地面激光雷达提取森林单木结构参数研究

地面激光雷达是近年来迅速发展的一种新型三维扫描技术，能快速获取林木的结构参数。然而，如何利用地面激光雷达数据重建森林树冠形态和测量森林单木结构参数的研究却很少。本课题根据地面激光雷达的特点，研究多站数据获取与配准的策略，数据获取采用水平和垂直两次扫描，提出基于树干中心点为特征点的数据配准方法，结合最近邻点迭代算法进行特征点自动选择与多站数据的精确配准研究，用以解决复杂森林环境下大场景数据获取与配准的问题。根据树干的点云分布特征，利用体素（Voxel）存储激光点云，采用分层直方图（Slice Histogram）进行单株树识别与位置检测研究和树高提取研究，采用圆拟合的方法进行单木胸径提取研究，利用单木冠层点云数据的空间分布进行植被面积指数（PAI）提取研究。探索从地面激光雷达数据中自动获取森林单木结构参数的方法，为我国独立开发地面激光雷达数据处理技术及高精度森林单木结构参数提取打下基础。

利用地面激光雷达获取森林单木结构信息，是目前研究的热点之一。以美国、澳大利亚为代表的科学家正在开展针对植被应用的地面激光雷达仪器研制、数据获取及信息自动提取技术研究。本项目旨在利用商业的地面激光雷达发展森林单木结构参数数据获取和自动提取技术，突破地面激光雷达应用于森林环境的多站数据自动配准、结构参数自动获取等关键技术难点。项目实施以来，共开展国内外地面激光雷达试验4次，收集不同类型的森林地面激光雷达扫描数据近50GB。提出了一套地面激光雷达森林数据获取和自动配准的方法，在扫描数据的重叠区域，提出利用单株树空间位置不变的特性寻找特征点对，发展多站数据的自动配准算法。提出利用三维体素直方图(3D Voxel histrogram)的方法进行单株树识别，能有效识别实验区内所有单株树。提出基于Hough变换的圆拟合方法提取胸径，平均偏差2.18cm，均方根误差(RMSE)为3.4cm。综合地面激光雷达自动配准算法、单木分割、胸径及树高自动提取和DEM滤波等算法，完成了“基于地面激光雷达的单木参数自动提取系统V1.0”软件。并开展了将地面激光雷达成功于我国古树稳定性评价的研究。