一种激光雷达单木分块识别方法技术

本发明专利技术公开了一种激光雷达单木分块识别方法，包括CHM分块、CHM低值凹陷区平滑、CHM树冠顶点识别和CHM树冠边界识别；该激光雷达单木分块识别方法能够对大数据量激光雷达CHM进行处理，高效识别单木树冠边界，用于单木因子提取和林分因子提取的优点。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种激光雷达单木分块识别方法。
技术介绍
激光雷达能够直接测量地物的三维空间结构，按照一定频率发射激光脉冲，记录来自地面和来自森林冠层的返回信号能量分布或离散点云(回波)，发射能量和返回能量具有波形特征，通过波形分解可以得到离散点云。通过分层分类处理，将离散点云被分为地面点和非地面点，非地面点再分为植被点和非植被点，离散地面点内插生成数字高程模型(DEM)栅格，离散植被点内插生成数字表面模型(DSM)栅格，由DSM减去DEM得到数字冠层模型(CHM)栅格，高空间分辨率的CHM能够精细反映森林冠层上表面的空间分布，用于提取单木特征因子。通过CHM识别单木的方法分为两类，第一类方法是先通过局部最大值算法识别潜在树冠顶点作为种子点，然后通过多项式拟合树冠主方向边界或区域生长识别树冠边界，这类方法依赖于树冠约束规则；第二类方法是先通过图像分割算法将CHM分割为不同斑块，斑块边界作为树冠边界，然后提取斑块内最大值作为树冠顶点，这类方法容易将树冠之间的空隙分割为树冠的一部分。单木树冠一般表现为中间高边缘低特征，由于树冠内枝叶分布的非均匀性，树冠上表面存在一些低值凹陷区，这些区域容易造成树冠边缘判别规则提前终止，造成误判树冠边界，需要对树冠边缘内的低值凹陷区进行平滑，常规平滑算法会对全部树冠点进行平滑，使得树冠上较高点的高度变小，树冠上较低点的高度变大，即树冠上表面点之间高度差异整体上变小。为了仅对低值凹陷区进行平滑处理，需要对平滑算法进行约束。单木树冠顶点一般为局部最大值，由于存在测量误差，并非所有局部最大值均为树冠顶点，需要对局部最大值进行约束。对于单个树冠，从树冠顶点到树冠边缘，树冠点高度应当连续变化，由于存在低值凹陷区，相邻树冠点高度容易出现急剧变化，导致误判树冠边界，需要对树冠边界判别规则进行约束。对于成片生长的连续树冠，树冠之间的凹陷区可以看作是树冠边界，由于树冠形状的不规则性，树冠内部的凹陷区可能被误判为树冠边界，需要对树冠边界判别规则进行约束。对于大区域CHM来说，由于计算机性能限制，需要对CHM进行分块处理，考虑到树冠可能位于不同的块内，需要对块进行缓冲处理，另外，CHM四角块和四边块的缓冲区不同于CHM内部块的缓冲区，需要针对CHM不同位置块进行特殊缓冲处理。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题是克服现有技术中之不足，提供一种实现能够对大数据量激光雷达CHM进行处理，高效识别单木树冠边界，用于单木因子提取和林分因子提取的激光雷达单木分块识别方法。为解决上述问题，本专利技术采用如下技术方案：一种激光雷达单木分块识别方法，包括CHM分块、CHM低值凹陷区平滑、CHM树冠顶点识别和CHM树冠边界识别；CHM分块：按照一定的块尺寸和缓冲区尺寸将CHM分为若干个块，在块边界约束范围内识别树冠顶点，在块和缓冲区约束范围内识别树冠边界；CHM分块约束条件：a.块尺寸要大于单个树冠范围，分块识别算法内存消耗要小于计算机可用内存；b.缓冲区要大于单个树冠范围，小于块尺寸；CHM低值凹陷区平滑：比较当前像元高度值与8邻域像元高度值，统计大于当前像元高度值的邻域像元个数N，如果N大于等于5，则表示当前像元位于低值凹陷区，需要进行平滑处理，否则不平滑；CHM平滑约束条件：a.CHM平滑仅使用树冠上点；b.CHM树冠点高度高于指定阈值；CHM树冠顶点识别：CHM树冠顶点高度大于其它树冠点高度，通过局部最大值算法可以搜索潜在树冠顶点，搜索窗口尺寸采用固定值；搜索窗口尺寸约束条件：a.搜索窗口尺寸大于等于最小冠幅；b.搜索窗口尺寸小于等于树高；CHM树冠边界识别：CHM树冠边界是树冠上最外围的点，树冠顶点与树冠边界之间还存在其它树冠点；判断树冠边界的约束条件：a.树冠半径小于树高；b.树冠边界点高度大于指定阈值；c.树冠边界点高度小于树冠顶点高度；d.树冠边界点高度与树冠顶点高度之比大于指定阈值；e.树冠边界点张角小于指定阈值。进一步的，CHM分块：若CHM栅格尺寸为XRastSize和YRastSize，块索引为XTileIndex和YTileIndex，块尺寸为XTileSize和YTileSize，缓冲区尺寸为BuffSize，将块和缓冲区合并在一起的区域称为扩展块，针对不同位置的块和扩展块，定义其在栅格中的偏移量和有效尺寸；对于不同位置的块，其在栅格中的偏移量和有效尺寸定义如下：第一行块中左上角块在栅格中偏移量和有效尺寸为：XOffset＝0YOffset＝0XValidSize＝XTileSizeYValidSize＝YTileSize第一行块中位于左上角块和右上角块之间的块在栅格中偏移量和有效尺寸为：XOffset＝XTileIndex*XTileSizeYOffset＝0XValidSize＝XTileSizeYValidSize＝YTileSize第一行块中右上角块在栅格中偏移量和尺寸为：XOffset＝XTileIndex*XTileSizeYOffset＝0XValidSize＝XRastSize-(XTileIndex*XTileSize)YValidSize＝YTileSize第一列块中位于左上角块和左下角块之间的块在栅格中偏移量和有效尺寸为：XOffset＝0YOffset＝YTileIndex*YTileSizeXValidSize＝XTileSizeYValidSize＝YTileSize最后一列块中位于右上角块和右下角块之间的块在栅格中偏移量和有效尺寸为：XOffset＝XTileIndex*XTileSizeYOffset＝YTileIndex*YTileSizeXValidSize＝XRastSize-(XTileIndex*XTileSize)YValidSize＝YTileSize最后一行块中左下角块在栅格中偏移量和有效尺寸为：XOffset＝0YOffset＝YTileIndex*YTileSizeXValidSize＝XTileSizeYValidSize＝YRastSize-(YTileIndex*YTileSize)最后一行块中位于左下角块和右下角块之间的块在栅格中偏移量和有效尺寸为：XOffset＝XTileIndex*XTileSizeYOffset＝YTileIndex*YTileSizeXValidSize＝XTileSizeYValidSize＝YRastSize-(YTileIndex*YTileSize)最后一行块中右下角块在栅格中偏移量和有效尺寸为：XOffset＝XTileIndex*XTileSizeYOffset＝YTileIndex*YTileSizeXValidSize＝XRastSize-(XTileIndex*XTileSize)YValidSize＝YRastSize-(YTileIndex*YTileSize)中间块在栅格中偏移量和有效尺寸为：XOffset＝XTileIndex*XTileSizeYOffset＝YTileIndex*YTileSizeXValidSize＝XTileSizeYValidSize＝YTileSize对于不同位置的扩展块，其在栅格中的偏移量和有效尺寸定义如下：第一行块中左上角扩展块在栅格中偏移本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种激光雷达单木分块识别方法，其特征在于：包括CHM分块、CHM低值凹陷区平滑、CHM树冠顶点识别和CHM树冠边界识别；CHM分块：按照一定的块尺寸和缓冲区尺寸将CHM分为若干个块，在块边界约束范围内识别树冠顶点，在块和缓冲区约束范围内识别树冠边界；CHM分块约束条件：a.块尺寸要大于单个树冠范围，分块识别算法内存消耗要小于计算机可用内存；b.缓冲区要大于单个树冠范围，小于块尺寸；CHM低值凹陷区平滑：比较当前像元高度值与8邻域像元高度值，统计大于当前像元高度值的邻域像元个数N，如果N大于等于5，则表示当前像元位于低值凹陷区，需要进行平滑处理，否则不平滑；CHM平滑约束条件：a.CHM平滑仅使用树冠上点；b.CHM树冠点高度高于指定阈值；CHM树冠顶点识别：CHM树冠顶点高度大于其它树冠点高度，通过局部最大值算法可以搜索潜在树冠顶点，搜索窗口尺寸采用固定值；搜索窗口尺寸约束条件：a.搜索窗口尺寸大于等于最小冠幅；b.搜索窗口尺寸小于等于树高；CHM树冠边界识别：CHM树冠边界是树冠上最外围的点，树冠顶点与树冠边界之间还存在其它树冠点；判断树冠边界的约束条件：a.树冠半径小于树高；b.树冠边界点高度大于指定阈值；c.树冠边界点高度小于树冠顶点高度；d.树冠边界点高度与树冠顶点高度之比大于指定阈值；e.树冠边界点张角小于指定阈值。...

【技术特征摘要】
1.一种激光雷达单木分块识别方法，其特征在于：包括CHM分块、CHM低值凹陷区平滑、CHM树冠顶点识别和CHM树冠边界识别；CHM分块：按照一定的块尺寸和缓冲区尺寸将CHM分为若干个块，在块边界约束范围内识别树冠顶点，在块和缓冲区约束范围内识别树冠边界；CHM分块约束条件：a.块尺寸要大于单个树冠范围，分块识别算法内存消耗要小于计算机可用内存；b.缓冲区要大于单个树冠范围，小于块尺寸；CHM低值凹陷区平滑：比较当前像元高度值与8邻域像元高度值，统计大于当前像元高度值的邻域像元个数N，如果N大于等于5，则表示当前像元位于低值凹陷区，需要进行平滑处理，否则不平滑；CHM平滑约束条件：a.CHM平滑仅使用树冠上点；b.CHM树冠点高度高于指定阈值；CHM树冠顶点识别：CHM树冠顶点高度大于其它树冠点高度，通过局部最大值算法可以搜索潜在树冠顶点，搜索窗口尺寸采用固定值；搜索窗口尺寸约束条件：a.搜索窗口尺寸大于等于最小冠幅；b.搜索窗口尺寸小于等于树高；CHM树冠边界识别：CHM树冠边界是树冠上最外围的点，树冠顶点与树冠边界之间还存在其它树冠点；判断树冠边界的约束条件：a.树冠半径小于树高；b.树冠边界点高度大于指定阈值；c.树冠边界点高度小于树冠顶点高度；d.树冠边界点高度与树冠顶点高度之比大于指定阈值；e.树冠边界点张角小于指定阈值。2.根据权利要求1所述的激光雷达单木分块识别方法，其特征在于：CHM分块：若CHM栅格尺寸为XRastSize和YRastSize，块索引为XTileIndex和YTileIndex，块尺寸为XTileSize和YTileSize，缓冲区尺寸为BuffSize，将块和缓冲区合并在一起的区域称为扩展块，针对不同位置的块和扩展块，定义其在栅格中的偏移量和有效尺寸；对于不同位置的块，其在栅格中的偏移量和有效尺寸定义如下：第一行块中左上角块在栅格中偏移量和有效尺寸为：XOffset＝0YOffset＝0XValidSize＝XTileSizeYValidSize＝YTileSize第一行块中位于左上角块和右上角块之间的块在栅格中偏移量和有效尺寸为：XOffset＝XTileIndex*XTileSizeYOffset＝0XValidSize＝XTileSizeYValidSize＝YTileSize第一行块中右上角块在栅格中偏移量和尺寸为：XOffset＝XTileIndex*XTileSizeYOffset＝0XValidSize＝XRastSize-(XTileIndex*XTileSize)YValidSize＝YTileSize第一列块中位于左上角块和左下角块之间的块在栅格中偏移量和有效尺寸为：XOffset＝0YOffset＝YTileIndex*YTileSizeXValidSize＝XTileSizeYValidSize＝YTileSize最后一列块中位于右上角块和右下角块之间的块在栅格中偏移量和有效尺寸为：XOffset＝XTileIndex*XTileSizeYOffset＝YTileIndex*YTileSizeXValidSize＝XRastSize-(XTileIndex*XTileSize)YValidSize＝YTileSize最后一行块中左下角块在栅格中偏移量和有效尺寸为：XOffset＝0YOffset＝YTileIndex*YTileSizeXValidSize＝XTileSizeYValidSize＝YRastSize-(YTileIndex*YTileSize)最后一行块中位于左下角块和右下角块之间的块在栅格中偏移量和有效尺寸为：XOffset＝XTileIndex*XTileSizeYOffset＝YTileIndex*YTileSizeXValidSize＝XTileSizeYValidSize＝YRastSize-(YTileIndex*YTileSize)最后一行块中右下角块在栅格中偏移量和有效尺寸为：XOffset＝XTileIndex*XTileSizeYOffset＝YTileIndex*YTileSizeXValidSize＝XRastSize-(XTileIndex*XTileSize)YValidSize＝YRastSize-(YTileIndex*YTileSize)中间块在栅格中偏移量和有效尺寸为：XOffset＝XTileIndex*XTileSizeYOffset＝YTileIndex*YTileSizeXValidSize＝XTileSizeYValidSize＝YTileSize对于不同位置的扩展块，其在栅格中的偏移量和有效尺寸定义如下：第一行块中左上角扩展块在栅格中偏移量和有效尺寸为：XOffsetEx＝0YOffsetEx＝0XValidSizeEx＝XTileSize+BuffSizeYValidSizeEx＝YTileSize+BuffSize第一行块中位于左上角块和右上角块之间的扩展块在栅格中偏移量和有效尺寸为：XOffsetEx＝XTileIndex*XTileSize-BuffSizeYOffsetEx＝0XValidSizeEx＝XTileSize+2*BuffSizeYValidSizeEx＝YTileSize+BuffSize第一行块中右上角扩展块在栅格中偏移量和尺寸为：XOffsetEx＝XTileIndex*XTileSize-BuffSizeYOffsetEx＝0XValidSizeEx＝XRastSize-(XTileIndex*XTileSize-BuffSize)YValidSizeEx＝YTileSize+BuffSize第一列块中位于左上角块和左下角块之间的扩展块在栅格中偏移量和有效尺寸为：XOffsetEx＝0YOffsetEx＝YTileIndex*YTileSize-BuffSizeXValidSizeEx＝XTileSize+BuffSizeYValidSizeEx＝YTileSize+2*BuffSize最后一列块中位于右上角块和右下角块之间的扩展块在栅格中偏移量和有效尺寸为：XOffsetEx＝XTileIndex*XTileSize-BuffSizeYOffsetEx＝YTileIndex*YTileSize-BuffSizeXValidSizeEx＝XRastSize-(XTileIndex*XTileSize-BuffSize)YValidSizeEx＝YTileSize+2*BuffSize最后一行块中左下角扩展块在栅格中偏移量和有效尺寸为：XOffsetEx＝0YOffsetEx＝YTileIndex*YTileSize-BuffSizeXValidSizeEx＝XTileSize+BuffSizeYValidSizeEx＝YRastSize-(YTileIndex*YTileSize-BuffSize)最后一行块中位于左下角块和右下角块之间的扩展块在栅格中偏移量和有效尺寸为：XOffsetEx＝XTileIndex*XTileSize-BuffSizeYOffsetEx＝YTileIndex*YTileSize-BuffSizeXValidSizeEx＝XTileSize+2*BuffSizeYValidSizeEx＝YRastSize-(YTileIndex*YTileSize-BuffSize)最后一行块中右下角扩展块在栅格中偏移量和有效尺寸为：XOffsetEx＝XTileIndex*XTileSize-BuffSizeYOffsetEx＝YTileIndex*YTileSize-BuffSizeXValidSizeEx＝XRastSize-(XTileIndex*XTileSize-BuffSize)YValidSizeEx＝YRastSize-(YTileIndex*YTileSize-BuffSize)中间扩展块在栅格中偏移量和有效尺寸为：XOffsetEx＝XTileIndex*XTileSize-BuffSizeYOffsetEx＝YTileIndex*YTileSize-BuffSizeXValidSizeEx＝XTileSize+2*BuffSizeYValidSizeEx＝YTileSize+2*BuffSize。3.根据权利要求l所述的激光雷达单木分块识别方法，其特征在于：CHM树冠顶点识别：若当前块在栅格中偏移量为XOffset和YOffset，有效尺寸为XValidSize和YValidSize，搜索窗口半径为SearchRadius，针对不同位置的块，定义树冠顶点搜索区域在栅格中的位置；第一行块中左上...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘清旺，李增元，陈尔学，庞勇，李世明，
申请(专利权)人：中国林业科学研究院资源信息研究所，
类型：发明
国别省市：北京;11