一种利用激光点云计算林分高度累计百分比的方法技术

本发明专利技术公开一种利用激光点云计算林分高度累计百分比的方法，是改进的利用计算几何算法来计算三维森林植被多种结构下的点云在垂直结构上的概率分布特征参数的方法，属于森林垂直结构参数获取方法的研究领域。该方法包括树木的三维激光点云数据的获取及预处理；树木三维点云地面点提取及生成数字高程模型DEM；基于算法的数字高程模型DEM的点云归一化；提取归一化点云的特征参数高度累计百分比的计算。本发明专利技术与传统观测手段相比，工作量小，无需接触式观测，不破坏林分立木结构和生长特性，具有客观高效精确的特点；开发了从激光雷达数据中提取三维结构和生物物理多样性信息的方法，将林分中立木多种组合下冠层与主干垂直分布变化规律特征化。

【技术实现步骤摘要】
一种利用激光点云计算林分高度累计百分比的方法
本专利技术属于森林结构分析
，具体涉及一种利用激光点云计算林分高度累计百分比的方法。
技术介绍
森林结构参数反映林分生长状态，是经营管理的重要参数。其垂直结构与不同树种特性、林分种植和培育方式密切相关。垂直结构反映了生长方向上的变化情况，特别是横向径变化的具体状态，其主干直径的大小是指导后续采伐造材计划的重要指标。立木的垂直结构通过干形的削度表示，是指直径随着高度增加而变细的缓急变化程度，是描述树干直径随树高升高而逐渐减小的指标。在同一群落或林分中这种削度特征反映一致，常用树干解析的方式求取(如附图2a)。伐倒立木后，按照2米区分段锯段，制作圆盘，查数每一个高度上圆盘年轮数和年轮宽度，记录该解析木年轮生长数据并绘制干形生长曲线图(如附图2b)。这一方法由于其工作量大、主观性强，并且更重要的是该方法直接破坏立木生长以及后续的造材利用，对经营利用而言，实际中难以采用。因此，需要一种新的快速、准确、间接的方法来获取干形在垂直结构上的空间分布情况。近年来，激光扫描利用激光探测和测距技术(LightDetectionandRanging，LiDAR))可以高效准确的得到物体的三维坐标信息，通过多站扫描获得的点云信息完整记录了被测物的结构信息，通过其提供的精准三维坐标信息使得我们可以获取树木的精准结构信息，例如2016年Sun等人在《Forests》第7卷的“DerivingMerchantableVolumeinPoplarthroughaLocalizedTaperingFunctionfromNon-DestructiveTerrestrialLaserScanning”一文中介绍了利用地面激光雷达进行了杨树的树干曲线研究以及建立了高精度的树干削度模型(如附图3b)。该方法提取到立木干形曲线同解析木方法结果高度吻合(如附图2b右和图3b)。点云数据不光反映地物结构信息，同时也从其点云分布的特征参数中反映了被测地物的遥感信息。例如：2015年Maguya等人在《RemoteSensing》第7卷的“Movingvoxelmethodforestimatingcanopybaseheightfromairbornelaserscannerdata”一文中指出机载激光(ALS)的波形可以转换为相应的冠层高度轮廓，从而计算每一个高度的分位数(Quantilemetrics)以此类比于地面25米圆样地的冠层剖面轮廓。因此将点云的分布信息进行量化对树干的干形研究有重要意义。地面激光点云数据还未见有相关报道。地面激光雷达扫描仪的可以从三维角度获取高精度(毫米级)的森林冠层结构信息，所得点云的分布状况也能够获取反映森林垂直结构信息，已有的研究表明激光雷达的特征参数能很好的反演森林结构参数,且得到了广泛的应用，例如2014年Srinivasan等人在《ForestEcologyandManagement》第15卷的“Multi-temporalterrestriallaserscanningformodelingtreebiomasschange”一文中介绍了地面激光雷达提取的点云特征参数在反演立木的生物量中的应用。然而这类参数对干形垂直结构，特别是垂直方向点云累加后反映干形变化和垂直结构变化的特征并未见报道。
技术实现思路
专利技术目的：针对现有技术存在的不足，本专利技术的目的是提供一种利用激光点云计算林分高度累计百分比的方法，直接利用地面激光雷达系统生成的三维点云数据，结合计算几何的方法，从三维角度来计算林分高度累计百分比。技术方案：为了实现上述专利技术目的，本专利技术采用的技术方案如下：一种利用激光点云计算林分高度累计百分比的方法，主要包括下步骤：(1)森林植被的三维激光点云数据的获取及预处理；(2)利用高程滤波分离地面点与非地面点，再结合目视解译去除非地面点中的杂点，得到森林植被的三维激光点云。(3)基于森林植被的点云数字高程模型DEM的提取及生成；(4)根据生成的数字高程模型DEM对步骤(2)中获取的森林植被三维激光点云进行归一化处理；(5)根据步骤(4)中得到归一化后的森林植被三维激光点云，利用单木分割从林分点云中得到单株的点云作为数据源，从林分中获取样圆级别的树木群落点云作为数据源，将整个样地的三维激光数据作为数据源。(6)将归一化后单木、样圆或样地的尺度的数据类型的三维激光点云按照点云的高度从小到大进行排序；(7)对排序后的所有森林植被点云的高程进行累加，同时将排序后的点云从下往上的第一个点开始逐点向上累加，计算其与植被点云总高程的百分比关系，此百分比关系即为高度累计百分比。作为优选，步骤(1)中，所述森林植被的三维激光点云数据通过地面多回波三维激光扫描仪获取，所述三维激光点云数据包含扫描目标点的空间几何、激光束返回的多次分波信息，以及每个点的空间位置坐标信息。作为优选，步骤(1)中，对三维激光点云数据的预处理包括：对获取的点云进行多站点拼接，并去除多站点拼接后点云中的噪点和拉丝点。作为优选，在获取三维激光点云数据并预处理后，步骤(2)中进行高程滤波，从多站点拼接后的森林植被点云中粗略分离出地面点，并结合目视解译进一步去除地面点中的杂点得到地面点。作为优选，步骤(3)中，将去除杂点后的地面点云数据存为LAS1.2格式，导入LIDAR360软件中，采用TIN差值的方法，生成TIFF格式的数字高程模型DEM。作为优选，步骤(7)中，对排序后的点云按照从下往上的顺序累加第一个点到第m个点的高度值，除以所有n个点的累计高度得到的高度百分比z％即为点云的高度累计百分数，将第m个点对应的高度hm称为点云的第Hz高度百分比，其计算公式如下：Hz＝hm式中：hi为第i个点的高度，m为第m个点，n为点云总点数，hm为第m点对应的高度。有益效果：与现有技术相比，本专利技术具有以下优点：本专利技术的利用激光点云计算林分高度累计百分比的方法提供了一种计算森林植被特征参数高度累计百分比的有效方法，无论是单株树木还是森林样方冠层的高度累计百分比，均可直接使用本方法求得。该参数的提取丰富了地面激光的特征参数用于植被生物物理参数估算的种类，增强了三维激光扫描技术应用的普及性和有效性，可以更好地服务于森林资源调查、植被生态遥感等资源环境研究项目。本专利技术与传统观测手段相比，工作量小，无需接触式观测，不破坏林分立木结构和生长特性，具有客观高效精确的特点；开发了从激光雷达数据中提取三维结构和生物物理多样性信息的方法，将林分中立木多种组合下冠层与主干垂直分布变化规律特征化。附图说明图1为本专利技术的流程示意图；图2为树干解析方法的圆盘及树高曲线；a.树干解析圆盘的获取与制作；b.解析木圆盘测量绘制树高曲线图3为地面激光点云提取的上部直径；a.树干点云切片示意图；b.点云提取上部直径绘制的树高曲线；图4为森林植被的地面点云以数字高程模型DEM；a.提取的地面三维点云示意图；b.根据地面三维点云生产的数字高程模型DEM；图5为归一化后的马褂木三维点云数据；a.单株马褂木的三维点云数据；b.5株马褂木组成样圆的三维点云数据；c.马褂木样地的三维点云数据；图6为一株马褂木的高度累计百分比计算方法示意图；a.单株马褂木高度累计百分本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种利用激光点云计算林分高度累计百分比的方法，其特征在于，包括下步骤：(1)森林植被的三维激光点云数据的获取及预处理；(2)利用高程滤波分离地面点与非地面点，再结合目视解译去除非地面点中的杂点，得到森林植被的三维激光点云。(3)基于森林植被的点云数字高程模型DEM的提取及生成；(4)根据生成的数字高程模型DEM对步骤(2)中获取的森林植被三维激光点云进行归一化处理；(5)根据步骤(4)中得到归一化后的森林植被三维激光点云，利用单木分割从林分点云中得到单株的点云作为数据源，从林分中获取样圆级别的树木群落点云作为数据源，将整个样地的三维激光数据作为数据源。(6)将归一化后单木、样圆或样地的尺度的数据类型的三维激光点云按照点云的高度从小到大进行排序；(7)对排序后的所有森林植被点云的高程进行累加，同时将排序后的点云从下往上的第一个点开始逐点向上累加，计算其与植被点云总高程的百分比关系，此百分比关系即为高度累计百分比。

【技术特征摘要】
1.一种利用激光点云计算林分高度累计百分比的方法，其特征在于，包括下步骤：(1)森林植被的三维激光点云数据的获取及预处理；(2)利用高程滤波分离地面点与非地面点，再结合目视解译去除非地面点中的杂点，得到森林植被的三维激光点云。(3)基于森林植被的点云数字高程模型DEM的提取及生成；(4)根据生成的数字高程模型DEM对步骤(2)中获取的森林植被三维激光点云进行归一化处理；(5)根据步骤(4)中得到归一化后的森林植被三维激光点云，利用单木分割从林分点云中得到单株的点云作为数据源，从林分中获取样圆级别的树木群落点云作为数据源，将整个样地的三维激光数据作为数据源。(6)将归一化后单木、样圆或样地的尺度的数据类型的三维激光点云按照点云的高度从小到大进行排序；(7)对排序后的所有森林植被点云的高程进行累加，同时将排序后的点云从下往上的第一个点开始逐点向上累加，计算其与植被点云总高程的百分比关系，此百分比关系即为高度累计百分比。2.根据权利要求1所述的利用激光点云计算林分高度累计百分比的方法，其特征在于：步骤(1)中，所述森林植被的三维激光点云数据通过地面多回波三维激光扫描仪获取，所述三维激光点云数据包含扫描目标点的空间几何、激光束返回的多次分波信息，以及每个...

【专利技术属性】
技术研发人员：孙圆，温小荣，蒋佳文，熊金鑫，
申请(专利权)人：南京林业大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32