TCSF 013-2021 机载激光雷达人工林高度信息提取技术规范

T/CSF013-2021机载激光雷达人工林高度信息提取技术规范TechnicalspecificationforextractingheightinformationofplantationbasedonairborneLiDARICS65.020.01B65CSF团体标准中国林学会发布2021-10-13发布2021-10-13实施T/CSF013—2021I目次前言....................................................................Ⅱ1范围.....................................................................12规范性引用文件...........................................................13术语和定义...............................................................14总体技术流程.............................................................35激光雷达数据要求.........................................................36地面调查数据获取.........................................................47激光雷达数据预处理方法...................................................48人工林激光雷达单木分割及高度信息提取.....................................59人工林激光雷达林分高度信息提取...........................................510人工林高度信息提取精度验证..............................................511人工林高度信息统计输出..................................................612输出图件................................................................6附录A.....................................................................8附录B.....................................................................9附录C....................................................................10附录D....................................................................11参考文献..................................................................12T/CSF013—2021II前言本文件按照GB/T1.1-2020《标准化工作导则第1部分：标准化文件的结构和起草规则》的规定起草。本文件的附录A、B、C为资料性附录，附录D为规范性附录。本文件由南京林业大学、中国林业科学研究院资源信息研究所提出。本文件由中国林学会归口。本文件起草单位：南京林业大学、中国林业科学研究院资源信息研究所。本文件主要起草人：曹林、刘清旺、周凯、申鑫。T/CSF013—20211机载激光雷达人工林高度信息提取技术规范1范围本文件规定了应用激光雷达技术进行单木和林分尺度人工林高度信息提取的具体作业流程、技术规范。本文件主要针对有人机载激光雷达遥感数据，规范人工林高度信息产品处理的技术要求和作业规范，适用于利用机载激光雷达遥感技术对人工林高度信息进行调查与监测。2规范性引用文件下列文件中的内容通过文中的规范性引用而构成本文件必不可少的条款。其中，注日期的引用文件，仅该日期对应的版本适用于本文件；不注日期的引用文件，其最新版本（包括所有的修改单）适用于本文件。GB/T26424-2010森林资源规划设计调查技术规范GB/T14950-2009摄影测量与遥感术语GB/T26423-2010森林资源术语GB/T30363-2013森林植被状况监测技术规范GB/T13989-2012国家基本比例尺地形图分幅和编号GB/T18316-2001数字测绘产品检查验收规定和质量评定CH/T8024-2011机载激光雷达数据获取技术规范CH/T8023-2011机载激光雷达数据处理技术规范CH/T9015-2012三维地理信息模型数据产品规范LY/T1662-9-2008数字林业标准与规范LY/T2184-2013森林资源数据库分类和命名规范LY/T2186-2013森林资源数据编码类技术规范LY/T2188-2013森林资源数据采集技术规范LY/T2189-2013森林资源数据处理导则3术语和定义下列术语和定义适用于本文件。3.1激光雷达lightdetectionandranging集激光扫描系统、全球定位系统、惯性测量单元以及监视控制系统于一身，发射激光束并接收回波T/CSF013—20212获取目标三维信息的系统。3.2数字高程模型digitalelevationmodel以绝对高程值或海拔模拟地面起伏的数据集。3.3数字表面模型digitalsurfacemodel以数字形式表示的物体表面（包括树冠、屋顶等）起伏形态的数据集。3.4冠层高度模型canopyheightmodel以数字形式表示的植被冠层高度的数据集，由数字表面模型与数字高程模型差值运算生成。3.5几何配准geometricregistration将不同时间、不同传感器系统所获得的同一地区的点云数据，经空间几何变换使同名物点在三维位置和方位上完全叠合的操作。3.6特征提取featureextraction对激光雷达点云中某一模式的一组测量值进行变换，以突出该模式具有代表性特征的一种方法。或通过三维分析和变换，以提取所需特征的方法。3.7特征选择featureselection从原始激光雷达点云中，经过变换或重新组合，选择确定对人工林高度信息提取更有效的特征参数的工作。3.8人工林forestplantation由人工直播（条播或穴播）、植苗、分殖或扦插造林形成的森林。[来源：GB/T26423-2010，6.18]3.9样地sampleplot以随机或系统抽样方法抽取的用以推算森林资源的数量和质量而限定的地块单元。按保存时间分为固定样地和临时样地，按照形状分为方形样地和圆形样地。3.10林分平均树高averageheight反映林木高度平均水平的测度指标。以m为单位，记载小数点后1位。T/CSF013—202134总体技术流程机载激光雷达人工林高度信息提取的总体流程包括激光雷达数据获取、数据预处理、地面调查数据获取、单木分割与树高提取、林分冠层结构特征提取、林分平均树高估算、精度验证和结果输出，具体流程如图1所示。图1总体技术流程5激光雷达数据要求5.1数据存储格式激光雷达数据主要采用点云数据格式，包含每个点的空间坐标、强度、回波编号、回波数目、扫描角和颜色等信息，选择LAS数据标准格式进行存储。5.2点密度为满足林分尺度人工林高度信息提取的需求，机载激光雷达获取的点云数据密度需≥1点/m2；满足单木尺度人工林高度信息提取的需求，点云密度需≥5点/m25.3扫描角。机载激光雷达数据获取时的扫描角需满足≤±30°。5.4回波数机载激光雷达每个脉冲的可记录回波数≥2。5.5检校场数据T/CSF013—20214由机载激光雷达系统通过2条不同飞行高度的交叉航线获得，检校场数据需包含平坦裸露地形和明显凸出地物点信息。6地面调查数据获取6.1样地形状与大小样地可以是固定边长的正方形或固定半径的圆形。样地的大小需要充分考虑边界效应、GPS定位误差、数据采集的效率及成本、激光雷达特征量提取精度等。方形样地边长为20-30m（即面积为400-900m26.2样地位置与代表性）；圆形样地半径为10-15m（即方形样地的内切圆）。样地的位置需较为均匀地分布在研究区，要综合考虑立地条件、树种组成和林龄等因素。样地需尽量远离易受人为干扰的区域（如林区内的居民区和道路等），建议直线距离在60m以上。样地要具有林分代表性，建议根据已有的地面调查小班信息，涵盖不同的地形、森林类型、生长阶段等多种林分特征，分层选取典型样地。6.3森林参数测定测量时，根据样地编号顺序进行，同时记录单木编号、树种、胸径等，以免漏测或重测。在坡地测量时，应沿平行于等高线方向进行，在平地沿S形方向进行。测定正好处于样地境界上的树木时的原则：北要南不要，取东舍西。实测森林参数包括：单木和样地位置、树高、枝下高、胸径等（胸径5cm的单木）。树高和枝下高可采用超声波或激光测高器，胸径测量使用围尺。根据记录的单木高度信息，汇总计算林分平均高度（如算数平均高、条件平均高、加权平均高和优势木平均高）。样地中心（圆形样地）和角点（方形样地）位置坐标，通过差分GPS设备量测，精度应为厘米级。对于胸径5cm的单木，通过全站仪（或超声波单木定位仪，或罗盘仪结合皮尺）对样地内的单木进行定位。6.4其他考虑地面调查时应兼顾调查成本、效率和精度，综合考虑样地尺寸、样地数量、样地空间分布和调查因子等。7激光雷达数据预处理方法7.1数据要求包括：点云数据；航迹文件[GPS时间、位置信息（X，Y，Z）与姿态信息（翻滚角、俯仰角、偏航角）相对应的列表文件等参考文件]；地面检查点，即用于精度检测的野外实测数据；成果坐标系统与点云坐标系统之间的转换参数；其他有关数据，如与数据处理、成果检验相关的数据。高程精度要求如附录A中表A.1所示。T/CSF013—202157.2数据预处理方法7.2.1坐标系统转换和分块利用坐标系统转换参数，将点云数据转换至成果坐标系统。根据实际需要对点云数据进行分块。每一个数据块一般按矩形切块，也可以按照条带分块。数据块的大小根据数据处理的软、硬件性能综合考虑。7.2.2去噪和点云滤波将明显低于地面的点和明显高于地表目标的点，以及移动地物点定义为噪声点并进行去除。利用基于回波次数、反射强度、地物形状等的算法或算法组合，对点云数据进行自动滤波。植被覆盖区域可能对应多次回波，正常的地面点是最后一次回波对应的反射点。如有需要，可采用人工编辑的方式对错误的点重新进行滤波。7.2.3数字高程模型生成和检查通过地面点结合内插算法进行数字高程模型构建。通过三维透视及晕渲，检查数字高程模型的可靠性。使用实地量测的地面检查点，计算并统计检查点与内插点间的高程误差。8人工林激光雷达单木分割及高度信息提取通过固定窗口对CHM进行均值和中值滤波，并采用标记控制分水岭分割法进行单木分割。基于分割获得的树冠和树顶信息提取树高和树冠边界，并以标准表格文件格式输出。其中当样地坡度大于30°时，建议基于非地形归一化原始点云进行单木分割，以避免树顶检测错位。9人工林激光雷达林分高度信息提取9.1LiDAR点云垂直分布特性的冠层特征量计算计算基于冠层中LiDAR点云高度分布的特征变量（h25,h50,h75,h95,hmean,hcv,hskewness,hkurtosis）和基于冠层各高度层覆盖度的特征变量（d1,d3,d5,d7,d9,CC2m9.2林分尺度人工林高度信息估算）（详细描述见附录C中表C.1）。将提取的全部LiDAR特征量与实测林分高度信息进行Pearson's相关性分析，剔除相关性低的特征变量（Pearson's0.6）。将地面实测汇总的各