基于地面激光的单木数测量研究

发布时间：2020-05-27 13:46

【摘要】：植被结构参数是研究生态系统功能和生态系统相互作用的关键要素。由于树木中植物物质的数量,通过对活立木参数直接测量进行详细检索是不切实际的。陆地激光雷达扫描仪(TLS)已被证明具有很高的潜力,可以作为高度详细的植物结构参数估算的间接手段,而一些研究则发现了这种方法固有的一些挑战。为了更好地理解和预测陆地生态系统如何响应和影响环境变化,需要关于小尺度范围内的生态系统结构的信息。来自地面仪器的LiDAR遥感是提供这种信息的有前途的技术,地基激光雷达不受天气影响,减少叶面覆盖影响的同时将多视图扫描数据进行拼接,保证扫描的点云数据的高密度高精度完整性,,物理模型非常适合处理数据并获得可靠的植被参数。在这项研究中,我们主要研究了树木点云数据的骨架提取和叶面积密度反演。我们引入_1L中值概念用于求取具有鲁棒性的点云活立木骨架线,将点云数据在局部利用随机采样点使用自增邻域迭代为一维结构的骨架点,同时加入了排斥力的概念用于规整骨架点,引入椭圆拟合方法用于补全缺失点云数据,实现了骨架点的校正,把它当做枝干的局部中心。此种方法的主要优点是对点云数据的精度和质量没有高度的要求,同时对树木枝干空间拓扑结构要求同样不严格,在樱花树和无患子树的骨架提取的过程中,不但能够有效的抗噪声,而且对于异常值和点云数据缺失有一定的校正效果。在此同时,我们使用基于体素结合光线追踪算法的方法来检索单个树木的叶面积分布。该方法基于应用于从单个或多个扫描位置地基激光扫描雷达(TLS)返回的接触频率方法。计算体素的大小可以设置为10,20和30毫米,首先提取法向量,增加特征实现点云数据的枝叶分离,然后针对激光束大小对叶片重叠效应的影响,通过计算机仿真模拟出光线的传输模型用来缓解遮挡效应,基于光的可用性,使用校正因子用于估算重叠效应过于显著的体素的叶面积。我们比较了点云数据反演的叶面积估计值与通过采集叶子获得的直接测量值。除此之外,我们针对光线在传输中受到朗伯比尔定律的影响,通过计算机模拟叶片在体素中受影响的穿过距离,得以建立新的模型反演叶面积密度。被采样的树木的测量叶面积值为5-30平方米,冠层LAI值在0.75-3.2之间。叶面积估计值与参考测量值(相对偏差)平均相差13%。我们的方法提供了单个树木的叶面积密度的反演过程,同时可以间接估算出叶面积指数,进而通过树木的垂分布来详细估计植被的结构参数。
【图文】：

图 2-1 为鱼目相机拍摄平台和拍摄的半球图像Fig 2-1 Platform and hemisphere image for fisheye camera近年来，已经出现了很多种获取冠层形态结构和测量树木参数的方法。首先，植物分析仪和传统的树木测量机械仪器效率低下，除了太阳天顶角外，，还受叶片重叠和聚应的影响。其次，高光谱辐射仪被用于从上到下测量冠层，通常包括从地面记录的反

图 2-2 LI-3000 叶面积指数分析仪和地面激光扫描雷达Fig 2-2 LI-3000 Leaf Area Index Analyzer and Terrestrial Laser Scanning.2 研究区概况与数据
【学位授予单位】：南京林业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TN957.52;S758.1

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本文编号：2683624