基于无人机激光雷达点云数据的单木分割研究

• 作者: 刘浩然 范伟伟 徐永胜 林文树
• 来源期刊: 中南林业科技大学学报
• 学科: 农学
• 关键词: 无人机激光雷达 点云数据 单木分割 k-means算法 阈值分割算法
• 年，卷（期）: 2022,（1）
• 所属期刊栏目: 林学
• 页码范围: 45-53
• 页数: 9页
• 分类号: S771.5
• 语种: 中文
• DOI: 10.14067/j.cnki.1673-923x.2022.01.006

摘要

[目的]探索不同树种在样地和单木尺度上无人机激光雷达点云数据的单木分割效果,选取哈尔滨城市林业示范基地阔叶林(水曲柳)和针叶林(樟子松)两块样地为研究对象,对样地内树木点云进行单木分割并评价其分割效果,为后续单木结构参数的提取提供数据支持,同时丰富森林资源信息的调查手段.[方法]通过无人机激光雷达获得样地树木点云数据,然后分别采用改进的K均值聚类算法和基于相对间距的阈值分割算法对水曲柳和樟子松样地进行单木点云数据分割.其中,水曲柳样地点云数据处理采用改进的K均值聚类算法,通过树干点云位置推算初始聚类中心,减少因树冠重叠导致的错误分割;樟子松样地点云数据处理则采用基于相对间距的阈值分割算法,通过设定多条阈值规则并利用动态最大值滤波器对树顶进行精确探测,提高算法的分割精度.最后,基于样地和单木点云完整度两个方面对点云数据分割效果进行评价.[结果]1)从样地尺度来看,水曲柳和樟子松样地单木识别率分别为0.91和0.87,相应的调和值(F)分别为0.91和0.88,结果显示单木分割的整体效果较好.水曲柳样地召回率(r)为0.87,精确率(p)为0.95,算法分割过程中产生的错误分割较少.樟子松样地算法分割的单木也多为正确分割(r=0.82、p=0.94),其分割误差主要来自于单木欠分割,过分割现象相对较少.2)从单木点云分割的完整程度来看,水曲柳样地的单木平均正确分割率为75.6％,点云平均欠分割率为24.3％,平均过分割率为18.5％,单木点云的最大错误分割率为31.8％,不同单木之间分割精度有较大差异;樟子松样地的单木分割精度较稳定,平均正确分割率达84.1％,平均欠分割和过分割率分别为16.3％和9.0％,表明单木点云不存在大量错误分割的情况.[结论]基于树木形态结构特征改进了两种优化单木点云数据分割算法,两种算法下分割的森林样地单木精度在不同评价尺度中表现均较好,对林中树木出现的树冠重叠、遮挡、偏移等现象均有一定的辨别能力,实现了森林样地树木点云数据的单木精确分割.