一种基于伞骨法与冠高比的树木冠层结构信息提取方法技术

本发明专利技术公开了一种基于伞骨法与冠高比的树木冠层结构信息提取方法，该度量方法包括如下步骤：步骤1)基于单次回波点云数据构建树冠高度模型，即在数字地面模型的基础上滤除非植被信息，获得包含仅植被分布及高度信息的基准图；步骤2)基于活动窗口的局部最大值搜索法，从所述基准图中提取单株立木的顶点；步骤3)在树顶检测结果基础之上，采用“伞骨算法”进行树冠投影边界识别，分离单体树木并确定各自树冠的边界位置，得到树冠边界识别结果；步骤4)结合树顶检测结果与树冠边界识别结果，基于伸缩圆与冠高比的树冠体积计算方法生成单体树冠体积分布图。步骤5)通过计算图像平均梯度反演冠层孔隙率，修正因树冠内部枝叶间存在的大量空隙而造成的计算误差，进一步提升步骤4)中的树冠体积反演精度。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种基于伞骨法与冠高比的树木冠层结构信息提取方法，特别是一种应用机载激光雷达系统检测树冠边界和度量树冠体积的方法。
技术介绍
绿地是城市中唯一有生命的基础设施，也是城市生态系统中的核心组成部分。已有多项研究证明城市绿地在改善城市生态环境、促进人体健康等方面起着不可或缺的积极作用。遥感作为新型对地观测技术，具有大面积同步覆盖、实时连续、经济有效等优点。高分辨率遥感与激光雷达等多源遥感数据为空间探测提供了新的视角和研究方向。其中，LiDAR拥有的全自动、高精度立体扫描技术，使快速直接获取地形表面模型成为可能，尤其适合植被等具备三维空间结构且立体形态不规则的信息获取，正逐步成为推动城市绿地研究向立体拓展的重要载体。周坚华等利用彩红外航片和计算机模拟技术，通过度量城市植物茎叶所占空间体积估算城市绿地对城市的绿化效益。周延刚等利用彩红外航空影像建立了植被高度模型、冠径-冠高关系模型和三维绿量计算方程。韦雪花等提出树冠不能用一个或多个实心规则几何体来描述，提出了“体元模拟法”。Hecht R等使用机载LiDAR数据估算城市植被体积。Liu和Shen等使用机载LiDAR点云数据基于坡度过滤法和地面增长算法提取城市树木。Qi Chen等基于机载LiDAR数据研发了一套实现单株树高、树冠面积、树冠率及叶面积等提取的软件TiFFs。Wei Yao借助全波形机载LiDAR数据实现了树种分类与树冠结构信息提取。目前，国内外基于LiDAR的植被研究多以单体植被信息提取为主，融合多源数据，在实现城市植被三维立体信息提取基础上研究其空间分布特征的较少。考虑到以上问题，本专利技术针对针对城市绿化分布零散、结构多样，和以复杂城市地物为背景的三维绿量提取技术研究不足、自动化弱、精度偏低等问题，尝试建立一套基于机载LiDAR单次回波数据的单株立木识别与冠层结构信息提取方法，用于解决不同冠层体积度量算法适应性差、城市大范围绿度空间提取及度量效率差等难题，为更有效地提取诸如城市等大范围的植被冠层结构信息提供技术参考。
技术实现思路
针对城市绿化分布零散、结构多样，和以复杂城市地物为背景的三维绿量提取技术研究不足、自动化弱、精度偏低等问题，本专利技术提供一种无需伐倒立木的可用于实现不同单体树种的树冠边缘检测、树冠体积估算、冠层结构信息提取的技术流程。本专利技术的目的通过以下技术步骤实现：步骤1)基于单次回波点云数据构建树冠高度模型，即在数字地面模型的基础上滤除非植被信息，获得包含仅植被分布及高度信息的基准图；步骤2)基于活动窗口的局部最大值搜索法，从所述基准图中提取单株立木的顶点(最高点)；步骤3)在树顶检测结果基础之上，采用“伞骨算法”进行树冠投影边界识别，分离单体树木并确定各自树冠的边界位置，得到树冠边界识别结果；步骤4)结合树顶检测结果与树冠边界识别结果，基于伸缩圆与冠高比的树冠体积计算方法生成单体树冠体积分布图。步骤5)通过计算图像平均梯度反演冠层孔隙率，修正因树冠内部枝叶间存在的大量空隙而造成的计算误差，进一步提升步骤4)中的树冠体积反演精度。进一步，所述步骤1)的具体方法为：a)基于改进的分水岭算法对航空影像进行边缘特征提取；b)基于航空影像的红色和近红外波段计算得到NDVI；c)利用最大类间差算法(OTSU)确定NDVI最佳分割阈值；d)根据阈值，划定植被区域；e)借助投票法修正二维植被信息提取结果。进一步，所述步骤2)的具体方法为：a)基于一定数量的树冠高度模型采样点，构建树高-冠径关系模型；b)根据已建立的关系模型确定逐像素遍历过程中的搜索范围；c)依据搜索范围，判断像素是否满足树顶条件；d)依次遍历图像中像素点，直至找出全部树顶点。进一步，所述步骤3)的具体方法为：a)生成一系列以树顶点为对称中心的等旋转角的辐射状线段；b)为中心点为起始点，沿方向的辐射状线段向外围遍历，依次判断位于同一条辐射状线段上相邻单元的高度差，若高差值满足判定规则，即判断该外围像素点为树冠边界点；c)重复b)过程直至获得全部截断点，通过逆时针依次连接各截断点，最终形成封闭多边形，形成单体树冠轮廓线。进一步，所述步骤4)的具体方法为：a)在树冠边界识别结果的基础上，利用伸缩圆算法获得椭球体树冠结构的长半轴与短半轴参数；b)结合树顶检测结果的高度信息，通过冠高比概念计算得到极半径参数；c)经由椭球体积计算公式最终获得树冠体积的估算量。进一步，所述步骤5)的具体方法为：a)依次遍历每个树冠单元，计算其平均梯度值；b)获取上一步计算结果中的最大值与最小值，采用线性函数转换法，将平均梯度值归一化并作二次转化计算，得到每株立木的冠层孔隙率修正系数；c)将步骤4)中的树冠体积计算结果乘以该系数，获得修正后的单体树冠体积值。附图说明图1为影像分割结果；图2为树冠高度模型；图3为树顶检测结果；图4为树冠边界识别结果；图5为单体树冠体积分布图；具体实施方式下面结合附图对本专利技术“一种基于伞骨法与冠高比的树木冠层结构信息提取方法”作进一步阐述说明。本专利技术所涉及的“基于伞骨法的树冠投影边界识别算法”和“基于伸缩圆与冠高比的树冠体积计算方法”，是城市植被空间结构参量提取的重要技术创新。其中，伞骨法具有“分离邻接树冠的相交界限”与“识别结果准确且符合树冠形态”的优点，同时提升了算法的运行效率，为区域尺度的树冠投影边界识别提供一种可行的方法；基于伸缩圆与冠高比的树冠体积计算方法则有效解决了不同冠层体积度量算法适应性差、城市大范围绿度空间提取及度量效率差等难题，可为同领域的相关研究者借鉴使用；冠层孔隙率修正因子可用于修正因采用几何实心体模拟树冠形态而造成的计算误差，使树冠体积反演结果具备一定的可靠性。(一)树冠高度模型构建采取“先二维，后三维”的操作步骤获得树冠高度模型。首先，基于高分辨率遥感图像的面向对象图像分类方法，同时充分考虑高分辨率航空影像提取边界信息的优势，采用改进的分水岭分割算法进行影像边缘特征提取，得到标记后图像分割结果(图1)。然后基于航空影像的红色和近红外波段计算得到NDVI，利用最大类间差算法(OTSU)确定NDVI最佳分割阈值，进行植被提取。在完成图像分割和阈值提取的基础上，借助投票法修正二维植被信息提取结果。具体步骤为：遍历图像分割结果中的每个对象；统计每个对象中植被像元累计个数占整个对象本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于伞骨法与冠高比的树木冠层结构信息提取方法，该度量方法包括如下步骤： 步骤1)基于单次回波点云数据构建树冠高度模型，即在数字地面模型的基础上滤除非植被信息，获得包含仅植被分布及高度信息的基准图； 步骤2)基于活动窗口的局部最大值搜索法，从所述基准图中提取单株立木的顶点(最高点)； 步骤3)在树顶检测结果基础之上，采用“伞骨算法”进行树冠投影边界识别，分离单体树木并确定各自树冠的边界位置，得到树冠边界识别结果； 步骤4)结合树顶检测结果与树冠边界识别结果，基于伸缩圆与冠高比的树冠体积计算方法生成单体树冠体积分布图。 步骤5)通过计算图像平均梯度反演冠层孔隙率，修正因树冠内部枝叶间存在的大量空隙而造成的计算误差，进一步提升步骤4)中的树冠体积反演精度。

【技术特征摘要】
1.一种基于伞骨法与冠高比的树木冠层结构信息提取方法，该度量方法包括如下步骤： 
步骤1)基于单次回波点云数据构建树冠高度模型，即在数字地面模型的基础上滤除非植被信息，获得包含仅植被分布及高度信息的基准图； 
步骤2)基于活动窗口的局部最大值搜索法，从所述基准图中提取单株立木的顶点(最高点)； 
步骤3)在树顶检测结果基础之上，采用“伞骨算法”进行树冠投影边界识别，分离单体树木并确定各自树冠的边界位置，得到树冠边界识别结果； 
步骤4)结合树顶检测结果与树冠边界识别结果，基于伸缩圆与冠高比的树冠体积计算方法生成单体树冠体积分布图。 
步骤5)通过计算图像平均梯度反演冠层孔隙率，修正因树冠内部枝叶间存在的大量空隙而造成的计算误差，进一步提升步骤4)中的树冠体积反演精度。 
2.如权利要求书1所述的方法，其特征在于，所述步骤1)的具体方法为： 
a)基于改进的分水岭算法对航空影像进行边缘特征提取；b)基于航空影像的红色和近红外波段计算得到NDVI；c)利用最大类间差算法(OTSU)确定NDVI最佳分割阈值；d)根据阈值，划定植被区域；e)借助投票法修正二维植被信息提取结果。 
3.如权利要求书1所述的方法，其特征在于，所述步骤2)的具体方法为： 
a)基于一定数量的树冠高度模型采样点，构建树高-冠径关系模型；b)根据已建立的关系模型确定逐像素遍历过程中的搜索范围；c)依据搜索范围，判断像素是否满足树顶条件；d)依次遍历图像中像素点，直至找出全部树顶点。 
4.如权利要求书1所述的方法，其特征在于，所述步骤3)提出了基于伞骨法的树冠投影边界识别算法，具体方法为： 

【专利技术属性】
技术研发人员：孟庆岩，张佳晖，占玉林，王春梅，吴俊，金颖，
申请(专利权)人：中国科学院遥感与数字地球研究所，
类型：发明
国别省市：北京;11