區(qū)機(jī)構(gòu)建二次曲面，進(jìn)而求導(dǎo)數(shù)和梯度，復(fù)雜度高。載ＬｉＤＡＲ點(diǎn)云分類主要關(guān)注地面點(diǎn)和建筑物點(diǎn)的與其他技術(shù)相比，機(jī)載ＬｉＤＡＲ的優(yōu)點(diǎn)在于不

4、［１－３］提取。單獨(dú)針對(duì)樹(shù)木點(diǎn)提取的研究還比較少，僅可以通過(guò)點(diǎn)云反映大的地物的外部空間形狀，一般是將一些不滿足建筑物點(diǎn)條件的非地面點(diǎn)分而且借助ＬｉＤＡＲ的多回波探測(cè)技術(shù)，還可以探測(cè)［４－５］類為樹(shù)木點(diǎn)，這樣做會(huì)將一些非建筑物點(diǎn)也非樹(shù)木等可穿透地物的垂直結(jié)構(gòu)。在機(jī)載點(diǎn)云中，樹(shù)木點(diǎn)的非地面點(diǎn)分為樹(shù)木點(diǎn)。有人采用多次回打在樹(shù)上的點(diǎn)，絕大部分位于樹(shù)冠上，位于樹(shù)干上波來(lái)區(qū)分樹(shù)木點(diǎn)和非樹(shù)木點(diǎn)，其基本假設(shè)是在樹(shù)的點(diǎn)很少。因而一般只能依據(jù)樹(shù)冠的特征來(lái)識(shí)別樹(shù)。木上存在多次回波，而其他地物一般只有一次回因此本文所指的樹(shù)木是喬木，樹(shù)［６－７］波。但是早期的機(jī)載ＬｉＤＡＲ硬件只記錄一次回木點(diǎn)指的是位于喬木樹(shù)冠上

5、的點(diǎn)。［８］波，而且某些數(shù)據(jù)格式不包含第幾次回波的信位于樹(shù)冠上的點(diǎn)表達(dá)的樹(shù)冠的特息。在樹(shù)冠郁閉度很高的情況下，激光脈沖難以定形狀以及樹(shù)冠內(nèi)部點(diǎn)的分布，是樹(shù)最重要的特征，與其他地物有著明顯區(qū)別，這使得把樹(shù)木點(diǎn)作者簡(jiǎn)介：程曉光（１９８５），男，山東和其他點(diǎn)區(qū)分開(kāi)來(lái)成為可能。寧陽(yáng)人，博士生，目前從事ＬｉＤＡＲ和極化ＳＡＲ的研究。本文提出了一種完全基于點(diǎn)Ｅ－ｍａｉｌ：ｃｈｅｎｇｘｉａｏｇｕａｎｇ９８５＠１６３．ｃｏｍ云幾何信息的方法，利用拉普拉斯算子求出ＤＳＭ在兩個(gè)方向上收稿日期：２０１２－５－１６的二階導(dǎo)數(shù)和，排除屋頂為平面基金項(xiàng)目：９７３項(xiàng)目（２０１１ＣＢ７０７００１）；的建筑物和線狀地物，

6、再根據(jù)小自然基金項(xiàng)目（４１００１３０８，４１０７１２９１）；區(qū)域內(nèi)部點(diǎn)云的垂直分布模式，圖１算法流程圖測(cè)繪遙感信息工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室專項(xiàng)科研經(jīng)費(fèi)第３期程曉光等機(jī)載ＬｉＤＡＲ數(shù)據(jù)的城區(qū)樹(shù)木點(diǎn)提取方法５３排除可能的建筑物點(diǎn)，路燈點(diǎn)等，來(lái)提取樹(shù)木點(diǎn)。圖１為整個(gè)算法的流程圖。２樹(shù)木點(diǎn)空間分布模式分析２．１粗的樹(shù)木點(diǎn)的提取樹(shù)木主要指喬木，對(duì)于喬木來(lái)說(shuō)，一個(gè)基本的空間分布特征是樹(shù)冠基高足夠高。根據(jù)Ｈｏｆｆ－ｍａｎ實(shí)地采集的數(shù)據(jù)，平均樹(shù)冠基高是４．２ｍ，最圖２不同地物的空間分布模式［１５］。在野外林業(yè)調(diào)查中，胸徑的定義（ａ單棵針葉樹(shù)在點(diǎn)云中的垂直剖面圖，ｂ單棵闊葉樹(shù)在點(diǎn)云中的小值是１．９ｍ垂直剖面圖，

7、ｃ大片樹(shù)林在點(diǎn)云中的垂直剖面圖，［１６］高度是１．３ｍ左右，因此本文提取高于地面ｄ常見(jiàn)建筑物在點(diǎn)云中的垂直剖面圖，１．４ｍ以上的點(diǎn)作為粗的樹(shù)木點(diǎn)。在城區(qū)中，除樹(shù)ｅ單棵樹(shù)點(diǎn)云的平面分布，ｆ線狀地物上點(diǎn)的平面分布）木點(diǎn)外，上面提取的粗的樹(shù)木點(diǎn)中還包括位于建筑物，電線，路燈，柵欄等上面的點(diǎn)等，為此應(yīng)３ａ）往往在垂直方向上存在明顯的分層，該再?gòu)闹信懦菢?shù)木點(diǎn)。這可能是由存在多２．２建筑物與樹(shù)木空間分布的區(qū)別個(gè)不同高度的屋頂區(qū)分建筑物點(diǎn)和樹(shù)木