[發明專利]衛星遙感測量樹木冠層高度的方法

在審

• 申請號: 202011593042.2
• 申請日: 2020-12-29
• 公開（公告）號: CN112729130A
• 公開（公告）日: 2021-04-30
• 發明（設計）人: 權奕銘;崔肖林;楊學海
• 申請（專利權）人: 四川天奧空天信息技術有限公司
• 主分類號: G01B11/03
• 分類號: G01B11/03;G01B11/00;G06K9/62;G06N3/08
• 代理公司: 成飛(集團)公司專利中心 51121
• 代理人: 郭純武

本發明公開的一種衛星遙感測量樹木冠層高度的方法，具有覆蓋范圍廣、獲取數據周期短且獲取數據成本低的特點。本發明通過下述計算方案實現：對獲取的衛星立體相對影像數據中重疊區域，采用深度神經網絡模型與面向對象的遙感影像分類技術提取不同方向的目標森林區域；根據衛星立體相對影像數據及RPB文件、地面控制點文件疊加提取的目標森林區域，獲取目標森林區域的衛星立體相對影像數據、地面控制點文件；計算出目標森林區域的冠層結構特征參數，生成目標森林區域的數字地表模型DSM和數字高程模型DEM；結合柵格數據的圖像計算，將獲取的數字地表模型減去獲得的數字高程模型得到冠層高度DHM，從三維角度計算樹木冠層高，實現樹木冠層高度的測量。

技術領域

本發明涉及衛星遙感森林生態、水文及生物物理等相關技術領域，具體涉及一種基于衛星遙感數據的樹木冠層高度測量方法。

背景技術

植被是陸地生態系統最重要的組成部分，樹木測量在城市建設、城市綠化、輸電線路隱患監測和珍貴樹木保護等方面發揮著重要作用，同時在維護生態系統平衡、涵養水源、保持水土等方面也具有重大作用。樹木形態尺寸測量是樹木測量的重要內容，主要包括樹高、胸徑和冠幅等指標的測量。樹高是指樹冠最高點到樹根所處位置的地面之問的高差，即基準點到最高點所在參考面的距離，即高度。傳統的樹高測量方法一般是采用目估法或者借助鋼尺、全站儀等工具進行。在精度要求不高的情況下，樹高測量普遍采用目估的方法。在準確度和精度要求較高的情況下，樹高測量一般是采用全站儀的無棱鏡測量方式、地面激光掃描儀等方法進行。地面激光掃描儀是通過外業架設激光掃描儀對樹木進行掃描，獲取稠密激光點云數據，并通過內業點云數據處理進行樹木參數測量。該方法可快速獲取大量的空間信息，工作效率高、強度小。但對儀器架設和數據處理有較高要求，很多儀器有掃描盲區不宜架設距離太近，外業噪聲數據較多，內業數據處理工作量大，且沒有很好的自動化手段。此外儀器價格昂貴，不便于攜帶，影響了它大范圍的推廣使用。綜上所述，樹木測量雖然技術要求不高，但工作難度卻很大。采用全站儀測量時的通視條件要求苛刻，工作量會因此而成倍增加。三維激光掃描儀被廣泛應用的同時還存在一定局限性，比如儀器的價格偏高，應用于樹木掃描時有相互遮擋等，這都限制了在林業方面的應用。因此，需要尋找一種快速、簡易和準確的測量方法。

目前，隨著遙感技術的發展，激光雷達越來越多地被應用在樹高測量中，比如使用無人機搭載的激光雷達對樹高進行測量，或者利用車載激光雷達提取單株樹的樹高信息等。激光測量體積指數計算雖然簡單，但它重復性差，不能較為精確反映樹木的體積。激光雷達在測量樹高時雖然具有較高的精度，但價格高昂、操作復雜等缺點嚴重制約其自身的推廣應用。利用無人機高分辨率影像提取樹高，是利用無人機搭載數碼相機采集林區高分辨率影像，通過自動化三維重構的方法生成林區數字表面模型獲取高精度的樹木高度或者利用無人機遙感系統采集影像生成數字表面模型、數字高程模型DEM及正射影像，提取城市行道樹高度等信息。無人機遙感系統采集影像生成數字表面模型，采用Pix4D軟件對無人機采集的高分辨率影像進行處理，生成研究區正射影像和三維點云；利用最大類間方差法將三維點云分割為樹木點云及樹下地面點云兩部分，由此提取樹木頂端高度和地面平均樹高等信息，并將地面平均高度視為樹木根部的高度，得到樹木高度。但是，航空影像的拍攝受空域限制，樹冠的形狀會對樹高測量造成影響，對天氣條件要求頗高，數據獲取周期較長，再加上較長的測圖周期，導致航測成圖缺乏一定的時效性。并且無人機遙感技術只能獲取冠層的水平分布信息，無法獲取垂直信息。

目前在生成數字地表模型DSM、數字高程模型DEM的過程中，由于涉及到影像匹配工作，需要大量的計算量，在正常的生產過程中，需要用到集群生產。

上述方法通常利用研究區的數字表面模型或單株樹木的立體像對來提取樹木高度，但采用數字表面模型將會導致樹木部分細節，數據處理，必須使用專業的影像處理軟件對所攝影像進行處理，處理過程自動化程度不高，需要人工篩選出單株樣本樹木及樹下地面的點云數據；其分割的準確度直接影響樹高提取的精度。經實際分析發現，當樹木樹冠貼近地面(例如圓柏)或樹冠下存在灌木時，分割得到的地面點云中混入較多非地面點云。樹木高度誤差導致了樹木在進行測高時精度存在較大差異。