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地基激光雷达反演树木叶面积参数方法

空间科学学报 2023年第6期43卷 1160-1175页

作者：胡容海邢煜振中国科学院大学资源与环境学院北京100049 北京燕山地球关键带国家野外科学观测研究站北京101408

叶面积指数(Leaf Area Index, LAI)是表征植被冠层结构的核心参数,叶面积指数的间接测量一直是植被遥感的一项重要研究内容。地基激光雷达(Terrestrial Laser Scanning, TLS)以其高效、精细的三维观测能力被广泛用于叶面积指数的反演研... 详细信息

叶面积指数(Leaf Area Index, LAI)是表征植被冠层结构的核心参数,叶面积指数的间接测量一直是植被遥感的一项重要研究内容。地基激光雷达(Terrestrial Laser Scanning, TLS)以其高效、精细的三维观测能力被广泛用于叶面积指数的反演研究,同时地基激光雷达也为反演更精细的叶面积参数,例如叶面积体密度(Foliage Area Volume Density, FAVD)的三维分布提供了可能性。从方法论角度出发,对基于地基激光雷达反演叶面积参数的主要方法,不同方法的优势、局限性和影响因素进行分析。现有反演方法可分为四类:基于间隙率的方法、基于接触频率的方法、基于计算机图形学理论的方法以及基于生态生理学模型的方法。基于地基激光雷达的叶面积参数反演也从样方尺度叶面积指数向更精细的单木尺度叶面积垂直剖面(Vertical Foliage Profile, VFP)和体素尺度叶面积体密度发展。在此过程中,聚集效应、非均一路径长度和遮挡效应是影响测量精度的重要因素,需要进一步的研究和校正。

关键词：叶面积参数地基激光雷达间隙率接触频率体素

融合北斗/GNSS定位和5G通讯的地基激光雷达测量系统

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光学精密工程 2023年第4期31卷 450-458页

作者：郭明齐慧慧郭可才周玉泉李登科北京建筑大学测绘与城市空间信息学院北京102616 代表性建筑与古建筑数据库教育部工程研究中心北京100044 现代城市测绘国家测绘地理信息局重点实验室北京100044 建筑遗产精细重构与健康监测北京市重点实验室北京建筑大学北京100044 北京申信达成科技有限公司北京102444

针对海量激光点云异地实时扫描处理困难和现场绝对坐标系的配准问题,结合北斗/GNSS定位系统和5G通讯技术研制一套低成本地基激光雷达测量系统。该测量系统由激光雷达、高精度电机、北斗/GNSS接收模块和5G模组集成,激光雷达采集点云信息... 详细信息

针对海量激光点云异地实时扫描处理困难和现场绝对坐标系的配准问题,结合北斗/GNSS定位系统和5G通讯技术研制一套低成本地基激光雷达测量系统。该测量系统由激光雷达、高精度电机、北斗/GNSS接收模块和5G模组集成,激光雷达采集点云信息,高精度电机获取角度信息,北斗/GNSS接收模块接收时间并通过自主研发的时间同步模块,与高精度电机与激光雷达进行时间标记,获取带有时间标签的点云和角度文件,并通过5G通讯技术实时传输。终端通过自主研发的数据预处理软件,通过线性插值算法进行多帧点云时空配准,室外根据北斗/GNSS坐标进行多站激光点云粗配准,室内无北斗/GNSS环境下通过单站特征点进行多站点云粗配准,再利用临近迭代算法进行精配准以完成整体配准,并在自主研发的实时点云管理与可视化系统上进行可视化。实验表明该测量系统使用5G通讯技术传输速率50 Mbit/s,可以实现异地实时扫描传输,配准后的点云误差在3 mm以下,可为数字孪生、物质文化遗产监测、特大异形建筑施工运维分析等实时应用领域提供数字基础设施。

关键词：北斗 5G 地基激光雷达点云配准可视化

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基于地基激光雷达构建人工林树高模型的研究

森林工程 2022年第1期38卷 93-100页

作者：姚相坤苍甜甜张一帆许延丽黑龙江科技大学矿业工程学院哈尔滨150022 中船(浙江)海洋科技有限公司浙江舟山316021

为探索地基激光雷达技术提取人工林单木因子、构建树高模型的可靠性,本文采用地基激光雷达技术对水曲柳(Fraxinus mandshurica)和兴安落叶松(Larix gmelinii)2种人工林样地进行多站全方位扫描,对获取的点云数据进行预处理、点云归一化... 详细信息

为探索地基激光雷达技术提取人工林单木因子、构建树高模型的可靠性,本文采用地基激光雷达技术对水曲柳(Fraxinus mandshurica)和兴安落叶松(Larix gmelinii)2种人工林样地进行多站全方位扫描,对获取的点云数据进行预处理、点云归一化和单木分割,再批量提取单木因子树高和胸径,最后基于点云数据提取的单木因子,分别对备选的8个树高模型进行拟合,并用实测数据进行检验,得出模型精度评价结果。结果显示:①针对本文所选的2块人工林样地,地基激光雷达点云数据对单木的识别率达到了100%;②水曲柳和兴安落叶松胸径提取结果决定系数(R 2)均在0.92以上,树高的R 2均在0.90以上;③基于点云提取的树高和胸径构建的水曲柳的最优树高模型为Schumacher模型,拟合结果调整绝对系数(R_(a)^(2))为0.8261,兴安落叶松的最优树高模型为Logistic模型,拟合结果R_(a)^(2)为0.8011,2个树种最优树高模型拟合与检验结果基本一致。从而得出,地基激光雷达技术对人工林样地单木识别率很高,单木因子提取精度较好,基于提取的单木因子所构建树高模型,在林业调查中有较高的科研价值和应用前景。

关键词：地基激光雷达人工林单木因子树高模型水曲柳兴安落叶松

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基于网络图的地基激光雷达复杂树木点云枝叶分离方法

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遥感技术与应用 2022年第1期37卷 161-172页

作者：林筱涵李爱农边金虎张正建南希中国科学院水利部成都山地灾害与环境研究所数字山地与遥感应用中心四川成都610041 中国科学院大学资源与环境学院北京100049

地基激光雷达树木点云数据的枝叶分离是精确计算地上生物量和叶面积指数的重要前提,也是树木三维建模的重要步骤。然而,山地复杂树木冠幅大且结构复杂,从而造成树叶与枝干之间的相互遮挡,因此很难获取高质量的点云数据,目前对其实现枝... 详细信息

地基激光雷达树木点云数据的枝叶分离是精确计算地上生物量和叶面积指数的重要前提,也是树木三维建模的重要步骤。然而,山地复杂树木冠幅大且结构复杂,从而造成树叶与枝干之间的相互遮挡,因此很难获取高质量的点云数据,目前对其实现枝叶分离依然存在较大的困难。利用地基激光雷达FARO Focus3DX330获取三维激光点云数据,提出了一种基于网络图的树木点云枝叶分离方法。首先,采用LeWos模型对点云进行初步的枝叶分离,分离出枝干和叶片点云。在此基础上,针对枝干和叶片混合点云通过路径追踪检测算法来精细分离枝干和叶片。随着路径长度从10增加到100,枝干点不断增加,叶片点不断减少,枝叶分离精确度、枝干F分数、叶片F分数、Kappa系数均先增加后减少。综合这4项精度评价指标,选取各个树木最优路径长度执行路径追踪检测算法。通过与LeWos模型、Tlseparation模型和高斯混合模型等主流枝叶分离方法比较发现,该方法精度更优,精确度为91.97%。而且,该方法的枝干F分数和叶片F分数均大于85%,这表明该方法具有很好的平衡性。该方法仅使用路径长度,不考虑几何特征,因此极大地提高了针叶树木的枝叶分离精度。同时,该方法对不同树种、不同密度点云枝叶分离效果均较好,鲁棒性强。精确的树木点云枝叶分离对森林资源管理和生物多样性研究等具有重要意义。

关键词：地基激光雷达枝叶分离网络图 LeWos模型路径追踪检测算法

地基激光雷达森林近地面点云精细分类与倒木提取

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遥感学报 2019年第4期23卷 743-755页

作者：马振宇庞勇李增元卢昊刘鲁霞陈博伟中国林业科学研究院资源信息研究所

本文利用地基激光雷达实现天然林区近地面点云数据的精细分类和倒木提取。对大兴安岭天然林区的3个倒木样地进行了近地面1.3 m以内点云精细分类和倒木信息提取。为避免点云密度差异和遮挡的形态特征,点云分类时基于自适应临近搜索法计... 详细信息

本文利用地基激光雷达实现天然林区近地面点云数据的精细分类和倒木提取。对大兴安岭天然林区的3个倒木样地进行了近地面1.3 m以内点云精细分类和倒木信息提取。为避免点云密度差异和遮挡的形态特征,点云分类时基于自适应临近搜索法计算团块协方差特征值构造3D和2D特征。使用k临近递增的团块协方差特征值得到的线性特征、面状特征和发散状特征构造最大熵函数,用最大熵函数取得最大值时的临近点云计算特征参数,根据递归特征排除法(RFE)筛选重要变量进行随机森林分类。利用自适应kNN特征得到3块研究样地(A、B、C)的分类总体精度分别为93.17%、94.52%、95.16%;固定k临近搜索时,总体精度分别为92.65%、89.09%、92.99%,表明自适应kNN搜索方法使分类精度有一定提高。提取倒木点云去噪处理后进行随机抽样一致圆柱拟合,根据轴线方向进行圆柱的筛选与合并,实现倒木的识别,样地倒木识别率为100%。

关键词：地基激光雷达点云倒木随机森林分类随机抽样一致

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地基激光雷达提取单木冠层结构因子研究

农业机械学报 2018年第2期49卷 199-206页

作者：王佳张芳菲高赫吕春东北京林业大学林学院北京100083 北京林业大学精准林业北京市重点实验室北京100083

在传统森林计测中,由于树木冠层的形态各异、结构复杂,往往难以精确获取结构因子。本文以地基激光雷达为工具,通过对单木扫描获取点云数据,基于球极平面投影和Lambert方位角等面积投影法计算冠层孔隙度,运用不规则面投影法和体元法提取... 详细信息

在传统森林计测中,由于树木冠层的形态各异、结构复杂,往往难以精确获取结构因子。本文以地基激光雷达为工具,通过对单木扫描获取点云数据,基于球极平面投影和Lambert方位角等面积投影法计算冠层孔隙度,运用不规则面投影法和体元法提取树冠的体积和表面积,并对结果进行了对比分析。选取北京林业大学校园内6株立木为研究对象,结果表明,对于冠层孔隙度,球极平面投影的结果均小于Lambert方位角等面积投影,平均误差为0.03;对于体积和表面积,运用不规则面投影法和体元法得到树冠体积相对误差为5.32%~12.43%,平均相对误差为9.29%,提取的树冠表面积的相对误差为1.40%~5.21%,平均相对误差为3.33%。2种方法得到的结果差别不是很显著。因此利用地基激光雷达获取点云数据,通过对单木一次扫描提取冠层孔隙度、树冠体积和表面积,为计算树木的三维绿量、生物量、光合作用能力等提供了更可靠的数据支持。

关键词：地基激光雷达冠层结构树冠体积树冠表面积冠层孔隙度

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地基激光雷达的玉兰林冠层叶面积密度反演

遥感学报 2016年第4期20卷 570-578页

作者：王洪蜀李世华郭加伟梁祖琴电子科技大学资源与环境学院四川成都611731 四川水利职业技术学院测绘工程系四川崇州611231 西南交通大学地球科学与环境工程学院四川成都611756

叶面积密度LAD(Leaf Area Density)是表征冠层内部叶面积垂直分布的重要参数,其分布廓线的准确反演对研究植被碳氮循环、初级生产力和生物量估算等具有重要意义。本文在电子科技大学校内建立实验样区,利用地基激光雷达Leica Scan Statio... 详细信息

叶面积密度LAD(Leaf Area Density)是表征冠层内部叶面积垂直分布的重要参数,其分布廓线的准确反演对研究植被碳氮循环、初级生产力和生物量估算等具有重要意义。本文在电子科技大学校内建立实验样区,利用地基激光雷达Leica Scan Station C10和数码相机获取玉兰林高分辨率3维激光点云数据和真彩色影像。利用监督分类将真彩色影像中枝干等非光合组织与叶片分离,再将像素分类信息映射给点云数据,从而提取叶片点云。通过点云数据体元化,并引入2维凸包算法确定垂直方向分层树冠边界,获取激光接触冠层的频率;随机选择不同高度的多个叶片,利用特征值法进行叶片平面拟合,估算出叶倾角,并结合天顶角估算叶倾角校正因子;最后基于体元的冠层分析VCP(Voxel-based Canopy Profiling)方法实现树林冠层LAD反演。结果表明体元化的叶片点云数据能准确确定树林冠层边界和统计接触频率实现LAD反演;反演的LAD变化走势与区域林木冠层叶片垂直分布相吻合,在冠层中下部随着高度的增加叶面积密度也随之增加,在4 m高度处达到最大值1 m2/m3,之后随着高度的增加叶面积密度逐渐降低。根据LAD计算得到的累积叶面积指数LAI为3.20 m2/m2,与LAI-2200实测的叶面积指数相比,相对误差为1.26%。

关键词：地基激光雷达叶面积密度 VCP方法阔叶林冠层

地基激光雷达灌丛化草原小叶锦鸡儿生物量估算

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遥感学报 2020年第7期24卷 894-903页

作者：刘晓亮隋立春白永飞赵旦赵玉金刘艳书翟秋萍长安大学地质工程与测绘学院西安710054 中国科学院植物研究所植被与环境变化国家重点实验室北京100093 中国科学院空天信息创新研究院遥感科学国家重点实验室北京100094 中国林业科学研究院荒漠化研究所北京100091

小叶锦鸡儿是内蒙古灌丛化草原中最具代表性的景观植物,准确估算小叶锦鸡儿灌丛的地上生物量对研究灌丛化草原生态系统、监测草原灌丛化程度具有重要意义。地基激光雷达TLS(Terrestrial Laser Scanning)可通过获取高密度点云数据准确估... 详细信息

小叶锦鸡儿是内蒙古灌丛化草原中最具代表性的景观植物,准确估算小叶锦鸡儿灌丛的地上生物量对研究灌丛化草原生态系统、监测草原灌丛化程度具有重要意义。地基激光雷达TLS(Terrestrial Laser Scanning)可通过获取高密度点云数据准确估算灌木体积,被广泛应用于反演灌木生物量,但在灌丛化草原中尚未得到有效应用。本研究首先在中国科学院灌丛化草地植被恢复试验区获取了5个样方(10 m×10 m)共42株灌丛的TLS点云数据及实测生物量信息;然后分别使用整体凸包法、切片凸包法、切片分割法、体积表面差分法、体素法5种方法计算灌丛体积并与实测生物量进行回归分析;最后,通过留一交叉验证对5种方法建立的生物量估算模型精度进行对比分析。结果表明:TLS可在不破坏植被的情况下实现快速、准确地小叶锦鸡儿灌丛生物量反演,是传统野外调查方法的可靠替代技术。研究中采用的5种方法均能较好地估算灌丛生物量,其中:(1)相比于整体凸包法(R^2=0.87,p<0.001,RMSE=30.50 g),切片凸包法(R^2=0.89,p<0.001,RMSE=28.01 g)与切片分割法(R^2=0.88,p<0.001,RMSE=29.03 g)可有效减弱离群点造成的体积高估,生物量估算精度有所提升;(2)格网大小为3 cm、高度统计变量选取标准差时,体积表面差分法计算的体积与实测生物量拟合度最好(R^2=0.89,p<0.001,RMSE=28.89 g),表明高度标准差是估算小叶锦鸡儿灌丛生物量的强预测因子;(3)体素法解释了生物量估计值90%的变化(R^2=0.90,p<0.001,RMSE=26.28 g),是适合小叶锦鸡儿灌丛生物量反演的最优模型。

关键词：遥感地基激光雷达灌丛化小叶锦鸡儿生物量体积

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基于地基激光雷达的栾树分形特征分析

山东农业大学学报（自然科学版） 2022年第3期53卷 475-483页

作者：李辉林沂孟祥爽史振伟蔡万园北京大学地球与空间科学学院遥感与地理信息系统研究所空间信息集成与3S工程应用北京市重点实验室北京100871

分枝结构的几何特征是树木分枝按照一定规律组合而成的形态,体现了个体树木在生理、生态角度对于环境的适应能力,以及对光、水、养分、空间等生长影响因子的竞争能力,是生态领域研究的一个重要内容。地基激光雷达(Terrestrial Laser Sca... 详细信息

分枝结构的几何特征是树木分枝按照一定规律组合而成的形态,体现了个体树木在生理、生态角度对于环境的适应能力,以及对光、水、养分、空间等生长影响因子的竞争能力,是生态领域研究的一个重要内容。地基激光雷达(Terrestrial Laser Scanning, TLS)技术的发展为获取单木结构的参数提供了一种便捷、无损的绿色方式。本文使用基于TLS点云的方法来代替耗费大量人力的方式来获取树木分枝的结构参数,并进行分形特征的分析,发现在栾树的生长发育阶段,为了充分利用光照条件和生长空间,随着DBH的增加,分枝率和枝径比同步上升,但分枝角度呈先上升后下降的趋势。

关键词：地基激光雷达栾树特征分析

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