一种利用地面激光雷达数据提取复杂地形条件下林下植被覆盖度的方法

摘要

本发明提供了一种利用地面激光雷达数据提取复杂地形条件下林下植被覆盖度的方法，属于植被遥感反演参数方法的研究领域。针对目前未能在复杂地形条件下快速有效提取林下植被覆盖度的难题，本发明以单站获取的森林地面激光雷达数据为基础，提出了一种在复杂地形条件下提取林下植被覆盖度的方法，该方法先通过高度信息提取出地面点，进而以地面点为基础，利用方向性切片的方法估算林下植被的覆盖度。本发明所提取的方法可准确提取复杂地形条件下林下植被的覆盖度，精度较高，对识别林下土壤侵蚀、森林碳循环研究具有重要意义。

说明书

一、技术领域

本发明是通过地面激光雷达数据提取复杂地形条件下林下植被覆盖度的方法，具体地说，是指一种通过地面激光雷达单站模式获取森林冠层三维点云数据，精确估算复杂地形条件下林下植被覆盖度的方法，属于植被遥感反演参数方法的研究领域。

二、背景技术

林下植被是指森林中高度小于某一阈值(例如，1.5、2米)的植被。热带和亚热带区域由于地形起伏明显、降雨频繁、土壤母质以及人为扰动等影响，土壤侵蚀问题较为突出。而林下植被对防止水土流失具有重要意义。同时林下植被对于森林碳循环、土壤营养循环、物种多样性、森林火以及森林可持续发展具有重要意义。

现有研究大多关注森林冠层结构参数，由于技术等限制对林下植被的研究较少。林下植被的覆盖度在野外通常是通过特定工具来目视判别，例如Nudds在《Quantifyingthe vegetative structure of wildlife cover》和Jones《A board to measure coverused by prairie grouse》中都通过已知尺寸的有孔的板子目视估算在指定角度被植被遮盖的孔的比例。由于该方法在野外操作简单，被广泛应用于提取林下植被覆盖。但是目视方法容易导致主观上的误差，因此一些人通过电子相机来提取林下植被的覆盖度，例如Marsden在《A Technique for Measuring the Density and Complexity of UnderstoreyVegetation in Tropical Forests》通过电子照片来估算森林中林下植被的密度，但由于电子照片拍摄角度的限制，较难提取林下植被较为完整的覆盖度信息。光学遥感影像的光谱信息、颜色信息以及物候信息也被用来估算大尺度区域林下植被的覆盖度。例如Bryan在《Detecting an Invasive Shrub in Deciduous Forest Understories Using RemoteSensing》通过落叶季和非落叶季林上和林下植被物候的差异来提取林下植被的信息。Li在《Quantifying Understory and Overstory Vegetation Cover Using UAV-Based RGBImagery in Forest Plantation》通过多个角度的无人机照片来提取林下植被的覆盖度信息。

具有三维制图能力的激光雷达技术的出现为精确估算植被冠层结构参数提供了有效的技术手段，通常包括航天激光雷达、航空激光雷达(ALS)和地面激光雷达(TLS)三类。一些研究利用航空激光雷达数据的能量和几何的度量来定量估算林下植被的覆盖度信息，例如Campbell在《Quantifying understory vegetation density using small-footprint airborne lidar》就是通过航空激光雷达数据点密度的垂直分布信息来提取林下植被的密度。然而，由于光学遥感、航空激光雷达和航天激光雷达都是自上而下获取数据，导致林下植被覆盖度的精度受林上植被密度的影响，同时目前缺少对林下植被覆盖度的验证数据。因此，精确提取林下植被覆盖度仍存在挑战。

高密度的地面激光雷达(TLS)可在精细尺度定量刻画森林冠层的三维结构信息，被广泛用于提取林上植被的结构参数。TLS的自下而上的数据获取方式，使其获取林下植被结构和地形信息成为可能。TLS获取森林冠层点云数据通常有两种方式，包括单站模式和多站模式。单站模式指在单个位置获取森林冠层的点云数据，不能获取森林冠层完整的结构信息，但数据获取用时较短；而多站方式是在从森林冠层不同位置来获取其数据，可获取较为完整的森林冠层结构，便于精确提取植被冠层结构参数，但野外实验需设定靶标，耗费较多的人力物力。同时现有研究大多是通过TLS数据提取坡度平缓地形条件下的森林植被结构参数，缺少在复杂地形条件下利用单站模式的TLS数据提取林下植被覆盖度的方法。

三、发明内容

本发明的目的是提供一种利用单站模式获取的地面激光雷达(TLS)数据估算复杂地形条件下林下植被的覆盖度的算法。本发明的原理如下：

林下植被覆盖度为在特定高度下，天顶角方向观测到林下植被面积的比率，其与地面面积的比率之和为1。

本发明的技术方案主要包括以下步骤：

(1)利用单站模式获取复杂地形条件下森林冠层的地面激光雷达(TLS)数据。

(2)识别TLS数据中的初始地面点。利用CloudCompare V2.11软件的布料滤波算法提取距离地面高度0.2米范围内的近地表TLS数据。手动删除近地表TLS数据中明显的植被点。将近地表TLS数据划分到不同的网格，网格的长宽为0.01米。每个网格的最低点被识别为地面点，进而得到初始的地面点。

(3)精确提取TLS数据的地面点。由于TLS数据的遮挡效应，一些网格内可能并未获取到地面点，导致一些植被点被误分为地面点。因此，把初始地面点划分到不同的网格，网格的长宽为0.2米，当网格内某点与网格最低点的高差大于0.2米时即从初始地面点中删除。最终，利用反距离权重插值算法对地面点插值得到样方水平分辨率为0.01米的地面点高程数据。

(4)利用地面点高程数据将林下植被TLS数据标记为地面点或者林下植被点。利用CloudCompare V2.11软件的布料滤波算法提取距离地面高度2米范围内的TLS数据作为林下植被TLS数据。并划为到不同得网格，网格的长宽为0.01米。假定网格Cell

(5)利用方向性切片的方法计算观测范围内地面面积的比率。将标记后的林下植被TLS数据从笛卡尔坐标系转化为极坐标系。设置方位角的分辨率为V，将林下植被TLS数据划分到[360°/V]个区域中。每个区域中，由于复杂地形的影响需确定林下植被的倾角范围，即[θ

(6)最终得到林下植被的覆盖度为

四、附图说明

图1林下植被覆盖度估算示意图

(a)确定复杂地形条件下林下植被的角度范围

(b)计算林下植被范围内地面锥形区域的比例

图2基于单站模式获取不同样方的TLS数据以及提取的地面点

五、具体实施方式

以下通过具体实例对本发明作进一步描述：

使用地面激光雷达扫描仪根据技术方案步骤(1)获取不同复杂地形条件下森林样方TLS数据(图2a1-2a3)。TLS数据的采样间距为30m处1cm。数据获取后，裁剪样方中心区域。手动去除数据中的噪声点。

根据技术方案步骤(2)和(3)得到不同样方的地面点(图2b1-2b3)。进而根据技术方案步骤(4)、(5)和(6)计算每个样方的林下植被。以多站模式获取的TLS数据的结果为基础，选取15个不同地形条件、树种、冠层密度的森林样方，验证单站模式获取的TLS数据估算林下植被覆盖度的精度(表1)。

表1基于单站TLS数据提取林下植被覆盖度与基于多站TLS数据的结果比较