基于UAV无人机影像的树高反演研究.docx

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基于UAV无人机影像的树高反演研究

摘要

经过几十年的发展，我国已经初步形成了规模化的遥感对地观测体系，反演遥感技术越来越成熟，利用反演可以解决诸多问题。

森林是我们人类赖以生存的重要资源之一，我国同时也是一个资源大国，但森林覆盖率却远远低于世界平均水平，林业资源在很多方面都应用广泛，因此我们需要尽可能的掌握林业资源的信息，同时需要林业调查周期要求更短，数据要求更精细，无人机遥感系统具有机动性、快速、分辨率高、适用范围更广等优点，适合林业调查的工作要求，能增强林业调查工作能力。

传统的森林调查对于测量工作人员来说劳动强度大，经常会遇到按设计方案实施所得的结果能否不能够达到工程要求的问题。

反观，无人机应用还可以减少外业作业时间降低劳动程度，提高工作效率。

总之，本文介绍了对利用获取的无人机影像反演的原理，通过采用ENVI软件和PHOTOSCAN以及LiDAR360软件平台，按照无人机影像处理的流程，使用通过无人机获取的影像处理生成的高精度数字表面模型和数字高程模型而后来得到冠层高程模型，提取林分树高森林参数信息，并对提取的结果与外业调查、目视判读做出了对比和分析，单木树高分割以及提取的森林参数信息可以达到非常高的精度，对无人机图像在森林资源调查中的应用做了一些研究，为其他森林信息的提取提供了思路，并对调查和监测森林资源在一定程度上进行技术指导。

关键词：

无人机影像；反演；树高；单木分割

ABSTRACT

Afterdecadesofdevelopment,Chinahasinitiallyformedalarge-scaleremotesensingearthobservationsystem,Inversionofremotesensingtechnologyisbecomingmoreandmoremature.Inversioncansolvemanyproblems.Forestisoneofthemostimportantresourcesforhumansurvival.Chinaisalsoaresourcegiantcountry,Buttheforestcoveragerateisfarlowerthantheaveragelevelintheworld.Forestresourcesarewidelyusedinmanyaspects,soweneedtomastertheinformationofforestresourcesasmuchaspossible,theforestrysurveycycleisshorterandthedatarequirementsaremoredetailed,theUAVremotesensingsystemhastheadvantagesofmaneuverability,highspeed,highresolutionandwideapplication,it’ssuitableforforestrysurveyworkrequirements,itcanenhancetheabilityofforestryinvestigationwork.Thetraditionalforestsurveyisveryhardforthesurveystaffandpeopleoftenmeettheproblemsofwhethertheresultsobtainedbythedesignplancanmeettherequirementsoftheproject.TheapplicationofUAVcanalsoreducetheoperationtime,reducelaborlevelandimproveworkefficiency.

Inthispaper,theprincipleofusingremotesensinginversionisintroduced.,throughtheuseofENVIsoftwareandAgisoftPhotoscansoftwareplatform,accordingtotheUAVimageprocessingprocess,forestparameterssuchascrownwidth,treeheight,wereextractedonthebasisofDEMandDSMdata,andtheresultsofextractionarecomparedwiththoseoffieldinvestigationandvisualinterpretation.Inaword,usinghighprecisiondigitalsurfacemodelandDigitalOrthophotoImagegeneratedbyUAVimage,combinedwithobject-orientedclassificationmethod,multi-scalesegmentationandspatialanalysistechnology,theforestparameterinformationextractedfromsingletreecrownandsingletreetreeheightcanreachveryhighprecision.Inthispaper,theapplicationofunmannedaerialvehicles（UAV）imagesintheinvestigationofforestresourceswastried,andthemethodsofforestDSM,DEM,CHMproductionandinformationextractionwerediscussed,whichprovidedsomeideasfortheextractionofotherforestinformation,andthetechnicalguidancetotheinvestigationandmonitoringofforestresourcestoacertainextent.

Keywords:

UAVimage;Inversion;Treeheight; Singlewoodsegmentation

Ⅱ

目录

摘要Ⅰ

Abstract………………………………………………………………………...………...............Ⅱ

第1章绪论1

1.1目的和意义1

1.2无人机影像的树高反演的研究现状........................................................................2

1.2.1国内研究现状2

1.2.2国外研究现状2

1.3本文研究的主要内容3

1.4本文研究的技术路线3

第2章无人机航空摄影测量4

2.1无人机航空摄影测量的组成4

2.2无人机航空摄影测量遥感传感器的的类型4

2.3无人机航空摄影测量的特点4

2.4无人机航空摄影测量的现状5

2.5无人机航测基本流程6

2.6无人机影像数据处理6

2.7无人机航空摄影测量在地形图测绘中的应用6

2.8无人机航空摄影测量在地形图测绘中的重要性7

2.9本章小结8

第3章研究区概况9

3.1研究区概况9

3.1.1地理位置9

3.1.2植被与土壤9

3.1.3气候与水文10

3.2实验数据获取11

3.2.1无人机影像获取11

3.2.2地面数据获取11

3.3无人机数据预处理12

3.4像控点布设与量测12

3.5DEM/DSM生成平台13

3.6本章小结13

第4章森林信息提取方法15

4.1树冠信息提取15

4.2林分郁闭度提取15

4.3株数密度提取16

4.3.1株数密度地面调查方法17

4.3.2株数密度遥感处理调查方法17

4.4本章小结17

第5章树高信息提取19

5.1树高提取19

5.1.1点云数据生成19

5.1.2数字高程模型和数字表面模型生成19

5.1.3冠层高度模型生成21

5.2单木树高提取22

5.2.1单木分割方法22

5.2.2单木树高提取结果23

5.3本章小结24

结论25

参考文献26

致谢……………………………………………………………………………................................27

第1章绪论

1.1无人机树高反演研究的目的和意义

中国是一个资源丰富的大国,森林是陆地生态系统的主体，和资源监测中发挥着重要作用。

但是，人均森林面积还不到实际人均的四分之一，森林覆盖率远低于全球平均水平。

森林资源相对匮乏，质量差，分布不均等情况尚未得到根本改变。

森林经营在资源调查，林地规划和景观重建等方面仍有较大的发展空间。

要准确提高森林质量，就需要对森林生长，森林资源和森林的精细管理进行准确预测和精确监测。

这些工作的实施可以通过先进的遥感技术来实现。

传统的森林调查是通过人工检查木质标尺进行的，这些标准是劳动密集型和低效率的。

虽然雷达数据可以更好地反映森林结构信息，为我们森林信息提取提供便利，但雷达传感器很重，需要在小型飞机上进行，而且价格昂贵，所以不是很适合；另一方面，高分辨率卫星图像价格昂贵，需要重新审视周期和天气条件，仍然无法满足单一尺度的信息提取。

近年来，无人机飞行平台发展迅速。

由于操作方法灵活，数据采集成本低等优点，无人机遥感技术受到了不同行业的广泛关注。

使用有人驾驶飞机进行森林调查具有高成本，人员投入和定期的间隔，无法满足当前对森林资源调查和监测的需求。

由于其成本较低，操作简单，周期还短，无人机在森林资源调查和动态监测中不可避免地会发挥很大的优势。

利用现代计算机技术对无人机图像进行分析和分析，获取无人机图像信息，提取森林资源调查监测的调查因素是无人机技术在森林调查监测中的关键和难点。

随着技术的成熟和数字图像处理技术和计算机技术的迅速发展，探索一套适合上述发展的无人机图像处理方法势在必行。

高分辨率无人机图像受益于无人机遥感技术的进步。

如果你不能使用无人机的图像来最大限度地发挥其潜力，那将是一种浪费。

如何将原始无人机图像转化为高精度的DSM，DEM，然后进行处理得到高精度的CHM，最后从DSM，DEM，CHM等数据库中挖掘树冠参数，树高，树冠密度，还有株数密度等森林参数就是本文研究的目的。

无人机遥感技术在森林资源调查监测中的应用将大大降低调查工作的强度，避免外业的安全风险，提高传统遥感方法的准确性，促进林业信息化发展。

近年来，轻型和小型无人驾驶飞行器已被用作获取数据源的新技术。

低成本、轻巧、方便、安全、快速的获取高分辨率卫星遥感图像，弥补了传统卫星遥感图像分辨率低、易受云影响、数据质量和再入周期限制等缺点。

在无人机的基础上，无人机图像的使用对生产单位具有一定的参考价值，必将在未来的森林资源研究中发挥重要作用。

1.2无人机影像的树高反演的研究现状

遥感具有大面积的同步观测，及时性，数据的全面性和可比性，以及经济的特点。

在对地球资源和环境的调查中，从大规模同步观测获得的数据是最有价值的。

依靠传统的地面调查难以实施，实施起来难度大，工作量大。

利用与无人机有关的技术可以快速改变同一地区许多事物的动态。

而且，与获得的收益相比，投入成本和传统方法也可以大大的节省人力，物力和财力以及时间。

1.2.1国内发展现状

庞勇和他团队研究利用低密度点云数据估计了林分的平均高度，最后的精度符合国家二类森林调查的相关要求；周淑芳他们利用LiDAR数据和高分辨率数字图像，当做实验的数据，然后进行了树高信息的提取还有以及单木水平方向信息，经检测，都是精度较高的。

赵峰是把不一样高度的植被点云数据的分位数，作为实验中的统计变量，并且对森林的平均树高进行反演，同时也建立了森林参数的相关信息，根据计算出的冠层高度模型的结果以及对图像分割的最后结果，进行了单木树高的反演。

1.2.2国外发展现状

Nisson等人计算树高是通过使用计算机，其中计算冠顶高度到地面回波的长度，最后反演出来的结果的精度能够达到超过90%；马里兰大学地理系的Dubayah等人在NASA-GSFC合作雷达回波的波形处理的实施方法，他们一起研究提出了对多种不同遥感数据的验证，也包括多时相TM数据、高空间分辨率的机载ADAR数据等等，这些实验的结果都表明激光雷达数据反演出的信息参数的精度是最高的，并且说出了虽然目前只有激光雷达采样数据，但是，如果能将采样数据和其他的影像数据能够结合到一块，两者一起使用将会大大提高未来林业工作调查方面的精度，那么也就是说随着社会的发展，此项工作必将得到推广；KentonTodd等人研究对通过小光斑的LiDAR数据最后来计算树高，方法是提取数字高程模型和数字表面模型，先是删除掉第一次回波重的噪声点获得了DEM，然后又获得DSM，最后通过二者相减得到了他们最后要提取的平均树高的结果。

通过以上研究人员的研究成果可以看出，他们都在树高反演上做了很大的贡献，本文则试图通过采集无人机影像，并对其进行分析处理，通过软件平台提取树木高度冠幅等参数信息。

1.3本文研究的主要内容

本文通过获取的无人机影像数据，生成了高精度的数字高程模型和高精度数字表面模型，通过对高精度的数字表面模型和数字高程模型的处理，生成冠层高度模型，对单木树高信息进行提取。

其中按照如下步骤进行，第一步是对高精度的数字正射影像图和高精度数字表面模型的生成，利用Photoscan软件，对采集的无人机影像进行处理形成密集点云，在利用LiDAR360软件进行地面点分类，之后又继续得到了高精度的数字高程模型和数字表面模型；第二步就是利用envi软件对刚得到的数字正射影像图和数字表面模型处理，生成CHM，最后提取了树高、冠幅等森林参数信息。

1.4本文研究的技术路线

本文研究的技术路线如下图1.1所示，

图1.1研究的技术路线

第2章无人机航空摄影测量

2.1无人机航空摄影测量的组成

这一小节我们来介绍无人机的航空摄影测量系统的组成。

无人机的航测是由七个部分组成的，其中包括飞行平台、导航与控制系统、地面监控、任务设备系统、数据传输、发射与回收、地面保障。

下面将逐一介绍。

其中飞行平台是可以搭载执行任务的设备同样也可以同时执行拍摄的任务的，这里面都有动力系统无人机体、还有可以执行航拍的执行机构、电气系统和起落架；飞行控制系统呢适用于无人机的导航定位和自主地可以控制自身飞行的，那么就包括全球卫星定位导航系统、飞控板、气压空速和转速的传感器、INS。

地面监控系统包括可以接收和发送姿态数据的无线电遥控、RC接收机、监控计算机、地面供电系统、和监控软件，还有可以发送数据指令，有监测预警的功能。

任务设备包括数码相机、相机控制系统、附设装置，任务设备用于航摄影像数据的获取和存储。

数据传输系统有两部分构成，分别是包括有数据接口和天台天线的空中部分和天线数据传输系统接口，数据传输电台的地面部分，这两部分是可以运用到地面站和其他设备之间的的数据和其他指令的传输。

发射与回收系统的发射系统部分有滑跑发射和弹射发射，回收系统部分包括滑跑回收和伞降回收。

发射与回收系统主要用于发射系统主要保障飞机达到起飞速度，回收系统实现安全着陆。

地面保障设备包括设备保障和作业保障，设备保障中有包装运输箱和设备检测，作业保障包括保障措施和安全措施，这一部分就是为航摄作业的安全提供保障。

2.2无人机航空摄影测量遥感传感器的的类型

接下来的部分是介绍遥感传感器的组成：

他是由收集器、探测器、处理器和输出器四部分组成：

光学摄影类型、扫描成像类型、雷达成像类型、非图像类型（这是按照结构原理分类的）；包含框幅摄影机全景摄影机和多光谱摄影机还有数码相机的被动式和主动式两种；扫描摄影类型中有光/机扫描仪、推扫式扫描仪、成像光谱仪；主动式种的雷达成像类型有包括线阵成像仪和面阵成像仪的全景雷达，还有包括真实孔径雷达和合成孔径雷达。

2.3无人机航空摄影测量的特点

无人机在航空摄影测量的过程中最大的优点就是不会受到地形的影像，比如说在传统测量的过程里，如果遇到像丘陵地带、密集分布的建筑物这样复杂的地形，是无法继续测量的，对总体统计的结果是有很大影响的，那么无人机就在这方面发挥很大的优势，它不仅可以不受复杂地形的限制去作业，无人机在飞行的时候除了可以竖直拍摄影像之外，还因为它具备的可以倾斜拍摄的能力，所以在遇到很高的建筑物的时候可以获取高分辨率的影像，普通航摄和卫星航摄都不能实现这一点，他们都会遇到遮挡建筑物的问题；也不受天气影响，想比如说阴云密布的时候可以利用它来低空飞行，然后获取数据，他也不熟高度的限制；而且在飞行起降的时候，也不用专门的场地，就像操场啊或者校区的运动场，小区内的广场都是可以让飞行器起飞和降落的，而且无人机航摄操作方便，控制起来也很容易，它的飞行作业成本也很低，同时还有很好的安全性，无论是飞行器本身的设备出现故障还是恶劣环境或者是坠机的事故，这些问题的发生都不能导致人们会有什么生命危险，非常的安全和方便，无人机航摄的空间分辨率还很高，可以通过他高分辨率的影像处理生成高精度的数字表面模型和数字高程模型，无人机的飞行航线也是自己定的，可以自由拍摄，精度高，可达五十到一千米，高度控制精度达到十米。

2.4无人机航空摄影测量的现状

无人机航空摄影是一种新的测量方法，发展低空无人机航空技术的发展是测绘工程发展的重要趋势，有必要对各国在技术领域的发展和具体需求进行数字化。

航空摄影测量在社会上的应用也很广泛，由于测量速度快，测量精度高，应用范围和方式多样的原因，航测在测绘领域有着非常好的光景。

随着中国的社会建设发展越来越快，经济方面的发展脚步也在同步加快，城市中的规划，比如说像交通水利相关的建设，这些方面的需求在一直增长的很快，数据采集、质量要求也越来越高，相应的虽然不断更新和更新速度更快，但作为一种新的测量手段，仍然有很多值得关注和改进的地方。

结合数字测量软件的发展，后期数据处理更加简单准确，测绘质量大大提高，相关部门支持进一步促进和改进经济技术发展的积极性。

航空数字摄影测量是地理信息获取的基础，获取无人机航空摄影数据的最有效途径之一，无人机航摄资料和数据包含的内容也越来越多，符合发展的实际要求。

无人机航空勘测中首先来说就是使用的成本真的很低，操作起来也不难，所以在建设方面可以帮助到很多，充当着特别重要的角色。

地形图测绘对施工质量有着至关重要的影响，获取数据的准确性也具有更重要的现实意义。

无人机摄影成本低，符合相关建设单位预算，因此应予以重视，应进一步研究，充分的把无人机航空摄影测量的应用价值发挥的淋漓尽致。

2.5无人机航测基本流程

无人机航空摄影测量流程包括内外业两部分组成，它包括GPS辅助空中三角测量。

从一开始的设计航空摄影测量对象和实施航空勘测程序，然后利用无人机进行空中作业，对检查结果进行检查，看看是否符合标准，如果有资格执行下一步，联合控制图像控制点和空中三角测量，控制点加密，并对测量结果进行立体量测和正射影像图的制作，然后检查结果是否合格，如果有资格继续进行下一次补测和DLG编辑，最后通过合格的结果完成上交。

摄影测量外业工作是整个过程中的一个重要环节，只有安排好各项任务，整个工作才可以完整的做完。

那么外业的工作流程一般是这样的：

（1）首先是要做好技术方面的设计，把测区作业的技术文件进行整理，设计出工作流程任务书，然后还有技术设计图；

（2）做准备工作和拟订作业计划：

准备工作包括仪器器材的准备和资料的收集；（3）在完成上文提到的

（1）

（2）步骤之后，要进行的就是具体的外业测量工作了，我们需要先去踏勘已知点，把之前在相片上选出的点去实地选择，根据具体的选点，在和高程联测，观测计算，处理分析总结成果，这中间对相片的调绘是要和野外控制测量同步进行的（4）最后一步就是对刚才整理的结果进行分析和最后的验收了，这一项工作同样也是非常重要的，因为如果在外业测量的过程中出现差错，可以及时的补测纠错，对最后的结果才可以达到更好的效果，外业测量工作才更有效。

2.6影像数据处理

该无人机获得包括以下内容的图像数据处理：

（1）利用漏洞检测软件对原始图像的航拍图进行空中漏洞检查，并通过检查，确定是否及时在检测区域进行航摄补拍；

（2）利用校正软件处理原始航空摄影图像，通过处理检查可以消除图像的畸变差失真和主点偏移量；

（3）使用数字图像处理专用软件，调整图像，使得图像的光照变得更加均匀，用这种方法来剔除图像上因为硬件条件也好，光照条件或天气影响导致的问题；

（4）虚拟图像生成，使用虚拟图像生成软件在步骤

（2）、（3）步骤图像的校正处理之后生成虚拟图像。

2.7无人机航空摄影测量在地形图测绘中的应用

无人机航空摄影测量的应用领域有很多，下面来就列举如下几方面：

（1）航空摄像测量中的像片控制

利用无人机航空摄影测量技术可以提供对该地区相关地形的更全面的了解。

在进行相片控制方面，无人机航空摄影可以与全球定位系统相结合，并将用于航空领域。

该特定数据对应于地面上的实际情况，以确保获取的数据能够从实际地面测量数据转换到一定程度，从而达到被测区域的实际地形的掌握，也有助于地面及时记录收到的信息，以确保信息的完整性。

在特定的摄影过程中，航空可以通过照片的控制点的特殊布置和设计以及全球定位系统等相关的测量技术，全面地掌握测量区域中的信息。

通常，数据测量需要记住特定点和位置之间的分布，以后的测量就可以很方便了。

（2）航空摄像机测量中的空三加密

空三测量在无人机航测过程中的作用是可以准确掌握精度。

我们在设置好空中三角测量之后，就可以减少一定的干扰在内部内容方向中，无人机航测系统就可以自主的计算测量收集数据，这就很大一方面的减少了人工的多余的消耗。

在此之后选择好连接点之后，就可以立即调整点和位置之间，准确的得出测量的结果了。

（3）测量航摄立体采编

使用无人机（UAV）可以保证一定的精度，但后期节点数据分析和测试精度也是不可忽视的重要步骤，但在无人机进行数据采集后，在等高线和水涯线上必须采用手绘方式，测量时的房屋屋檐角角度可能会造成较大误差，应该是进行标记，这样在后期处理可以做进一步的处理，提高地形图测绘的准确性。

（4）外业补测的操作

在航测技术中，在后期可能会发现一些点是没有被测量到的，那么，这个时候就需要进行外业的补测工作，这也需要对补测人员的测量技术有一定的要求，可在不同的地方补测纠正测量存在的错误并积极实施校正，通过补测提高精度，保证测量结果的准确性。

2.8无人机航空摄影测量在地形图测绘中的重要性

无人机航空摄影测量技术在地形测绘中的应用，不仅由于技术本身的优势，而且还因为实际要求，使得无人机技术更加实用，原因如下：

（1）安全灵活：

随着科学技术的进步，无人机技术有了很大的进步，地形测量