基于機載激光雷達和數碼相機的林木特征提取

王 寧 李德亮 田聰聰

（1.水發規劃設計有限公司，山東 濟南 250100；2.山東省國土測繪院，山東 濟南 250100；3.山東智帆地理信息技術有限公司，山東 濟南 250100）

機載激光雷達和數碼相機能夠提供高精度的森林結構和生物量信息，有助于評估森林碳匯功能。同時，森林生物多樣性是維持生態系統健康和穩定的關鍵[1]。提取林木特征可以監測森林物種分布、種群密度和生態位等關鍵的生物多樣性指標，為保護森林生物多樣性提供科學依據。

森林健康狀況直接影響生態服務功能和木材生產。利用機載激光雷達和數碼相機提取林木特征，可以實時監測樹木的生理狀態、生長情況以及森林病蟲害情況，為保證森林健康提供數據支持。林業資源清查是一項重要的林業基礎工作，其工作內容包括調查資源分布、蓄積量和生長量。機載激光雷達和數碼相機可以在大范圍內獲取高精度的森林資源信息，提高清查效率和準確性[2]。此外，應采取必要的措施進行生態恢復，對采伐過度或遭受破壞的林區進行再造林。本研究可以評估生態恢復和再造林的效果，為制定科學的生態恢復計劃提供依據。本文基于應用數碼相機與機載激光雷達進行研究，使人們更充分地了解森林資源和生態環境，提高公眾的環保意識和參與度。

1 研究區與數據

1.1 研究區概況

隨著全球氣候變暖，為了應對氣候變化，需要準確、快速地監測森林碳儲量。因此，在設計方法前，需要分析研究區的概況。相關內容見表1。根據表1分析研究區的氣候條件和氣溫條件，相關內容見表2、表3。

表1 研究區概況

表2 研究區氣候條件

表3 研究區的氣溫條件

明確地區氣候條件后，安排技術人員現場調研與勘查，發現林場的森林資源種類較多。為更直觀地掌握研究區基本情況，勘查現場，明確研究區林場經營林地總面積為10 217.55 hm2，森林覆蓋率88.6%，林木蓄積324 000 m3[3]。森林資源既是可再生資源，又是無形的環境資源，其本質屬于具有開發潛力的綠色能源。因此，合理規劃和利用森林資源對保護生態環境和經濟發展都有重要意義[4]。為保證相關工作在實施中的規范性與合理性，以某試點區域為例，分析區域內樹種面積與占有面積，見表4。

表4 試點區域樹種面積與占有面積分析

1.2 研究區飛行設計

完成上述內容的設計后，使用激光雷達設備采集測區數據，激光雷達發射脈沖激光束照射地面或物體上后會被反射回來。通過測量激光束的往返時間，可以計算物體的距離。同時，激光束的探測角度也影響數據的精度和分辨率。

因此，在正式收集資料前，需要先確定被測量區域的界線，這對確定地面控制點和規劃航線來說非常重要[5]。同時，測量區域內的地形條件，例如植被、建筑物等，都會直接影響制定飛行計劃。另外，機載 LiDAR資料的最終用途也是制定飛行計劃的重要參考。例如，為了得到1個更精確的數字地形模型，需要在研究區的植被覆蓋范圍內留出一定間隙，使觀測信號能夠穿過冠層，進入地表[6]。在高植被覆蓋區域進行地面遙感反演，還須提高掃描頻率，減少激光岐角，并降低飛行高度，增大空間密度并增強植被穿透力。本文以此為標準，設計研究區飛行路線，如圖1所示。

圖1 研究區飛行路線設計

2 數碼相機影像正射校正

當飛機飛行時，由于不可能精確地控制飛行平臺，加上地表起伏，因此采集的數字相機圖像出現了像點偏移、圖像變形和尺度不一致等問題。針對這個問題，在利用機載激光雷達提取林木特征參數前，需要正射校正數碼相機影像[7]。在平坦區，采用多項式幾何改正方法，解決高精度航攝影像的正射改正問題。正投影修正原理如圖2所示。

圖2 數碼相機影像正投影修正原理示意圖

須采用微分校正方式修正框幅式中心投影的影像。由地表決定的平面位置為地表的正交投影，它與其對應的點之間的內在函數關系為共線方程。根據共線性公式，在給定航片內、外方位要素以及地面高的基礎上，建立圖點間的映射關系[8]。共線方程如公式（1）、公式（2）所示。

式中：x為橫坐標共線方程；y為縱坐標共線方程。XA、YA和ZA為圖點坐標；XS、YS和ZS為像點坐標；f為共線函數；a、b和c為轉換系數。為實現二維圖像之間的幾何轉換，假設定義任意一個像元為p。在原始圖像和糾正后圖像中確定一個節點，其坐標分別為p（X，Y）、p（X'，Y'），兩者之間的映射關系如公式（3）、公式（4）所示。

式中：fx（X'，Y'）和fy（X'，Y'）為直接法轉換函數橫、縱坐標；φX（X'，Y'）和φY（X'，Y'）為間接法轉換函數橫、縱坐標；fy為直接法轉換函數；φX為間接法轉換函數；X'為像元p的橫坐標；Y'為像元p的縱坐標。將上述映射關系作為依據，生成數字正射影像，流程如圖3所示。

圖3 數字正射影像生成流程

3 三維機載激光雷達掃描測量林木數據點云

在林木測量領域，點云數據可以提供準確的樹高、樹冠形狀和樹木間距等信息，這些信息對森林管理、森林保護和森林規劃等方面具有重要意義。同時，這些信息也可以用于監測森林生長狀況、評估森林生態效益等方面。機載激光雷達掃描獲取的數據為點集，其在3D空間上呈不規則的點云分布，具有一定隨機性。其中，既有現實地表的點位，也有人造建筑（樓房、煙囪、鐵塔和輸電線路等）以及天然植被（樹木、灌木和草地）。對任意三維機載激光雷達掃描點集P{（p1x，p1y，p1z），（p2x，p2y，p2z），…，（pnx，pny，pnz）}，初始化1個映射的權重集合W（ω1=ω2=…=ωn）。在權重集合W中，任意1個元素ωi的取值表示點集上的3 d點在數字高程模型（DEM）曲面上的作用權重，權重越大，DEM曲面的貢獻度就越大。將表面f（X，Y）作為標準，對WP點集進行均勻化插值處理，并以此生成三維空間內的二維DEM表面。DEM表面上的任意一點（tx，ty，tz），存在下述關系，如公式（5）所示。

按照上述內容完成DEM迭代運算，直至1組距離的剩余值降至預定的某個閾值以下，或者已達到最大值。

4 林木特征數字高程模型歸一化與林木特征分布圖生成

機載激光雷達直接記錄了地面目標的3D信息，激光雷達的探測波束能夠穿透或部分穿透目標，在最終回波中有豐富的地面信息。本項目以研究區的一次回波數據為基礎，采用插值法構建DEM，并對已分類的地表激光點（ASCII文件格式）進行插值生成，形成 DEM。

將森林特性DEM與數字地表高程模型（DSM）進行高度差分后，再通過DEM與DSM的高差處理，最終獲得高精度的地物形態信息。在不同尺度上將數據進行對比，并進行歸一化處理，將林木特征和地形信息映射至同樣的數值范圍，例如將它們縮放到0～1。目前，利用DEM與DSM獲取數字影像學數據，其準確度決定了歸一化數字地表高程模型（nDSM）的準確度。

在林區，nDSM與冠層高度模型是等價的。由于部分激光光斑可能來自冠層下部灌木等低矮植被，部分激光光斑對樹高反演產生影響，因此，需要剔除一些高程偏高或偏低的測點。在此基礎上，針對研究區內的樹高分布特點，將﹤1.5 m、＞35 m的點剔除，獲得只含有植被高度數據的點云文件，并將其進行差分，從而獲得對應的植被高度分布圖。

5 結語

機載激光雷達和數碼相機是森林調查和監測中的重要技術工具。這兩者結合使用，可以有效地提取林木特征，對森林管理和保護具有重要意義。通過本研究，明確了林木特征提取是一項具有重要意義和應用前景的技術。該技術的出現改變了傳統森林調查方法的局限性，解決了效率低的問題，實現了快速、準確和大范圍的森林資源監測。

本研究具有以下4個優點。1）精度高。機載激光雷達可以獲取高精度的地形數據，數碼相機可以拍攝高分辨率的圖像，通過數據處理和分析，可以得到更準確的林木特征信息。2）適用范圍廣。該技術可以應用于不同類型的森林，包括針葉林、闊葉林和混交林等，也可以應用于不同的地理條件和氣候區域。3）實時性強。通過機載激光雷達和數碼相機獲取的數據，可以實時監測和分析數據，為森林管理和保護提供及時、可靠的信息。4）成本效益高。與傳統的森林調查方法相比，基于機載激光雷達和數碼相機的林木特征提取技術具有更高的成本效益，可以大幅降低調查成本。

在未來的研究中，可以進一步探索該技術在不同森林類型、不同地理條件下的適用性和優化方法，提高該技術的可靠性和精度。同時，還可以將該技術與現代信息技術、大數據分析等相結合，使森林管理更智能化、自動化。