五镜头倾斜摄影测量森林点云综合比较与分析
1研究的目的和意义
近年来，随着无人机的技术的发展，无人机已在各行各业取得较为突出的应用，尤其在农林植保、航拍航测、国土资源等领域。由于其数据采集灵活、便捷、成本低等特点，目前是林业调查及森林资源监测的研究热点，在森林资源调查中，林业调查工作量大，爬山涉水所遇困难大，工作强度高，且一般林业调查周期要求更短，数据要求更精细，无人机遥感系统具备机动、灵活，可快速到达作业区域，受地形、天气环境影响较小，可实时获取森林资源的精准数据，基本能够承担样地调查任务的能力。无人机可获取高分辨率的影像，调查人员可以操控无人机获取特定区域遥感信息，包括林木类别、分布范围、面积等准确数据，有效减少外业工作时间，降低劳动强度，提高工作效率。无人机搭载传感器获取森林点云进行处理分析，已成为森林调查重要手段。
传统航空摄影在拍摄时相机的主光轴垂直于目标顶部, 称其为垂直摄影, 主要获取目标顶部信息, 制作正射影像。五镜头倾斜摄影与传统摄影相机相比，相机主光轴与铅垂线存在夹角，二者不重合。倾斜摄影在获取目标顶部信息的基础上还可以获取侧面信息。无人机搭载五镜头倾斜摄影传感器可以有效获得森林的高密度三维点云数据，从而获取冠层三维结构信息。未来无人机数据获取与处理系统将更加智能化、微型化、低成本化,更好地满足林业应用业务需求。
2.国内外研究现状
2.1国内研究现状
我国的五镜头倾斜摄影测量森林点云技术仍然处在起步阶段，在林业中的研究更加稀少。庞勇团队研究主要是不同滤波分类法，树冠分割，树高估算，研究对象一般以林区树木为主，使用CHM(Canopy Height Model,树冠高程模型)进行林区的树木高度计算。但由于在复杂环境下，林木的空间发布特征会变得错综复杂，导致对树冠的分割效果不是很理想[1]。黄海虹简要的阐述了当今无人机遥感技术在森 林资源调查中的应用以及不足,旨在为无人机遥感技术的发展做出贡献[2]。为探究无人机激光雷达（UAVLS）获取单木树冠三维结构的能力, 全迎,李明泽等人利用无人机载激光雷达数据,对人工长白落叶松进行单木树冠特征因子的提取以及树冠轮廓的模拟,并与机载激光雷达（ALS）单木树冠特征因子的提取进行比较[3]。一般情况无人机摄 影测量系统搭载RGB或多光谱相机,配备低精度GNSSamp;IMU,通过高重叠率航片的三维重建算法自动解算航片内外方位元素,生成具有相对参考坐标的图像及点云,采用地面控制点(GCPs)、参考影像等方式进行几何精校正,对于连续覆盖的森林区域,使用高精度GNSS、稳定平台等可以提高图像匹配精度。利用单木分割方法提取单木结构信息，从激光雷达点云或摄影测量重建点云中识别出树冠顶点、树冠边界、树冠位置等属性。还可以将点云投影到体素空间或生成树冠高度模型(CHM)，以识别单个树木特征。高度分布法是提取林分结构信息的常用方法，它可以直接计算出高度分位数、回波指数等点云特征值，或者根据指定的高度间隔生成频率或强度波形。计算波形分位数、波形前沿、波形后缘等波形特征，并根据点云特征、波形特征与地面测量的关系估计森林结构参数。激光雷达点云和摄影测量重建点云均可用于提取林下地形，但在郁闭度较低的地区两者差别不大，而在郁闭度较高的地区，摄影测量重建点云提取的林下地形精度较低。多时相无人机激光雷达与摄影测量相结合，可以监测人工修剪、择伐、火灾、病虫害等造成的森林结构变化，以及枝叶生长、落叶等物候变化 [4-5]。以及曹林及其团队研究并发表扩大无人机在研究中的四个步骤，系统阐述了具体应用[7]。
2.2国外研究现状
最近几年来，国际对五镜头数据点云的研究发展相当快速与丰富。遥感技术在林业中得到了广泛的应用。如Cohen，Hansen， White等人均对映射和监测森林动态相关研究。以及光学卫星图像在林业中的应用在时间和空间尺度上都有了显著增加，特别是在最近十年中，特别是在开放获取Landsat卫星图像方面(Schroeder等人，2017年；Vogelmann等人，2017年；Wang等人，2016年；White等人，2017年；Wulderet al.，2012年a)。为监测森林动态，研制了大量的卫星图像植被指数，如归一化的diff植被指数(Ndvi)、归一化的ff植被指数(NdWI)和归一化燃烧比指数(Nbr)。QinMa利用双时相LiDAR数据评价陆地卫星植被指数量化森林燃料处理的不确定性[8]。LiDAR在植被参数估计中的应用继续面临着许多挑战，例如缺乏对海量数据的有效处理方法、可靠的抽样策略和预测模型(Hawbaker等人，2009年)。利用遥感数据和fiELLD数据，建立了典型的植被结构参数预测模型。利用LiDAR对森林冠层和生物量统计[9]。Ran Mengade等人利用双时相航空成像光谱分析(即高光谱成像)和1米空间分辨率的LiDAR测量，以探索光谱和[11]。
3.主要研究内容及计划
无人机搭载五镜头倾斜摄影传感器可以有效获得森林的高密度三维点云数据，从而获取冠层三维结构信息。本研究将借助同期获取的五镜头倾斜摄影影像数据，比较单镜头（正射）和五镜头数据点云的特征和差异，并通过不同的单木分割算法基于这两种数据进行人工林单木分割精度的比较，从而为相关领域的林业调查和森林资源监测提供技术支持。
4.特色与创新
1.借助同期获取的五镜头倾斜摄影影像数据，比较单镜头（正射）和五镜头数据点云的特征和差异。
2．通过不同的单木分割算法基于这两种数据进行人工林单木分割精度的比较，从而为相关领域的林业调查和森林资源监测提供技术支持。
参考文献
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