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基于LiDAR数据的平均树高反演关键技术研究

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基于 LiDAR 数据 平均 反演 关键 技术研究
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中 国 体 视 学 与 图 像 分 析   2009年   第 14卷   第 2期N F S Y S Vo l. 14 2 J 009 209  文 章 编 号 : 1007 - 1482 (2009 ) 02 - 0209 - 07  基 于 L 的 平 均 树 高 反 演 关 键 技 术 研 究张 周 威 1 ,   汪 承 义 1 ,   陈 静 波 1 ,   王   刚 2(1. 中 国 科 学 院 遥 感 应 用 研 究 所 遥 感 图 像 处 理 室 ,   北 京   1001012. 中 国 科 学 院 对 地 观 测 与 数 字 地 球 科 学 中 心 ,   北 京   100101)摘   要 : 通 过 激 光 雷 达 数 据 反 演 林 木 参 数 ,特 别 是 树 高 ,将 极 大 地 推 进 激 光 雷 达 在 林 业 上 的 应 用 。本 文 首 先 对 L 的 高 密 度 点 云 进 行 预 处 理 ,生 成 适 合 森 林 参 数 提 取 的 规 则 网 格 数 字 表 面 模型 ,然 后 利 用 形 态 学 滤 波 的 方 法 逐 步 去 掉 非 地 形 要 素 ,形 成 数 字 高 程 模 型 ,最 后 利 用 数 字 表 面 模 型减 去 得 到 的 数 字 高 程 模 型 ,可 得 到 正 则 化 数 字 表 面 模 型 ,并 求 出 地 物 的 相 对 高 度 信 息 ,在 林 木 上 就是 最 终 得 到 所 需 要 的 树 木 平 均 高 度 信 息 。 结 合 真 实 进 行 实 验 ,验 证 了 本 文 方法 的 可 行 性 。关 键 词 : 激 光 雷 达 ; 树 高 ; 形 态 学 滤 波 ; 正 则 化 数 字 表 面 模 型中 图 分 类 号 :         文 献 标 识 码 : e a ta       . pp 00101, . 00101, be nd p L p in p at by to to of by . of on a H of p L 日 期 : 2009204220基 金 项 目 : 国 家 自 然 科 学 基 金 (08; 中 国 科 学 院 遥 感 应 用 研 究 所 基 金 (08 者 简 介 : 张 周 威 (1980 - ) , 男 , 博 士 生 , 研 究 方 向 为 图 像 复 原 和 提 高 图 像 分 辨 率 。 63. 雷 达 ( L L 术 是 现 代 对 地 观 测 的 最 新 技 术 之 一 ,在 对 地面 的 探 测 能 力 方 面 有 着 强 大 的 优 势 。 L 位置 、 距 离 、 角 度 等 观 测 数 据 直 接 获 取 对 象 表 面 点 的 三维 坐 标 ,空 间 与 时 间 分 辨 率 高 、 动 态 探 测 范 围 大 、 能够 部 分 穿 越 树 林 遮 挡 、 直 接 获 取 真 实 地 表 的 高 精 度210   中 国 体 视 学 与 图 像 分 析 2009年   第 14卷   第 2期三 维 信 息 ,是 快 速 获 取 高 精 度 地 形 信 息 的 全 新 手段 [ 1 ]。树 高 是 反 映 材 积 和 林 地 质 量 的 重 要 参 数 ,因 此树 高 信 息 的 获 取 具 有 十 分 重 要 的 意 义 ,高 精 度 的 森林 高 度 信 息 获 取 一 直 是 林 业 遥 感 中 难 以 解 决 的 问题 ,而 激 光 雷 达 技 术 的 优 势 主 要 在 于 高 程 信 息 的 获取 。 因 此 ,激 光 雷 达 凭 借 其 快 速 准 确 地 获 取 林 地 数字 高 程 模 型 和 森 林 高 度 信 息 的 能 力 ,使 遥 感 技 术 在林 业 领 域 的 应 用 登 上 新 的 台 阶 。近 20年 来 ,研 究 者 发 展 了 许 多 用 于 激 光 雷 达 数据 反 演 林 木 参 数 特 别 是 树 高 (林 分 平 均 树 高 和 单 木树 高 )的 算 法 ,极 大 地 推 进 了 激 光 雷 达 在 林 业 上 的 应用 。国 外 , N 过 计 算 冠 顶 和 地 面 回 波 之 间的 距 离 计 算 了 树 高 ,精 度 达 90%以 上 [ 2 ]。 马 里 兰 大学 地 理 系 与 提 出 了星 载 植 被 激 光 雷 达 系 统 (计 划 ,该 计 划 的 机 载实 验 系 统 (S)在 美 国 、 加 拿 大 、 澳 大 利 亚 等 多 个国 家 进 行 了 成 功 的 实 验 ,发 展 了 森 林 激 光 雷 达 回 波波 形 处 理 的 方 法 并 进 行 了 验 证 [ 3 ]。 对 多种 先 进 的 遥 感 数 据 进 行 了 比 较 研 究 ,包 括 多 时 相 、 高 空 间 分 辨 率 的 记 载 、 机 载 高 光 谱R 和 机 载 激 光 雷 达 ,结 果 表明 激 光 雷 达 数 据 反 演 出 的 数 目 结 构 参 数 精 度 最 高 ,并 指 出 尽 管 目 前 激 光 雷 达 只 有 采 样 数 据 ,但 与 其 他影 像 数 据 结 合 使 用 将 大 大 提 高 林 业 遥 感 的 精 度 ,近来 随 着 星 载 激 光 雷 达 系 统 的 实 施 ,必 能 取 得 更 广 泛的 应 用 [ 4 ]。 小 光 斑 L 计算 树 高 进 行 了 研 究 ,通 过 剔 除 首 次 回 波 中 的 噪 声 点而 提 取 出 数 字 表 面 模 型 ,然 后 通 过 而 得 到了 平 均 树 高 [ 5 ]。国 内 ,庞 勇 等 人 利 用 较 低 密 度 的 点 云 数 据 ,使 用分 位 数 法 对 林 分 平 均 高 进 行 了 估 计 ,实 验 精 度 达 到国 家 二 类 森 林 调 查 规 程 的 需 求 [ 6 ]。 王 永 平(2006) [ 7 ]对 现 有 的 数 据 滤 波 方 法 进 行 了 分 析 和 比较 ,并 提 出 了 一 种 适 用 于 森 林 地 区 L 滤 波的 算 法 ,该 方 法 能 在 中 等 复 杂 地 形 的 林 区 有 效 剔 除粗 差 点 、 确 定 数 目 点 云 、 地 面 点 云 ,并 使 用 德 国 数 据进 行 了 相 关 实 验 和 分 析 ,最 终 提 取 了 森 林 实 验 区 的数 字 高 程 模 型 和 平 均 树 高 。 周 淑 芳 [ 8 ]将 L 与 其 同 步 获 取 的 高 分 辨 率 数 目 影 像 为 数 据 源 ,进 行 了 高 精 度 的 单 木 水 平 方 向 信 息 及 树 高 信 息 的 提取 。 赵 峰 ( 2007) [ 9 ]采 用 植 被 激 光 点 云 数 据 在 不 同高 度 处 的 分 位 数 作 为 统 计 变 量 ,建 立 与 林 分 平 均 高的 关 系 , 进 行 林 分 平 均 高 反 演 , 以 树 冠 高 模 型(和 影 像 分 割 结 果 为 基 础 进 行 了 单 木 树 高 反演 。可 见 , L 在 林 业 应 用 中 估 测 一 些 重 要的 森 林 参 数 ,如 树 高 、 林 冠 高 度 、 郁 闭 度 、 林 间 空 地 和地 上 生 物 量 甚 至 区 别 树 种 等 。 这 种 估 计 目 前 被 分 为两 个 层 次 :林 分 尺 度 森 林 调 查 和 基 于 单 株 立 木 的 清查 ,如 单 木 分 割 、 树 高 提 取 及 树 冠 层 信 息 提 取 等 。 本文 主 要 讨 论 林 木 平 均 树 高 的 反 演 问 题 ,利 用 形 态 学滤 波 的 办 法 逐 步 去 掉 数 字 表 面 模 型 (中 的 非 地形 要 素 ,利 用 去 得 到 的 数 字 地 形 高 程 模 型( ,得 到 所 需 要 的 树 高 信 息 。 该 方 法 同 上 述 方法 相 比 较 可 以 简 单 快 速 提 取 单 木 树 高 信 息 。1  激 光 雷 达 及 其 平 均 树 高 反 演 关 键 技 术 简 介111  激 光 雷 达 基 本 原 理用 于 森 林 参 数 测 定 的 激 光 主 要 是 波 长 在 900~1500 利 用 传 播 时 间 差 原 理 的 测 距 型 激 光 雷 达 。所 谓 测 距 型 激 光 雷 达 ,就 是 通 过 测 量 地 面 采 样 点 激光 回 波 脉 冲 相 对 于 发 射 主 波 间 的 时 间 延 迟 得 到 传 感器 到 地 面 采 样 点 之 间 的 距 离 [ 10 ]。激 光 雷 达 系 统 由 激 光 扫 描 系 统 、 全 球 定 位 系 统( 惯 性 测 量 单 元( 成 ,如 图 1所 示 ,由 于 该 系 统 所 获 得 的 数 据 是 大 量 悬 浮 在 空 中 离 散 的点 阵 数 据 集 ,因 此 被 形 象 地 称 为 “ 点 云 ” 数 据 。 点 云数 据 不 仅 包 含 地 物 对 象 的 高 程 信 息 ,还 具 有 丰 富 的目 标 多 次 回 波 信 号 及 强 度 信 息 、 地 物 类 别 信 息 ,以 及与 每 一 点 高 程 信 息 对 应 的 位 置 信 息 等 。图 1  激 光 雷 达 系 统用 于 林 业 的 L 有 两 类 ,即 记 录 波 形 数据 的 大 光 斑 激 光 雷 达 与 记 录 回 波 信 号 的 小 光 斑 激 光2009年   第 14卷   第 2期         张 周 威 等 :基 于 L 的 平 均 树 高 反 演 关 键 技 术 研 究 211  雷 达 。 大 光 斑 直 径 为 8~ 70 m,主 要 利 用 连 续 波 形反 映 大 范 围 森 林 的 垂 直 结 构 与 生 物 量 等 信 息 ,目 前大 光 斑 激 光 雷 达 系 统 主 要 有 载 和 星 载 ,瑞 典 统 和 加 拿 大 Op 司 的Op 100系 统 ;小 光 斑 直 径 小 于 1 m,利 用 多 次 回 波 的 离 散 激 光 点 云 数 据 ,估 测 森 林 高 度 、单 木 参 数 等 ,比 较 成 熟 的 小 光 斑 激 光 雷 达 系 统 有 瑞典 司 的 机 载 系 统 ,德 国 和 ,加 拿 大 Op 的 、 美国 的 统 , 瑞 士 司 的 统等 [ 11 - 13 ]。112  L 树 高 反 演 关 键 技 术对 于 小 光 斑 离 散 回 波 的 L 而 言 ,反 演树 高 的 基 本 原 理 是 计 算 激 光 回 波 来 自 树 冠 顶 部 和 地面 的 距 离 差 ,具 体 方 法 为 由 数 字 地 面 模 型 (和 生 成 正 则 化 数 字 表 面 模 型 ( , 高 度 即 为 地 物 绝 对 高 度 。 该 方 法 包 含 以 下 关 键技 术 。11211  点 云 数 据 预 处 理预 处 理 主 要 包 括 基 于 技 术 的 激光 点 数 据 的 三 维 坐 标 解 算 、 激 光 雷 达 数 据 的 航 带 镶嵌 、 系 统 误 差 分 析 与 系 统 标 定 等 步 骤 。(1)激 光 雷 达 数 据 三 维 坐 标 解 算(2)激 光 雷 达 数 据 航 带 镶 嵌11212  点 云 数 据 滤 波 (分 类 )从 激 光 脚 点 数 据 点 云 中 提 取 数 字 地 面 模 型 需 要将 其 中 的 地 物 数 据 点 去 掉 ,这 就 是 所 谓 的 激 光 测 高数 据 的 滤 波 (也 称 为 狭 义 滤 波 )。 研 究 如 何 从 数 据点 云 中 分 离 出 地 形 表 面 激 光 角 点 数 据 子 集 以 及 区 分不 同 地 物 (包 括 房 屋 、 道 路 、 植 被 等 )激 光 角 点 数 据子 集 ,这 就 是 所 谓 的 数 据 过 滤 和 分 类 (也 称 为 广 义 滤波 )。 在 森 林 地 区 ,若 不 进 行 植 被 之 间 的 详 细 分 类 ,可 以 认 为 激 光 点 云 的 种 类 只 有 三 种 :地 面 点 、 植 被点 、 其 他 地 物 点 和 噪 声 点 。下 面 ,就 按 照 非 地 面 点 的 去 除 次 序 依 次 介 绍L 滤 波 (狭 义 )方 法 。(1)高 程 异 常 数 据 点 去 除激 光 点 云 数 据 中 ,一 些 激 光 点 可 能 来 自 林 冠 下层 的 灌 丛 等 低 矮 植 被 ,对 树 高 的 反 演 造 成 一 定 影 响 ,还 有 一 些 点 可 能 来 自 林 冠 上 层 的 物 体 的 反 射 ,可 以根 据 其 高 度 值 较 低 或 很 高 的 特 点 进 行 剔 除 。(2)航 带 重 叠 区 冗 余 数 据 点 过 滤由 于 L 各 航 带 间 具 有 一 定 的 重 叠 度 ,重 叠 区 内 点 云 密 度 较 大 ,造 成 不 必 要 的 数 据 冗 余 。航 带 重 叠 区 冗 余 数 据 点 过 滤 就 是 滤 去 不 必 要 的 点 云数 据 ,使 得 重 叠 区 点 密 度 与 非 重 叠 区 点 密 度 相 当 ,从而 降 低 数 据 冗 余 度 。(3)植 被 等 非 地 面 点 滤 除此 步 骤 是 L 滤 波 和 分 类 的 核 心 内 容 ,将 植 被 等 非 地 面 点 滤 除 后 的 点 云 数 据 经 过 插 值 后 即可 形 成 非 地 面 点 滤 除 的 基 本 原 理 是 基 于 邻近 激 光 点 数 据 间 的 高 程 突 变 (局 部 不 连 续 ) ,一 般 是由 地 形 的 陡 然 起 伏 所 引 起 。 所 采 取 的 方 法 主 要 取 决于 所 用 的 扫 描 技 术 、 测 区 地 形 复 杂 程 度 和 数 据 点 的密 度 。 地 形 平 坦 ,地 物 覆 盖 系 数 低 ,对 算 法 性 能 要 求不 高 ,如 果 测 区 地 形 复 杂 ,地 物 覆 盖 密 集 ,则 对 算 法也 相 应 提 出 了 较 高 的 要 求 。目 前 可 用 于 非 地 面 点 分 离 的 机 载 激 光 扫 描 测 高数 据 滤 波 中 应 用 较 广 、 较 具 代 表 性 的 包 括 :不 规 则 、 迭 代 线 性 最 小 二 乘 内 插 法 、 数 学 形 态 学法 、 基 于 地 形 坡 度 法 、 活 动 窗 口 法 等 方 法 。(4)地 面 点 手 动 编 辑经 过 以 上 几 种 算 法 交 互 处 理 ,高 大 建 筑 物 、 部 分植 被 等 明 显 的 非 地 面 点 已 依 次 被 分 离 ,而 对 于 地 形粗 糙 度 大 的 区 域 或 极 低 矮 地 物 等 非 地 面 点 ,则 难 以利 用 已 有 算 法 自 动 滤 除 ,此 时 需 要 借 助 手 动 编 辑 。先 细 部 放 大 点 云 数 据 ,根 据 数 据 点 位 置 、 高 程 差 值 信息 、 三 维 效 果 显 示 、 变 换 光 照 角 度 等 进 行 目 视 判 断 找出 目 标 点 ,在 手 工 将 其 进 行 滤 除 和 归 类 。11213  成树 高 提 取 时 L 参 数 估 计 的 基 础 ,其 提取 方 法 与 生 成 紧 密 相 关 ,两 者 差 分生 成 的 高 度 即 为 地 物 绝 对 高 度 ,为 树 高提 取 提 供 直 接 依 据 ,三 者 关 系 如 图 2所 示 。图 2  图( a)原 始 ( b) ( c)正 规 化 后 的 中 国 体 视 学 与 图 像 分 析 2009年   第 14卷   第 2期可 以 看 出 , 高 程 相减 后 所 得 的 运 算 结 果 ,其 目 的 是 消 除 地 形 起 伏 对 物 高 程 及 形 状 的 干 扰 ,以 获 取 相 对 准 确 的地 物 形 态 信 息 。 录 的 是 纯 粹 的 地 物 顶 部如 房 顶 、 树 冠 等 相 对 于 地 面 的 绝 对 高 程 ,即 除 去 地 形背 景 之 后 地 物 的 实 际 高 程 。11214  平 均 树 高 提 取对 同 一 地 区 的 进 行 裁 剪 ,并且 按 照 相 同 的 空 间 分 辨 率 进 行 重 采 样 ,可 以 得 到 。 将 的 像 素 值进 行 相 减 ,即 可 得 到 关 于 平 均 树 高 的 影 像 。 在 得 到平 均 树 高 影 像 后 ,可 以 根 据 将 其 以 等 值 线 图 或 分 层渲 染 图 等 直 观 形 式 加 以 表 现 。2  本 文 采 用 的 平 均 树 高 反 演 算 法庞 勇 [ 6 ]首 先 用 阈 值 法 过 滤 掉 高 程 异 常 点 (即 噪声 点 ) ,用 边 沿 匹 配 滤 波 算 法 去 除 航 带 重 叠 区 域 的L ,然 后 采 用 不 规 则 三 角 网 的 算法 进 行 分 类 ,将 分 类 后 的 地 面 激 光 点 数 据 通 过 方 法 ,采 用 格 网 单 元 大 小 为 1 m × 1 m,最 后 生成 试 验 区 的 采 用 同 样 的 方 法 生 成 高 程 相 减 得 到 。 采 用点 云 不 同 高 度 处 的 分 位 数 作 为 统 计 变 量 ,先 对 样 地范 围 内 的 植 被 点 云 根 据 高 度 进 行 排 序 ,然 后 计 算 总高 度 的 分 位 处 的 高 度 ,最 后 生 成 林 木 高 度 图 。 精 度都 高 于 87% ,总 体 平 均 精 度 为 90159%。 该 方 法 不足 之 处 在 于 ,由 于 通 过 该 方 法 所 获 取 的 L 点 云 密 度 较 低 ( < 0135点 / ,所 以 很 难 开 展 单 木水 平 的 L 应 用 研 究 。王 永 平 [ 7 ]首 先 对 林 区 的 L 进 行 滤 波 ,然 后 提 取 地 面 激 光 点 云 ,最 终 内 插 得 到 然 后剔 除 噪 声 ,再 采 用 滤 波 的 方 式 得 到 地 面 激 光 点 云 ,从剔 除 噪 声 后 得 到 的 数 据 中 减 去 地 面 激 光 点 云 即 可 得到 植 被 点 云 。 对 自 动 残 留 的 点 进 行 人 工 编 辑 (晕 渲编 辑 、 三 维 点 云 编 辑 )、 删 除 ,并 提 取 平 均 树 高 ,制 作林 木 高 度 分 层 设 色 地 形 图 。 该 方 法 对 于 “ 单 株 树 木高 度 提 取 ” 具 有 一 定 难 度 ,所 以 也 存 在 一 定 的 局 限性 。周 淑 芳 [ 8 ]以 高 密 度 机 载 小 光 斑 激 光 雷 达 数 据 及与 其 同 步 获 取 的 高 分 辨 率 数 码 影 像 为 数 据 源 ,进 行了 高 精 度 的 单 木 水 平 方 向 信 息 及 树 高 信 息 的 提 取 。首 先 ,对 小 光 斑 激 光 雷 达 数 据 综 合 应 用 了 网 过 滤 算 法 、 过 滤 匹 配 过 滤 算 法 、 平 面 最 适 过 滤 算法 、 高 程 阈 值 过 滤 算 法 和 手 动 编 辑 工 具 ,将 地 面 点 和非 地 面 点 有 效 地 分 离 ;然 后 ,对 分 离 出 的 地 面 点 经 过非 线 性 内 插 获 取 了 通 过 差 分 地 测 量 高 程 验 证 表 明 获 取 高 ,确 保 了 作 差 得 到 的 物 高 度 信 息 的 准 确 ;接下 来 采 用 基 于 图 像 颜 色 、 形 状 的 多 尺 度 分 割 方 法 分割 航 片 正 射 影 像 ,有 效 地 区 分 出 树 冠 交 叉 不 严 重 的单 木 树 冠 ,得 到 较 为 准 确 的 单 木 水 平 方 向 信 息 。 最后 ,利 用 分 析 功 能 求 算 出 分 割 树 冠 内 的 大 值 ,将 其 与 实 测 树 高 建 立 回 归 方 程 ,估测 单 木 高 度 。 该 方 法 的 不 足 之 处 在 于 ,所 选 样 地 郁闭 度 均 比 较 低 ( < 017) ,在 基 于 二 维 影 像 的 单 木 分 割时 难 以 达 到 理 想 效 果 。 在 利 用 L 树 高 反演 时 ,没 有 考 虑 到 单 木 树 龄 、 林 内 郁 闭 度 、 树 种 等 因素 对 树 高 估 测 的 影 响 。赵 峰 [ 9 ]首 先 对 研 究 区 的 L 数 据 进 行滤 波 和 分 类 。 根 据 地 形 特 点 、 地 表 植 被 状 况 以 及 其他 地 类 的 分 布 ,采 用 Z Z 法 进 行 滤 波 ,并 对 分 类 后 的 植 被 点 云 数 据与 同 步 获 取 的 数 码 相 机 影 像 进 行 叠 加 以 目 视 检 验 分类 效 果 。 再 采 用 植 被 点 云 数 据 与 同 步 获 取 的 数 码 相机 影 像 进 行 叠 加 以 目 视 检 验 分 类 效 果 。 将 植 被 点 云数 据 不 同 高 度 处 的 分 位 数 作 为 统 计 变 量 ,建 立 与 林分 平 均 高 的 关 系 ,进 行 林 分 平 均 高 反 演 。 研 究 结 果表 明 上 四 分 位 数 处 的 高 度 ( 实 测 树高 的 关 系 最 好 ,并 与 实 测 的 相 关 性 分 析 ,建 立 回 归 方程 ,平 均 估 测 精 度 达 到 90159%。 用 面 向 对 象 的 方法 对 高 分 辨 率 数 码 相 机 影 像 进 行 单 株 木 检 测 。 通 过多 尺 度 、 树 冠 模 式 的 分 割 创 建 影 像 对 象 和 类 层 次 ,用最 近 邻 距 离 和 成 员 函 数 进 行 影 像 对 象 的 分 类 ,并 基于 分 类 结 果 进 行 再 分 割 。 对 分 割 后 的 树 冠 多 边 形 进行 边 缘 优 化 ,以 准 确 识 别 单 株 木 。 对 L 插值 生 成 的 差 值 运 算 生 成 树 冠 高 模型 ( ,与 数 码 相 机 影 像 分 割 后 产 生 的 树 冠 多 边形 进 行 叠 加 ,计 算 单 株 树 冠 多 边 形 内 大 高度 值 作 为 单 株 树 的 树 高 。 用 L 树 高 和 实测 树 高 进 行 相 关 性 分 析 ,并 建 立 回 归 方 程 ,平 均 估 测精 度 为 74189%。 该 方 法 的 不 足 之 处 在 于 ,单 株 木识 别 的 分 割 算 法 依 赖 于 林 分 属 性 ,在 开 阔 的 林 分 中 ,单 株 木 或 优 势 树 容 易 识 别 ,但 在 密 林 和 成 熟 林 分 中则 比 较 困 难 。 所 以 应 该 根 据 林 分 属 性 调 整 参 数 的 分割 算 法 。2009年   第 14卷   第 2期         张 周 威 等 :基 于 L 的 平 均 树 高 反 演 关 键 技 术 研 究 213  以 上 所 述 的 方 法 不 能 完 全 针 对 单 木 平 均 树 高 进行 提 取 ,有 一 定 的 局 限 性 ,所 以 在 以 上 文 献 综 述 的 基础 上 ,本 文 立 足 现 有 实 验 条 件 ,在 若 干 假 设 条 件 下 设计 并 实 现 了 一 种 基 于 形 态 学 滤 波 的 简 单 的 平 均 树 高反 演 算 法 。 思 路 是 先 对 L 的 高 密 度 点 云进 行 预 处 理 ,从 而 生 成 适 合 实 现 森 林 提 取 的 规 则 网格 的 然 后 利 用 形 态 学 滤 波 的 办 法 逐 步 去 掉 非地 形 要 素 ,正 则 化 后 得 到 相 对 高 度 ,从 而 最 终 得 到 我们 需 要 的 树 高 信 息 。 该 算 法 对 应 的 流 程 如 图 3所示 。图 3  平 均 树 高 提 取 流 程算 法 中 ,涉 及 的 关 键 技 术 包 括 :211  插 值 算 法 选 择目 前 存 在 许 多 插 值 算 法 ,对 于 某 一 种 插 值 算 法只 能 对 一 些 特 定 的 应 用 有 效 ,没 有 一 种 具 有 普 适 性的 插 值 算 法 。 现 今 常 用 的 插 值 算 法 有 :距 离 反 比 算法 、 最 邻 近 插 值 、 Sp 等 。 本 文 插 值 的 目 的 是要 反 映 树 高 的 高 程 变 化 (该 变 化 可 能 是 比 较 剧 烈的 ) ,而 不 是 生 成 一 个 平 滑 的 平 面 ,所 以 本 文 采 用 最临 近 点 座 位 基 础 的 插 值 算 法 。212  基 于 数 学 形 态 学 的 滤 波 处 理目 前 的 滤 波 算 法 有 很 多 ,主 要 存 在 三 种 方 法 ,分别 是 形 态 学 滤 波 、 平 面 拟 合 算 法 和 高 层 突 变 算 法 。形 态 学 滤 波 方 法 原 理 简 单 并 易 于 实 现 ,同 时 在 地 形起 伏 不 剧 烈 的 地 区 可 以 较 好 地 滤 去 非 地 形 要 素 ,得到 故 本 文 在 试 验 中 采 用 形 态 学 滤 波 方 法 进 行 。 但 是 形 态 学 滤 波 方 法 需 要 最 大 的 非 地形 要 素 尺 寸 信 息 确 定 移 动 窗 口 的 大 小 ,这 是 形 态 学滤 波 的 缺 点 。 故 本 文 在 试 验 中 根 据 图 像 数 据 选 择 了不 同 的 移 动 窗 口 大 小 进 行 了 实 验 。形 态 学 滤 波 中 两 个 基 本 的 算 子 是 膨 胀 和 腐 蚀 ,常 用 的 两 种 运 算 称 为 开 运 算 (先 腐 蚀 后 膨 胀 )和 闭运 算 (先 膨 胀 后 腐 蚀 )。 开 运 算 在 图 像 处 理 中 常 用来 去 除 较 小 的 亮 点 (相 对 结 构 元 素 而 言 ) ,同 时 保 留所 有 的 灰 度 和 较 大 的 亮 区 特 征 不 变 。3  实 验 与 结 论本 文 在 实 验 中 采 用 的 数 据 集 为 L 数据 ,该 数 据 为 的 雷达 系 统 获 取 ,数 据 水 平 采 样 间 隔 为 210~ 212 m,视场 角 为 25° ,重 叠 率 为 30%。 图 4为 点 云 数 据 及 其对 应 区 域 的 图 像 数 据 。( a)点 云 数 据             ( b)实 验 区 影 像图 4  实 验 区 数 据采 用 A 实 现 数 据 的 插 值 并 形 成 栅 格图 像 ,得 到 的 分 辨 率 为 016米 的 如 图 5 ( a)所 示 。图 5  及 形 态 学 滤 波 结 果214   中 国 体 视 学 与 图 像 分 析 2009年   第 14卷   第 2期对 插 值 后 的 进 行 形 态 学 滤 波 处 理 ,以便 滤 除 的 非 地 形 要 素 进 而 生 成 该 区 域 的实 验 中 ,采 用 了 不 同 大 小 的 形 态 学 滤 波 窗 口 进行 开 运 算 操 作 ,得 到 的 结 果 如 图 5 ( b)、 ( c)、 ( d)所示 。 可 见 ,采 用 29 × 29的 窗 口 大 小 取 得 了 最 好 的 效果 ,故 在 实 验 中 采 用 该 大 小 的 窗 口 进 行 形 态 学 滤 波 。为 了 直 观 地 显 示 别 ,在 A 成 的 始 了 分 层 设 色 模 型 ,如 图 6所 示 。( a)             ( b) 图 6  用 并 根 据 经 验 知 识 对 生 成 的 阈 值 分 割 ,即 可 得 到 的 平 均 树 高 图 像 。为 了 较 好 地 反 映 不 同 层 次 树 高 的 分 布 ,根 据 高 度 显示 的 如 图 7所 示 。图 7  图将 高 分 辨 率 影 像 (图 8)对 比 可 以 看出 ,利 用 高 度 大 于 60米 的 像 素 作 为 树 木 是 合 理 的 ,故 本 文 的 方 法 是 合 理 可 行 的 。图 8  高 分 辨 率 影 像 与 图 比 较为 检 验 本 文 方 法 的 准 确 度 ,选 择 10块 样 本 区 域来 检 验 的 树 高 反 演 的 偏 差 ,结 果 见 表 1。 由 于 缺 少检 验 样 本 的 实 测 树 高 。 所 以 根 据 高 分 辨 率 遥 感 影 像的 目 视 解 译 (见 图 8)和 基 于 阴 影 信 息 的 树 木 高 度 估测 方 法 [ 14 ]计 算 出 目 测 树 高 (见 图 9)。图 9  目 测 树 高 与 L 树 高 比 较公 式 (1)中 的 偏 差 表 达 式 为 :偏 差 = | 目 测 树 高 - 估 测 树 高 |目 测 树 高 (1)试 验 区 内 的 总 体 平 均 偏 差 为 14%。4  结 论 与 讨 论在 分 析 现 有 基 于 L 的 平 均 树 高 反 演算 法 缺 点 的 基 础 上 ,本 文 提 出 了 根 据 形 态 学 滤 波 和正 则 化 数 字 表 面 模 型 反 演 平 均 树 高 的 滤 波 算 法 ,并且 ,通 过 真 实 数 据 的 实 验 ,证 明 了 该 方 法 的 可 行 性 。虽 然 本 文 方 法 在 本 文 选 用 的 数 据 中 取 得 了 良 好 的 结果 ,但 是 该 算 法 也 还 有 一 些 值 得 改 进 的 地 方 :(1)本 滤 波 算 法 适 合 单 木 树 和 稀 疏 树 林 ,不 适2009年   第 14卷   第 2期         张 周 威 等 :基 于 L
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