基于机载激光雷达数据的森林参数反演与程序设计

摘要

森林结构参数是刻画森林生长、评价生态功能的重要指标，常用的森林结构参数有树高、冠幅、胸径、LAI和LAD等，这些参数为森林资源管理以及制定全球气候变化减缓政策提供了可靠的支撑和依据。机载激光雷达系统不仅可以精确、快速的获取地球表面几何信息、回波地物的辐射信息，而且还具有很强的穿透森林植被的能力，它为森林结构参数的提取以及森林生态系统功能参数的反演提供了全新的技术手段支持。
　　本研究主要内容包括：⑴提出了一种全新的，在三维空间上根据单棵树冠层内的激光点云以及相邻树与树之间的冠层激光点云，存在的不同的聚类关系进行单木分割的算法。并用实测数据对该算法下实现的单木分割结果进行了验证，验证结果的绝对系数大于0.7。⑵使用单木分割算法分割出来的单木点云数据，并根据冠层在二维空间中的分布形状，改进了一种的估计单木树高的算法----抛物线拟合法，结果表明该方法比普通方法在绝对系数上提高了0.076，均方根误差降低了0.43米；根据激光穿透指数LPI反演了叶面积指数LAI；利用高斯函数反映了LAD随高度的变化情况。⑶根据机载激光雷达数据在森林应用中的实际需求，并遵守相应的设计原则，设计和开发了用于机载激光雷达数据管理、三维显示、数字模型构建和森林结构参数反演的系统ALiDAR_ForForest。⑷以内蒙古额尔古纳市的上库力农场农林交错地带为实验区，对ALiDAR_ForForest系统进行了测试与实际应用：在该系统中，实现了对 las1.0、las1.1、las1.3等点云数据格式的解析；使用DirectX技术实现了激光点云数据的缩放、旋转、平移、视图切换等三维显示；使用空间插值算法创建了测绘中常用的DEM和DSM，以及森林中常用的冠层高度模型CHM；为了分割冠层与灌丛，提出了林灌分割算法；为了观察单木冠层的分布状况，模拟了单木叶片三维分布；以及实现了单木分割和森林结构参数反演等。

目录

声明

第一章 绪论

1.1 研究工作的背景与意义

1.2 国内外研究现状

1.3 发展态势

1.4 论文研究内容

1.5 论文结构安排

第二章 研究区域与数据

2.1 研究区域概况

2.2 研究数据

2.3 本章小结

第三章 基于A-LiDAR数据的单木分割算法研究

3.1 技术路线

3.2 局部最大值法初始识别分割

3.3 聚类

3.4 单木分割实施

3.5 单木分割结果与讨论

3.6 本章小结

第四章 基于A-LiDAR数据的森林结构参数反演算法研究

4.1 单木树高估计

4.2 森林叶面积指数反演

4.3 森林叶面积密度反演

4.4 本章小结

第五章 系统设计与开发

5.1 需求分析与设计原则

5.2 开发配置与架构

5.3 系统开发中的主要技术与算法

5.4 ALiDAR_ForForest系统测试与实际应用

5.5 本章小结

第六章 全文总结与展望

6.1 全文总结

6.2 展望

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间取得的成果