解决方案 | 基于无人机平台应用激光雷达技术获取树木信息 (包含位置、树高、树冠直径、树冠面积和树冠体积等)

一、场景概述

森林资源调查的重要内容之一是测量样方内单木的树种树高胸径所在位置等。激光雷达技术能够同时获取森林冠层表面的水平垂直结构信息,基于高密度的激光雷达点云不仅能够获取林分尺度森林参数,也可以提取单木尺度的森林参数。基于点云数据获取单木尺度森林参数,首先需要进行单木分割,单木分割方法可分为基于CHM的分割基于点云的分割

本文介绍采用无人机激光雷达扫描系统获取点云数据,使用LiDAR360软件进行数据处理分析,获取树木位置、株数、树高、树冠直径、树冠面积和树冠体积等信息。

二、硬/软件选配

无人机激光雷达扫描系统:LiAir 1000

LiAir 1000是由数字绿土自主研发的中型激光雷达点云数据采集系统,高度集成了激光雷达扫描仪GNSSIMU定位定姿系统存储控制单元,可实时、动态、海量采集高精度点云数据及丰富的影像信息。广泛应用于测绘、电力、林业、农业、国土规划、地质灾害、矿山安全等领域三维空间信息的获取。

  • 精 度:精度满足 1:500 地形测图需求;
  • 效 率:单机日测 18 平方公里;
  • 稳 定 性:安全作业时长累计超5000小时;
  • 操作方式:支持一键式流程化数据采集,一键起降自动执行航线;
  • 搭配平台:系统兼容多旋翼无人机、垂直起降固定翼无人机等无人平台;
  • 实时监测:支持POS参数、设备状态在作业过程显示;

控制和解算软件:LiAcquire机载激光雷达地面站软件,进行设备控制/实时监测:

  • 开启/关闭激光雷达扫描仪、相机、惯导;
  • 实时显示设备作业状态;
  • 支持远程下载原始数据;
  • 支持航带裁切,真彩色点云解算,点云量测,数据回放;

点云数据后处理软件:LiDAR360点云数据处理分析软件

使用LiDAR360通用平台上扩展的机载林业模块,进行机载激光雷达点云数据处理分析。主要功能包括:统计参数提取、回归分析、单木分割、单木参数提取。

三、作业流程

LiAir 1000数据采集流程:

  1. 确定作业区域,本次飞行包含两个测区,一个600*1000m的大样地,一个30m*20m的小样地,测区高差在20m范围内。
  2. 航线规划,大样地共设计5条航线。

(即将提供适配LiAir的地面站移动端应用LiPlain,用于航线精准规划)

 

                            图1 航线设计(左:大样地 右:小样地)

3.起飞准备和数据采集。

4.数据下载和解算,包括POS解算和点云数据解算;

5.将点云数据导入LiDAR360软件,如下图所示;

大样地点云效果

小样地点云效果

点云数据处理流程:

LiDAR360的机载林业模块分别提供了基于CHM基于点云的单木分割。其中,基于点云的单木分割包括直接基于点云分割以及基于种子点的单木分割(种子点的生成方法包括基于CHM和基于层堆叠算法)。本文中的单木分割采用基于种子点的单木分割,种子点基于层堆叠算法生成。

(1)去除空中噪点,提高数据质量;

(2)从点云数据中分离地面点;

(3)基于地面点生成DEM;

(4)利用DEM对点云进行归一化,去除地形影响,下图分别为原始点云(左)和归一化之后的点云(右);

(5)层堆叠生成种子点,采用层堆叠算法从归一化的点云数据中提取单木位置(种子点文件为逗号分隔的CSV文件,其中包含四列,依次为:树ID、X、Y、Z坐标),以这些信息作为种子点,对点云进行单木分割。

(6)基于种子点对点云进行单木分割,获取单木位置、树高、树冠直径、树冠面积和树冠体积。

(7)通过ALS编辑工具对单木分割的结果进行检查,同时,可对种子点进行增加、删除等人工交互编辑,并基于编辑后的种子点再次对点云进行分割,提高单木分割的准确性。

四、精度验证

选取三个小样地通过人工调查获取树木株数,其中:样地1(长90m,宽20m)、样地2(长480m,宽170m)、样地3(长30m,宽22m),与LiDAR360单木分割得到的树木株数进行对比,对比结果如下表所示:

样地名称 实测株数 单木分割得到的株数 准确率
样地1 365 304 83%
样地2 5843 6242 94%
样地3 118 100 85%

在样地3中选择三棵树实测高度与激光测量树高比较,正确率高达97%。

五、应用案例