發(fā)布時間：2021-01-27 18:13

　　基于機(jī)載激光雷達(dá)（Li DAR）技術(shù)和單木分割算法提取單株樹木信息對于單木結(jié)構(gòu)研究、理解樹木生長、森林可持續(xù)管理具有重要的意義。本研究以分水嶺算法為基礎(chǔ),使用可變窗口的局部最大值算法,并采用分層級的區(qū)域增長算法及由高度差和梯度構(gòu)建的能量函數(shù)來分割樹冠邊界,從而優(yōu)化樹頂提取和相鄰樹冠的分割結(jié)果。以中國南方亞熱帶森林為研究區(qū),測試了針對不同密度（低、中、高密度）、不同樹種（白皮松和桉樹）以傳統(tǒng)分水嶺算法和優(yōu)化算法對于樹頂提取及樹冠分割的效果。為檢驗結(jié)果的準(zhǔn)確性,在實驗中對Li DAR數(shù)據(jù)和人工測量數(shù)據(jù)的分割結(jié)果進(jìn)行了對比和驗證,結(jié)果表明:對樹冠頂點探測率而言,優(yōu)化算法平均探測效果（樹冠探測率r=0.90、樹冠準(zhǔn)確率p=0.84、總體準(zhǔn)確率f=0.86）優(yōu)于傳統(tǒng)分水嶺算法（r=0.62、p=0.81、f=0.78）;對樹冠邊界探測精度而言,優(yōu)化算法平均探測效果（R2=0.80、RMSE=0.22 m、RRMSE=12.03%）優(yōu)于傳統(tǒng)分水嶺算法（R2=0.68、RMSE=0.28 m、RRMSE=17.45%）。在樹冠探測上,桉樹的準(zhǔn)確率略低于白皮松,但是與白皮松的探測率相差較小,這表明白皮... 

【文章來源】：林業(yè)工程學(xué)報. 2020,5(05)北大核心

【文章頁數(shù)】：8 頁

【部分圖文】：

本研究算法流程圖

利用高度差來實現(xiàn)樹冠的最優(yōu)分割結(jié)果是能量函數(shù)的第2部分。兩棵相鄰的樹之間必然存在一個鞍點(最低點)到兩棵樹冠頂點之間直線上點的高度差一定是最大的。因此，隨著區(qū)域增長的不斷進(jìn)行，當(dāng)前搜索的樹冠邊界上的像素與最近的兩個相鄰樹冠頂點之間的高度差也隨之增大。在當(dāng)前計算的像素高度差達(dá)到最大值時，表明該像素很大概率是真實的樹冠邊界像素。綜上所述，在尋找每個樹冠真實邊界的搜索過程中，每次迭代計算出的樹冠輪廓公式(4)的值會保持下降的趨勢，直到達(dá)到最小值，這表明程序的搜索達(dá)到了樹冠的真實邊界。反之，如果公式(4)的值在運行過程中出現(xiàn)上升，則代表相交樹冠區(qū)域會出現(xiàn)錯誤分割，需要進(jìn)行回滾(roll back,RB)來調(diào)整所有樹冠的增長順序�；貪L操作代表當(dāng)判定現(xiàn)在擴(kuò)張的樹冠是錯誤的時候，會回到上一次擴(kuò)張的區(qū)域并更換搜索像素開始重新計算。樹冠邊界歸屬判定準(zhǔn)則說明見圖3。

為了準(zhǔn)確提取樹木的各項參數(shù)，研究了分層的區(qū)域增長算法以達(dá)到從DSM中獲取樹冠輪廓。將樣地分成L1至L5共5層，每一個紅色點代表探測出來的樹冠頂點，也是區(qū)域增長算法中的種子點(圖2)。算法按照樹冠頂點的高度來決定區(qū)域增長的順序，每一次的區(qū)域增長只會在當(dāng)前分的層級中，在當(dāng)前層數(shù)未被搜索完成時，不會進(jìn)入下一級進(jìn)行搜索。分級的區(qū)域增長算法在探測出樹冠頂點的DSM中得以實現(xiàn)，該方法的數(shù)學(xué)表示如下。在DSM按高度分層后，區(qū)域生長開始于探測到的L1的樹冠頂點(tn)和位于DSM(c)內(nèi)的ci,j，即ci,j=tnn∈[1,2，…r]。結(jié)合樹冠形狀的表型特征，按照樹冠表面像素上的高度值從樹冠頂點向四面逐漸減小。根據(jù)探測到樹冠頂點tn及其在DSM中的位置，確定當(dāng)前層L1每個ci,j的鄰區(qū)單元c珋i,j，當(dāng)滿足樹冠形狀的表型特征ci珋z,j-ciz,j≤0以及符合能量函數(shù)下降趨勢，將探測出的鄰域與正在探測的像素融合，完成區(qū)域增長的步驟。因此，每個被擴(kuò)張生成的樹冠就從c珋i,j開始并同步擴(kuò)展到珌ci,j，其中珌ci,j代表c珋i,j的鄰域并滿足珌ciz,j-ci珋z,j≤0以及符合能量函數(shù)值下降的趨勢。然后，迭代執(zhí)行該過程，當(dāng)前層的每個樹頂所融合的ci,j將樹當(dāng)前層(L1)的像素全部搜索結(jié)束，進(jìn)入下一層。在高度間隔L1完成區(qū)域增長后，DSM中當(dāng)前層已搜索完成的相應(yīng)面積會被繼承到下一個高度間隔L2中。在L2中將新增加的樹冠頂點和繼承自上一層的樹冠區(qū)域繼續(xù)進(jìn)行區(qū)域增長。兩個樹冠之間的重疊區(qū)域，根據(jù)上層樹冠填充的區(qū)域為依據(jù)進(jìn)行分割，直到所有層被處理完畢。

【參考文獻(xiàn)】：
期刊論文
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本文編號：3003506