机载激光雷达平均树高提取研究(I).pdf

1、第 12卷 第 1期2008年 1月遥 感 学 报JOURNAL OF REMOTE SENSINGVol. 12, No. 1Jan. , 2008收 稿 日 期 : 2006209227;修 订 日 期 : 2007202207作 者 简 介 :庞 勇 (1976 ) ,男 , 2000年 获 中 国 林 科 院 资 源 信 息 所 森 林 经 理 专 业 硕 士 学 位 , 2006年 获 中 国 科 学 院 遥 感 应 用 研 究 所 地 图 学与 地 理 信 息 系 统 专 业 博 士 学 位 ,现 在 资 源 信 息 所 遥 感 室 工 作 。 主 要 从 事 合 成 孔 径 雷

2、达 和 激 光 雷 达 对 地 观 测 机 理 和 森 林 参 数 定 量 反 演 等 方 面 的研 究 。 E2mail: caf. pang gmail. com。文 章 编 号 : 100724619 (2008) 0120152207机 载 激 光 雷 达 平 均 树 高 提 取 研 究庞 勇 , 赵 峰 , 李 增 元 , 周 淑 芳 , 邓 广 , 刘 清 旺 , 陈 尔 学(中 国 林 业 科 学 研 究 院 资 源 信 息 研 究 所 遥 感 室 , 北 京 100091)摘 要 : 为 了 研 究 机 载 激 光 雷 达 (L iDAR)树 高 提 取 技 术 ,以 山 东

3、省 泰 安 市 徂 徕 山 林 场 为 实 验 区 ,于 2005年 5月 进行 了 机 载 L iDAR数 据 获 取 和 外 业 测 量 。 通 过 对 L iDAR点 云 数 据 的 分 类 处 理 ,分 别 得 到 了 试 验 区 的 地 面 点 云 子 集 、植 被 点 云 子 集 和 高 程 归 一 化 的 植 被 点 云 子 集 。 基 于 高 程 归 一 化 的 植 被 点 云 子 集 计 算 了 上 四 分 位 数 处 的 高 度 ,与 实地 测 量 的 数 据 进 行 了 比 较 ,并 结 合 中 国 森 林 调 查 规 程 进 行 了 实 用 性 分 析 。 结 果 表

4、明 :对 于 较 低 密 度 的 点 云 数 据 ,使用 分 位 数 法 可 以 较 好 地 进 行 林 分 平 均 高 的 估 计 ;机 载 激 光 雷 达 技 术 对 树 高 估 计 是 可 行 的 ,精 度 都 高 于 87% ,总 体 平均 精 度 为 90. 59% ,其 中 阔 叶 树 的 精 度 高 于 针 叶 树 。 该 试 验 精 度 可 以 满 足 中 国 二 类 森 林 调 查 规 程 中 平 均 树 高 因 子的 一 般 商 品 林 和 生 态 公 益 林 的 精 度 要 求 ,对 国 有 商 品 林 小 班 的 调 查 精 度 要 求 (5% )存 在 一 点 差 距

5、 ,需 要 在 国 有 商 品林 区 进 一 步 开 展 验 证 工 作 。 对 本 试 验 区 而 言 ,已 经 可 以 满 足 其 作 为 森 林 公 园 生 态 公 益 林 的 调 查 要 求 。关 键 词 : L iDAR; 点 云 数 据 ; 上 四 分 位 数 ; 树 高中 图 分 类 号 : TP79 /S7 文 献 标 识 码 : A1 引 言中 国 林 业 的 一 类 、 二 类 森 林 资 源 清 查 ,在 传 统 的调 查 和 处 理 方 法 的 基 础 上 ,不 断 改 革 ,科 技 含 量 不 断增 加 ,使 中 国 的 森 林 资 源 监 测 水 平 得 到 了 前

6、 所 未 有的 发 展 。 但 林 木 高 度 信 息 的 获 取 一 直 未 能 获 得 突破 ,主 要 靠 人 工 获 取 ,大 大 限 制 了 遥 感 技 术 在 森 林 调查 中 的 应 用 ,也 降 低 了 遥 感 在 估 测 森 林 蓄 积 量 、 生 物量 、 森 林 结 构 等 方 面 的 精 度 ,从 而 使 得 遥 感 仅 能 获 得一 些 定 性 的 信 息 ,不 能 定 量 获 取 森 林 参 数 。 激 光 雷达 L iDAR (L ight Detection and Ranging)是 近 年 来 国际 上 发 展 十 分 迅 速 的 主 动 遥 感 技 术 ,在

7、 森 林 参 数 的定 量 测 量 和 反 演 上 取 得 了 成 功 的 应 用 。 激 光 雷 达 具有 与 被 动 光 学 遥 感 不 同 的 成 像 机 理 ,给 林 业 遥 感 带来 了 重 大 突 破 ,对 植 被 空 间 结 构 和 地 形 的 探 测 能 力很 强 ,特 别 是 对 森 林 高 度 的 探 测 能 力 ,具 有 其 他 遥 感数 据 无 法 比 拟 的 优 势 。近 20年 来 ,研 究 者 发 展 了 许 多 用 激 光 雷 达 数 据反 演 林 木 参 数 的 算 法 1 4 ,极 大 推 进 了 激 光 雷 达 在林 业 上 的 应 用 。 小 脚 印 的

8、 激 光 雷 达 系 统 已 经 成 功 地用 于 大 范 围 的 森 林 资 源 清 查 中 5 ,星 载 大 脚 印 激 光雷 达 已 经 在 轨 运 行 并 成 功 地 进 行 了 全 球 的 数 据获 取 6 。Nelson等 通 过 计 算 冠 顶 和 地 面 回 波 之 间 的 距 离计 算 了 树 高 ,精 度 达 90%以 上 1 。 马 里 兰 大 学 地 理系 Dubayah等 人 与 NASA2GSFC合 作 提 出 了 星 载 植被 激 光 雷 达 系 统 (VCL )计 划 ,该 计 划 的 机 载 实 验 系统 (LV IS)在 美 国 、 加 拿 大 、 澳 大

9、利 亚 等 多 个 国 家 进行 了 成 功 的 实 验 ,发 展 了 森 林 激 光 雷 达 回 波 波 形 处理 的 方 法 并 进 行 了 验 证 7, 8 。Lefsky等 人 对 多 种 先 进 的 遥 感 数 据 进 行 了 比 较研 究 ,包 括 多 时 相 的 Landsat TM 数 据 、 高 空 间 分 辨率 的 机 载 ADAR数 据 、 机 载 高 光 谱 AV IR IS数 据 和机 载 激 光 雷 达 SL ICER数 据 ,结 果 表 明 激 光 雷 达 数据 反 演 出 的 树 木 结 构 参 数 精 度 最 高 。 并 指 出 ,尽 管目 前 激 光 雷 达

10、 只 有 采 样 数 据 ,但 与 其 他 影 像 数 据 结合 使 用 将 大 大 提 高 林 业 遥 感 的 精 度 ,将 来 随 着 星 载激 光 雷 达 系 统 的 实 施 ,必 能 取 得 更 广 泛 的 应 用 9 。本 文 以 山 东 省 泰 安 市 徂 徕 山 林 场 为 实 验 区 ,于第 1期 庞 勇 等 :机 载 激 光 雷 达 平 均 树 高 提 取 研 究 153 2005年 5月 进 行 了 机 载 L iDAR数 据 获 取 和 外 业 测量 。 通 过 对 L iDAR点 云 数 据 的 处 理 ,基 于 高 程 归 一化 的 植 被 点 云 子 集 计 算 了

11、 局 地 最 大 值 、 上 四 分 位 处的 高 度 和 平 均 高 度 ,利 用 分 位 数 法 对 林 分 平 均 高 进行 了 反 演 。2 研 究 数 据 与 方 法2. 1 实 验 区 概 况试 验 区 选 在 山 东 省 泰 安 市 徂 徕 山 林 场 ,林 场 位于 鲁 中 泰 沂 山 区 ,东 经 117 16 117 20 ,北 纬 3602 36 07。 徂 徕 山 位 于 泰 沂 山 脉 南 侧 ,孤 立 于 平原 ,主 脉 东 西 走 向 ,主 峰 太 平 顶 海 拔 1028m。 徂 徕 山区 属 暖 温 带 大 陆 性 气 候 区 ,年 降 雨 量 约 718mm

12、 ,多集 中 在 夏 秋 之 间 。 山 区 大 部 属 普 通 棕 壤 ,有 少 部 分粗 骨 棕 壤 ,土 层 薄 ,质 地 粗 ,结 构 疏 松 ,层 次 发 育 不 明显 ,耐 湿 性 能 差 。林 场 现 有 森 林 多 为 人 工 林 ,少 数 为 天 然 次 生 林和 第 二 代 萌 芽 更 新 的 刺 槐 林 。 林 场 树 种 以 刺 槐 、 油松 /黑 松 为 主 ,其 次 为 侧 柏 、 落 叶 松 、 栎 类 、 毛 白 杨 、 黑杨 类 等 。 据 2000年 4月 进 行 的 徂 徕 山 林 场 森 林 经理 调 查 ,林 场 纯 林 多 ,混 交 林 少 ,林 龄

13、 集 中 。 林 分 大多 数 为 中 龄 林 、 近 熟 林 、 成 熟 林 ,约 占 林 分 总 面 积 的7015% ,其 中 中 龄 林 、 近 熟 林 以 刺 槐 和 部 分 松 类 为主 ,成 熟 林 以 松 类 为 主 , 占 林 分 面 积 的 3217%。2. 2 激 光 雷 达 数 据研 究 采 用 的 激 光 雷 达 数 据 是 由 R IEGL LMS2Q280 i获 取 的 离 散 回 波 数 据 ,数 据 获 取 时 间 是 2005年 5月 13日 。 采 用 首 回 波 记 录 模 式 ,平 均 激 光 点 间隔 约 116m ,激 光 束 发 散 度 为 01

14、5m rad,激 光 扫 描 角60 ,激 光 扫 描 重 叠 程 度 为 22%。 飞 行 平 台 为“ 运 25” 飞 机 , 飞 机 飞 行 地 速 180km /h, 相 对 航 高800m,绝 对 航 高 1600m。此 外 ,在 飞 行 时 还 同 步 获 取 了 数 码 影 像 数 据 ,地面 分 辨 率 大 小 为 25cm,航 向 重 叠 度 40% ,旁 向 重 叠度 30%。2. 3 地 面 调 查 与 测 量除 在 飞 行 的 同 时 进 行 了 地 面 调 查 外 ,根 据 实 际获 取 的 L iDAR点 云 数 据 的 密 度 情 况 ,在 2006年 4月 12

15、日 17日 期 间 进 行 了 补 充 地 面 调 查 。 调 查 的主 要 内 容 包 括 样 地 内 每 株 树 木 的 胸 径 、 树 高 和 冠 幅 ,并 对 样 地 中 心 和 单 株 树 利 用 Trimble GPS ( 4600和Geo XT)进 行 差 分 定 位 。 样 地 形 状 以 矩 形 或 圆 形 为主 。 样 地 的 选 择 主 要 考 虑 树 种 、 树 龄 、 郁 闭 度 等 因素 ,试 验 区 内 共 选 择 样 地 33块 。林 分 平 均 高 采 用 断 面 积 加 权 法 计 算 ,计 算 公 式如 下 :H =ki =1hi giki =1gi(1)

16、式 中 , hi 为 第 i株 林 木 的 树 高 , gi 为 第 i株 林 木 的 胸高 断 面 积 , k为 林 分 株 数 。2. 4 L iDAR估 测 树 高 基 本 原 理激 光 雷 达 以 脉 冲 激 光 作 为 技 术 手 段 ,以 激 光 束扫 描 的 工 作 方 式 测 量 从 传 感 器 到 地 面 上 激 光 照 射 点的 距 离 ,即 通 过 测 量 地 面 采 样 点 激 光 回 波 脉 冲 相 对于 发 射 激 光 主 波 之 间 的 时 间 延 迟 得 到 传 感 器 到 地 面采 样 点 之 间 的 距 离 。 其 测 距 基 本 原 理 可 表 示 为 1

17、0 :R = ( c t) /2 (2)式 中 , R是 传 感 器 到 目 标 物 体 的 距 离 , c是 光 速 , t是激 光 脉 冲 从 激 光 器 到 被 测 目 标 的 往 返 传 输 时 间 。L iDAR的 回 波 信 号 是 从 能 量 超 过 某 一 给 定 噪声 阈 值 开 始 以 一 定 的 时 间 间 隔 进 行 记 录 的 ,离 散 回波 的 L iDAR系 统 仅 记 录 超 过 某 一 阈 值 的 几 个 回 波或 一 个 回 波 。 因 此 ,对 小 光 斑 离 散 回 波 的 L iDAR系统 而 言 ,树 高 是 来 自 树 顶 的 回 波 与 来 自

18、地 面 回 波 高程 的 差 。 由 于 小 光 斑 激 光 雷 达 的 光 斑 尺 寸 小 于 林 木冠 幅 ,小 光 斑 离 散 回 波 的 激 光 雷 达 仅 能 对 树 冠 的 一部 分 进 行 感 应 。 因 此 ,小 光 斑 激 光 雷 达 数 据 是 对 林分 的 一 个 高 密 度 采 样 数 据 集 ,表 现 为 高 密 度 的 林 分激 光 点 云 。 激 光 点 的 间 距 随 着 飞 行 速 度 的 改 变 而 改变 ,目 前 的 小 光 斑 激 光 雷 达 系 统 激 光 点 的 采 样 间 隔大 多 小 于 1m ,在 实 际 数 据 获 取 时 得 到 的 是 被

19、 测 物 体的 激 光 “ 点 云 ” 。 往 往 每 株 树 有 几 十 个 到 几 百 个 激光 回 波 点 ,从 这 些 点 云 中 可 以 估 算 每 株 树 的 参 数 。对 于 点 云 密 度 较 低 的 情 形 ,由 于 单 个 树 冠 的 激 光 点太 少 而 无 法 准 确 刻 画 树 冠 的 表 面 变 化 ,甚 至 “ 错 失 ”树 顶 ,无 法 针 对 单 木 进 行 参 数 估 计 ,这 时 需 要 对 一 个样 地 或 林 分 内 的 点 云 进 行 统 计 处 理 ,通 常 采 用 不 同高 度 处 的 分 位 数 建 立 与 林 分 平 均 高 的 关 系 5,

20、 11 。树 高 提 取 是 L iDAR森 林 参 数 估 计 的 基 础 。 提取 方 法 往 往 与 DTM和 DSM的 生 成 紧 密 相 关 ,两 者差 分 而 生 成 的 nDSM ( normalized D igital SurfaceModel)上 的 高 度 即 地 物 绝 对 高 度 ,是 树 高 提 取 的 直154 遥 感 学 报 第 12卷接 依 据 。 激 光 雷 达 点 云 数 据 树 高 反 演 处 理 的 流 程 见图 1。图 1 激 光 雷 达 点 云 数 据 树 高 反 演 流 程 图Fig. 1 Flow chart of forest height

21、inversion usinglidar point cloud data图 2 分 类 后 的 植 被 激 光 点 数 据 和 航 空 数 码 影 像 (图 中 红 色 为 植 被 激 光 点 )Fig. 2 Comparison between classified vegetation points data and air photo( red points are vegetation lidar points)3 结 果 与 分 析3. 1 激 光 点 云 分 类激 光 点 云 分 类 采 用 美 国 LPD /LPV 软 件 的L iDAR V iewer进 行 。 由 于 本

22、文 研 究 的 主 要 目 的 是提 取 林 木 的 树 高 ,因 此 研 究 将 激 光 点 主 要 分 为 三 类 :地 面 点 ( Ground)、 植 被 点 (Vegetation)和 其 他 。 地 面点 指 裸 露 地 面 的 激 光 回 波 ,植 被 点 包 括 所 有 高 度 大于 2m的 植 被 的 激 光 回 波 。在 对 激 光 点 进 行 分 类 时 ,首 先 用 阈 值 法 过 滤 掉高 程 异 常 点 (即 噪 声 点 ) ,用 边 沿 匹 配 滤 波 算 法 去 除航 带 重 叠 区 域 的 激 光 点 数 据 ;然 后 对 经 初 步 处 理 后的 激 光 “

23、 点 云 ” 数 据 进 行 分 类 ,分 类 算 法 主 要 采 用 不规 则 三 角 网 的 Tin Filter 12 和 动 态 表 面 拟 合 的Polynom ial Filter 13 等 过 滤 算 法 。 其 中 Tin Filter算法 对 提 取 植 被 点 效 果 较 好 。 分 类 后 的 激 光 点 数 据 可以 导 出 成 点 状 矢 量 文 件 ,与 同 步 获 取 的 航 空 数 码 影像 进 行 叠 加 (图 2) ,以 便 对 分 类 结 果 进 行 目 视 验 证 。3. 2 数 字 地 面 模 型 D EM 和 数 字 地 表 模 型 D SM 的生

24、成将 分 类 后 的 地 面 激 光 点 数 据 (ASC 文 件 格 式 )通 过 TIN插 值 方 法 生 成 DEM。 本 文 选 用 5次 多 项式 方 程 的 非 线 性 插 值 方 法 进 行 插 值 ,采 样 格 网 单 元( Grid Cell)大 小 为 1m 1m,最 后 生 成 试 验 区 的 数 字地 面 模 型 DEM (图 3)。 用 同 样 的 方 法 生 成 数 字 地表 模 型 DSM (D igital Surface Model) (图 4)。3. 3 正 规 化 数 字 地 表 高 程 模 型 ( nD SM )和 植 被 高度 分 布 图 的 生 成正

25、 规 化 数 字 地 表 高 程 模 型 是 由 DSM与 DTM进行 高 程 相 减 之 后 所 得 的 运 算 结 果 ,其 目 的 是 消 除 地形 起 伏 变 化 对 DSM中 地 物 高 程 及 形 状 的 干 扰 ,以 获取 相 对 准 确 的 地 物 形 态 信 息 。 nDSM中 记 录 的 是 纯粹 的 地 物 顶 部 如 房 顶 、 树 冠 等 相 对 于 地 面 的 绝 对 高程 ,即 除 去 地 形 背 景 之 后 地 物 的 实 际 高 程 。 nDSM中 的 高 程 信 息 有 直 观 的 现 实 意 义 ,很 多 地 物 分 类 、 识别 及 重 构 的 算 法

26、都 直 接 基 于 nDSM内 不 同 地 物 所 表第 1期 庞 勇 等 :机 载 激 光 雷 达 平 均 树 高 提 取 研 究 155 图 5 植 被 高 度 分 布 图Fig. 5 Vegetation height distribution map from nDSM现 出 的 高 程 特 征 的 不 同 。 在 林 地 ,尤 其 是 地 形 起 伏变 化 剧 烈 的 植 被 覆 盖 地 区 , nDSM 对 于 确 定 植 被 的真 实 高 程 十 分 有 效 。 对 于 植 被 而 言 , nDSM 也 等 同于 冠 层 高 程 模 型 (Canopy HeightModel,简

27、 称 CHM )。一 些 激 光 点 可 能 来 自 林 冠 下 层 的 灌 丛 等 低 矮 植 被 ,对 树 高 的 反 演 造 成 一 定 的 影 响 ,还 有 一 些 点 可 能 来自 林 冠 上 层 的 物 体 的 反 射 ,可 以 根 据 其 高 度 值 较 低或 很 高 的 特 点 进 行 剔 除 。 鉴 于 研 究 区 树 高 的 分 布 特点 ,本 文 对 nDSM 值 小 于 115m和 大 于 35m的 点 进行 了 剔 除 。对 于 植 被 回 波 点 正 规 化 后 即 可 得 到 仅 包 含 植 被高 度 信 息 的 点 云 文 件 ,使 用 该 点 云 数 据 集

28、即 可 差 值得 到 相 应 的 植 被 高 度 分 布 图 (图 5)。3. 4 树 高 反 演当 点 云 密 度 较 低 时 ,单 个 树 冠 的 激 光 点 太 少 而无 法 准 确 刻 画 树 冠 的 表 面 变 化 ,无 法 利 用 植 被 高 度分 布 图 进 行 单 木 分 割 和 树 高 估 计 ,通 常 需 要 对 一 个样 地 或 林 分 内 的 点 云 进 行 统 计 处 理 ,从 而 进 行 林 分平 均 高 的 反 演 。 本 文 采 用 点 云 不 同 高 度 处 的 分 位 数作 为 统 计 变 量 。 分 位 数 是 描 述 样 本 分 布 和 位 置 的 统计

29、 量 , p分 位 数 p 定 义 为 对 于 总 体 X 和 给 定 的 p ( 0 p 1) ,如 果 存 在 p ,使 得P (X p ) = p (3)则 p 即 为 总 体 X的 p分 位 数 。 具 体 计 算 为 先 对 样地 范 围 内 的 植 被 点 云 根 据 高 度 进 行 排 序 ,然 后 计 算总 高 度 的 p分 位 处 的 高 度 。156 遥 感 学 报 第 12卷根 据 2. 4节 中 设 计 的 反 演 算 法 ,在 对 点 云 分 类的 基 础 上 ,计 算 高 程 归 一 化 的 植 被 点 云 子 集 ;根 据DGPS测 量 的 外 业 样 地 中 心

30、 位 置 ,从 分 类 后 的 点 云数 据 中 抽 取 半 径 8m的 样 地 植 被 点 云 数 据 ;计 算 不同 分 位 数 处 的 高 度 ;利 用 实 测 33块 样 地 中 的 23块作 为 训 练 样 本 , 10块 作 为 检 验 样 本 ,进 行 树 高 反 演和 精 度 评 价 。 其 中 上 四 分 位 数 (Upper2quartile)处 的高 度 ( Percentile_75)与 实 测 树 高 的 关 系 最 好 。 图 6为 全 部 33块 样 地 的 实 测 树 高 与 Percentile_75的 散点 图 ,相 关 系 数 为 0187。图 6 33块

31、 样 地 的 实 测 树 高 与 上 四 分 位 数 处 高 度 的 散 点 图Fig. 6 Scatter2p lot of ground measured forest height andL iDAR upper2quartile height from 33 p lots23 块 作 为 训 练 样 本 的 样 地 实 测 树 高 与Percentile_75的 相 关 系 数 为 0185,建 立 回 归 方 程 如下 :avg_treeHeight = 0. 882 Percentile_75 + 1. 959 (4)使 用 方 程 (4)对 10块 检 验 样 本 进 行 树 高

32、 反 演 ,反 演 的 树 高 与 实 测 的 树 高 的 比 较 如 图 7所 示 。3. 5 树 高 反 演 精 度 评 价利 用 建 立 的 激 光 雷 达 树 高 反 演 方 程 式 ( 4) ,即可 进 行 树 高 反 演 。 对 10块 作 为 检 验 样 本 的 树 高 反演 结 果 见 表 1。表 1中 精 度 的 计 算 式 为 :精 度 = 1 - 实 测 树 高 - 估 测 树 高实 测 树 高 (5)全 部 10 块 检 验 样 本 的 总 体 平 均 精 度 为90159% ,阔 叶 树 (共 4块 )的 精 度 都 高 于 92% ,平 均精 度 为 9216% ;

33、 针 叶 树 (共 6 块 ) 的 精 度 都 高 于87% ,平 均 精 度 为 89186%。 阔 叶 树 的 精 度 高 于 针图 7 实 测 树 高 与 L iDAR反 演 树 高 比 较Fig. 7 Forest height comparison between ground measuredand L iDAR inversed叶 树 ,其 主 要 原 因 是 大 部 分 激 光 点 都 不 会 直 接 来 自树 顶 的 反 射 ,阔 叶 树 的 冠 形 一 般 呈 椭 球 形 ,而 针 叶 树的 冠 形 一 般 呈 圆 锥 形 或 铅 笔 形 ,因 此 阔 叶 树 树 冠 的垂

34、 直 结 构 上 升 得 更 快 ,在 L iDAR点 云 采 样 中 碰 到 树顶 或 上 层 树 冠 的 概 率 更 大 一 些 ;另 一 方 面 ,阔 叶 树 的反 射 率 比 针 叶 树 高 ,在 本 研 究 所 用 的 数 据 点 云 密 度较 低 的 情 况 下 ,阔 叶 林 的 点 云 密 度 比 针 叶 林 的 高 一些 ,从 而 总 的 采 样 率 高 一 些 ,因 此 阔 叶 树 的 高 度 估 测精 度 总 体 比 针 叶 树 的 高 。中 国 二 类 森 林 调 查 规 程 中 平 均 树 高 因 子 允 许 误差 的 精 度 要 求 为 14 :(1) 国 有 森 林

35、 经 营 单 位 ,商 品 林 小 班 允 许 误 差为 5% ;(2) 一 般 县 级 行 政 单 位 的 商 品 林 小 班 、 所 有 单位 的 一 般 公 益 林 小 班 允 许 误 差 为 10% ;(3) 自 然 保 护 区 、 森 林 公 园 和 重 点 生 态 公 益 林小 班 允 许 误 差 为 15%。可 见 中 等 点 云 密 度 的 激 光 雷 达 数 据 即 可 达 到 中国 二 类 森 林 调 查 规 程 中 对 树 高 测 量 的 精 度 要 求 。 由于 对 国 有 商 品 林 小 班 的 调 查 精 度 要 求 很 高 ( 5% ) ,本 试 验 区 的 试

36、验 精 度 没 有 达 到 。 不 过 本 试 验 区 的 树高 估 计 绝 对 差 值 大 部 分 小 于 1m,最 大 绝 对 差 值 为1162m,对 于 国 有 商 品 林 而 言 ,树 高 一 般 都 很 高 ,而L iDAR由 于 其 直 接 测 量 的 特 点 绝 对 误 差 基 本 稳 定 ,从 而 相 对 精 度 可 望 进 一 步 提 高 。有 关 研 究 表 明 ,用 于 森 林 高 度 反 演 的 L iDAR数据 ,在 获 取 时 最 好 采 用 不 大 于 20 的 扫 描 角 度 (即 10 ) ,因 为 随 着 扫 描 角 度 的 增 大 , L iDAR 的

37、高 程第 1期 庞 勇 等 :机 载 激 光 雷 达 平 均 树 高 提 取 研 究 157 表 1 检 验 样 地 的 树 高 反 演 结 果 和 精 度 评 价Table 1 Inversed forest he ight accuracy eva lua tion from con trol plots样 地 号 树 种 上 四 分 位 数 处 高 度 实 测 树 高 估 测 树 高 树 高 差 值 精 度25 落 叶 松 6. 68 7. 03 7. 85 0. 82 0. 8826 落 叶 松 6. 75 7. 08 7. 91 0. 83 0. 8827 赤 杨 13. 84 15

38、. 15 14. 17 - 0. 98 0. 9428 油 松 8. 23 8. 17 9. 21 1. 04 0. 8729 麻 栎 7. 10 7. 7 8. 22 0. 52 0. 9330 赤 杨 11. 45 11. 29 12. 06 0. 77 0. 9331 油 松 7. 49 7. 46 8. 56 1. 1 0. 8532 落 叶 松 10. 97 13. 25 11. 63 - 1. 62 0. 8833 油 松 9. 25 9. 78 10. 11 0. 33 0. 9734 赤 杨 13. 06 12. 55 13. 45 0. 9 0. 93测 量 误 差 也 增

39、大 ,估 测 的 树 高 精 度 也 随 之 降 低 15 。在 其 他 配 置 参 数 不 变 的 情 况 下 ,扫 描 角 度 越 小 ,数 据获 取 效 率 越 低 ,从 而 导 致 成 本 的 增 加 。 本 研 究 所 用的 L iDAR数 据 在 获 取 时 采 用 了 60的 扫 描 角 度 ,可能 导 致 了 较 大 的 误 差 。4 结 论 与 讨 论本 文 以 山 东 省 泰 安 市 徂 徕 山 林 场 为 实 验 区 ,通过 对 机 载 L iDAR点 云 数 据 的 处 理 分 析 和 外 业 树 高的 测 量 ,应 用 机 载 L iDAR技 术 进 行 了 林 分

40、平 均 高 反演 的 试 验 。 下 面 是 得 出 的 结 论 与 对 它 的 讨 论 :(1) 对 于 较 低 密 度 的 点 云 数 据 ,使 用 分 位 数 法可 以 较 好 地 进 行 林 分 平 均 高 的 估 计 。(2) 经 过 在 山 东 徂 徕 山 林 场 的 机 载 激 光 雷 达 样地 平 均 树 高 反 演 试 验 ,这 一 技 术 对 树 高 估 计 是 可 行的 ,精 度 都 高 于 87% ,总 体 平 均 精 度 为 90159%。 其中 阔 叶 树 的 精 度 高 于 针 叶 树 的 精 度 。(3) 该 试 验 精 度 可 以 满 足 中 国 二 类 森

41、林 调 查 规程 中 平 均 树 高 因 子 的 一 般 商 品 林 和 生 态 公 益 林 的 精度 要 求 ,与 国 有 商 品 林 小 班 的 调 查 精 度 要 求 ( 5% )存 在 一 点 差 距 ,需 要 在 国 有 商 品 林 区 进 一 步 开 展 验证 工 作 。 对 本 试 验 区 而 言 ,已 经 可 以 满 足 其 作 为 森林 公 园 生 态 公 益 林 的 调 查 要 求 。(4) 由 于 本 研 究 中 所 获 取 的 L iDAR数 据 点 云密 度 较 低 ( 0135点 /m2 ) ,无 法 开 展 单 木 水 平 的L iDAR林 业 应 用 研 究 。

42、 将 L iDAR数 据 与 同 步 获 取的 航 片 数 据 相 结 合 可 望 提 供 森 林 资 源 二 类 调 查 的 更多 因 子 。致 谢 :本 文 作 者 感 谢 山 东 省 泰 安 市 徂 徕 山 林场 在 外 业 调 查 中 给 予 的 大 力 支 持 和 协 作 。参 考 文 献 ( References) 1 Nelson N. Estimation of Tree Heights and Stand Volume U sing anA irborne L iDAR System J . R em ote Sensing of Environm ent,1996, 56

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