基于机载lidar与航空像片的单木树高提取研究

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1、东北林业大学硕士学位论文1．2LiDAR基本原理与国内外研究概况激光雷达技术是现代对地观测的最新技术之一，能够通过位置、距离、角度等观测数据直接获取对象表面点三维坐标，在三维空间目标的实时获取方面具有强大的优势．与传统的点对点激光测距技术不同，激光雷达技术无合作目标，从传统的人工单点数据获取变为连续自动数据获取，为空间信息的获取提供了全新的技术手段【31。与微波雷达不同，激光雷达接收到的信号不仅仅是反射信号，还可能是大气散射信号、吸收衰减信号、荧光信号等，相应的其工作原理主要基于光反射、光折射、光强度、

2、荧光等。目前成功应用的激光雷达工作波长包括紫外、可见光、近红外、中红外和远红外，由于激光器采用的激光频率不同，激光与目标物的作用机理也不同。用于森林参数测定的主要是光波长在900～1500nm、利用传播时间差原理的测距型激光雷达。1．2。1林业用LjDAR工作原理及主要系统激光是具有大功率、高度方向性的光束。激光雷达以脉冲激光作为技术手段，以激光束扫描的工作方式测量从传感器到地面上激光照射点的距离，即通过测量地面采样点激光回波脉冲相对于发射主波间的时间延迟得到传感器到地面采样点之间的距离【4J。其测距基

3、本原理可表示为：R。盟(1)2’。其中，R是传感器到目标物体的距离，c是光速，t是激光脉冲从激光器到被测目标的往返传输时间例。图1-1激光雷达系统(自Robert,B．,2002．)Fig．1·1L／DARsystem(fromRobert,B．．2002．)激光雷达系统由激光扫描系统、全球定位系统(GlobePositioningSystem，GPS)和惯性测量单元(InertialMeasurementUnit，IMU)组成16】，如图卜1。由于该系统所获取的数据是大量悬浮在空中离散的点阵数据集，因

4、此形象地被成为。点云”数据，它们不仅包含地物对象的高程信息，还具有丰富的目标多次回波信号及强度信息、地物类别信息，以及与每一点高程信息对应的位置信息等。用于林业的LiDAR主要有两类，即记录波形数据的大光斑激光雷达与记录回波信号的小光斑激光雷达阴。大光斑直径为8～70m。主要利用连续波形反映大范围森林的垂直结构与生物量等信息，目前大光斑激光雷达系统主要有NASA的机载LVIS系统、SLICER系统和星载GLAS系统。瑞典TopEy=公司的TopEyeMark1I系统和加拿大Dptech公司的Optech

5、IncALTM3100系统；小光斑直径小于1m，利用多次回波的离散激光点云数据，估测森林高度、单木参数等，比较成熟的小光斑激光雷达系统有瑞典TbpEye公司的机载系统、德国TopSys系统和TopoS啪系统、加拿大Optech公司的ALTM系统、美国的PLAS系统．下面主要介绍小光斑激光雷达技术及其林业应用状况。'．2．2激光点云数据的滤波与分类算法．LiDAR数据首先即是被应用在地形探测上，涉及数字地形分析、地物识别三维重构等领域．在一些相关研究领域，如林业、地质、生态等，高精度DEM的获取意义重大。

6、通过对LiDAR点云数据进行合理的过滤、插值，可以获取高精度的三维数字地面模型，对此国外已经进行过许多研究，并且形成了很多过滤、分类算法。LiDAR点云过滤的相关研究始于上世纪90年代。近十几年来已经取得了丰厚的研究成果，主要集中在德国、瑞士、荷兰、美国以及加拿大等国家．目前用于机载激光扫描测高数据过滤的方法绝大部分都是基于三维激光数据脚点的高程突变等信息进行的【8_埘，其中应用较广、较具代表性的有以下凡种：(1)不规则TIN算法。该算法先基于粗放尺度的地面点建立不规则豫网格表面，然后根据其他点到该11

7、N表面的距离或角度是否在某一阈值内来判断点的归属，并且不断地吸呐并参与新的计算。(2)迭代线性最／b-乘内插法。该法采用一个含有四项参数的权重函数，根据相对高程越高的点其权重系数就越小的原则，达到对地面情况的充分估计．(3)数学形态学法。首先通过一片水平分布的记录点上的窗口得到初始地面，所有与该初始地面在某一距离范围内的点都认为是地面点，然后用一种自回归过程来检验和迸一步优化这些地面点．自回归运算要求激光点是有序排列的，因此菲常适合处理UDAR数据。(4)基于地形坡度法。基本思想也是基于非地形坡度引起的

8、两相邻点的与高程差异有关的坡度值，认为其中较高的点是非地面点。那么显然，在高差一定的情况下．随着两点间距离的减小，其中的较高点是地面点的可能性也减小。该法根据一个可按受的两点间的高程差，构造两点间的距离函数的函数。(5)活动窗口法。地物水平方向的空间尺度是关系到过滤窗口大小的重要参数，因此最佳窗口大小值并不固定。对于不同结构的目标，使用不同尺寸的窗口。对于任意一点，按照距其一定距离范围内的窗口的最小尺度，将这个点赋予一个权重，最后用于东北林