机载激光雷达树高产品的释义与精度水平评估

doi:10.13466/j.cnki.lyzygl.2022.01.014

摘要/Abstract

摘要：

围绕航空激光雷达森林冠层高度产品(Canopy Height Model,CHM)的物理意义、准确性和精度指标,开展CHM产品质量评价的数据处理流程和技术方法研究,设计了地面参照样木筛选、迭代剔除粗差、分树种(组)相关性分析和精度水平等级分组统计等步骤。在我国东北虎豹国家公园开展了典型山地温带针阔混交森林的应用示范。对由航空激光测距设备RIEGL-VQ-1560i采集数据(激光脉冲密度10pluse/m²)并处理得到的CHM产品进行了精度评价,研究结果表明:1)从总体上看,CHM树高与“真实”树高具有极其显著的线性相关性,可达R²=0.97,CHM产品略低于“真实”树高,约为0.7m,具体到每株林木大致有±2m的不确定性;2)从各个树种(组)上看,各个树种(组)CHM树高与“真实”树高比较也均呈现略低现象,大小范围从0.3~1.3m不等,具体到每株林木大致有±1.4~±2.4m的不确定性,其中人工落叶松林的CHM高度比“真实”值低约1.3m,最为突出;3)从抽样参照林木精度水平等级分组统计结果情况上看,精度指标为0~±1m的CHM产品占比为57.6%,精度指标为0~±2m,CHM产品占比为79.4 %,其中,18.6%的抽样高度误差超过了+2m,仅有2.0%的抽样低于-2m,指明了产品大约1/5的区域存在CHM偏低的问题,需要进一步人工检验。研究结果表明,此技术方法可以有效地评价CHM产品整体质量状况及识别存在的问题,为大范围山地林区复杂作业条件下的航空激光雷达森林资源调查工程的质量控制提供了技术支撑和保障。

关键词: 树高, 森林资源监测, 机载激光雷达, 森林冠层高度产品CHM, CHM产品精度

Abstract:

The accuracy and precision of Airborne LIDAR canopy height model (CHM) product was accessedon in dividual tree level,using forest ground measurements with high-precision position. The analysis procedures were based on dominant trees sampling by spatial analysis tool,iterative elimination of outliers,correlation analysis,and rules for error grading statistics.The method was applied in Northeast Tiger and Leopard National Park. The CHM product was collected by LIDAR RIEGL-VQ-1560i with 10 pulse/m². The results showed that: 1) CHM and "real" height had a significant linear correlation,R²=0.97;CHM products were slightly lower than the "real" height,about 0.7m;Roughly,there was an uncertainty of ±2m(2σ) for each tree;2) For each tree species (group),all CHMs were slightly lower than the "real" height too,ranging from 0.3m to 1.3m;Roughly,There was an uncertainty of ±1.4 ~±2.4m(2σ) for different species;Significantly,the CHM height of the larch was about 1.3m lower than the "real" value;3) the result of error grading statistics showed proportion of CHM with 0~ ±1m error was 57.6%; proportion of CHM with 0~±2m error was 79.4%;proportion of CHM with more than +2m error was 18.6%; proportion of CHM with less than -2m error was 2.0 %. It indicated that about 1/5 of the products had lower CHM values,which needed to be further explored. The results showed that the method could effectively identify the quality problems of CHM products,and provide a guarantee for the quality control of airborne LIDAR forest survey projects under complex operating conditions in large-scale and mountainous forest areas.

Key words: tree height, forestry resources monitoring, airborne LIDAR, canopy height model, CHM accuracy

中图分类号:

S771.8

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图/表 11

图1

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表2

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表3

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参考文献 12

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指标	定位系统
基站定位精度	水平精度优于5cm,高程精度优于10cm
基站采样间隔	1s
移动站	移动站距离基站小于30km
移动站静态测量	静态30min以上
全站仪测距精度	精度优于0.5cm
指标	林木检尺
检尺范围	胸径大于5cm
胸径测量	胸径等于或大于20cm的树木,胸径测量误差小于5%;胸径小于20cm的树木,胸径测量误差小于0.5cm。
树高测量	树高10m以下误差小于1m;树高10m以上不超过10%
检尺株数	大于或等于8cm的应检尺株数不允许有误差。小于8cm的应检尺株数,允许误差3株。
冠幅测量	误差小于15%(东西冠幅、南北冠幅)
枝下高测量	误差小于20%
郁闭度测量	误差小于0.05

设备名称	设备类型	主要指标	参数指标
飞机	塞斯纳208B	飞行速度	260 km/h
		飞行高度	2300/2100 m
		平均地面高程	400/200 m
激光雷达载荷	RIEGL-VQ-1560i	脉冲频率	1000 kHz
		视场角FOV	58°
		激光发散度	≤0.25 mrad
		激光波长	1064 nm
		扫描频率	207 Hz
		扫描幅宽	2129 m
		点密度	10 pts/m²
		旁向重叠度	25%
IMU系统	POSAV610	采样频率	200Hz
		横滚/俯仰	0.005°
		航偏	0.008°
GNSS定位系统 (飞机/地面)	CORS站	采样频率	1Hz
	中海达GPS	采样频率	1Hz
	机载GPS	采样频率	1Hz

等级	名称	内容	数据量
0级	激光雷达原始数据	从激光雷达载荷(LIDAR)、惯性导航(IMU)系统和GNSS系统(飞机/地面)导出的原始数据	2.3TB
1A级	激光雷达初级定位数据	将机载GNSS和IMU数据,联合地面参照站数据进行差分技术处理,对航线定位定向进行联合精结算;将精解算姿态和定位数据赋给每个激光脉冲。	4.2TB
1B级	激光雷达去噪数据	剔除明显噪声点后的数据。	4.2TB
2级	激光点云几何精纠正数据	以架构航线为基准,经航带间匹配,整体平差后的数据。	2.7TB
3级	激光雷达分类数据	对激光点云数据进行滤波和分类,区分地面点和非地面点的数据。	2.7TB
4级	CSM/DTM/CHM数据	经点云数据空间差值或格网统计获取CSM和DTM数据,两者之差获取CHM数据。	160G

编码	树种(组)	主要树种	株数/株	最小值	最大值	平均值	标准差
1	天然针叶林Ⅰ	红松(包括赤柏松)、云杉(包括鱼鳞云杉、红皮云杉)	675	-1.5	3.0	0.7	1.0
2	天然针叶林Ⅱ	臭松、樟子松(包括樟子松、赤松、黑松、油松、长白松)、其它针叶	488	-1.6	3.0	0.6	0.9
3	天然针叶林Ⅲ	落叶松	953	-1.5	3.0	0.9	0.8
4	天然阔叶林Ⅰ	水曲柳、胡桃楸、黄菠萝	120	-1.5	3.0	0.8	1.1
5	天然阔叶林Ⅱ	椴树、枫桦	419	-1.6	3.0	0.7	1.0
6	天然阔叶林Ⅲ	柞树、黑桦	601	-1.6	2.9	0.3	1.0
7	天然阔叶林Ⅳ	色树、榆树	205	-1.6	3.0	0.6	1.0
8	天然阔叶林Ⅴ	杨树、白桦	1530	-1.6	3.0	0.7	0.9
9	天然落叶林Ⅵ	其它阔叶	286	-1.6	2.8	0.4	1.0
10	人工针叶林Ⅰ	人工红松(包括赤柏松)、人工云杉(包括鱼鳞云杉、红皮云杉)	152	-1.6	2.9	1.0	0.7
11	人工针叶林Ⅱ	人工樟子松(包括樟子松、赤松、黑松、油松、长白松)、人工臭松、其它针叶	N/A	N/A	N/A	N/A	N/A
12	人工针叶林Ⅲ	人工落叶松	410	-1.5	3.0	1.3	0.8
13	人工阔叶林Ⅰ	人工杨树(包括人工朝鲜柳)	N/A	N/A	N/A	N/A	N/A
14	人工阔叶林Ⅱ	人工其他阔叶林	17	-1.5	2.7	0.3	1.2
		总计	5856	-1.6	3	0.7	1.0

抽样方案	缓冲区大小 /m	样地半径 /m	株数参数	小计	-3σ 以下	-3σ	-2σ	±σ	+2σ	+3σ	+3σ 以上
(1)	5	10	N/A	714	17	6	32	389	126	75	69
(1)	5	10	N/A	100%	2.4%	0.8%	4.5%	54.5%	17.6%	10.5%	9.7%
(2)	4	10	N/A	1017	28	13	58	591	153	95	79
(2)	4	10	N/A	100%	2.8%	1.3%	5.7%	58.1%	15.0%	9.3%	7.8%
(3)	3	10	N/A	1601	84	27	112	915	235	124	104
(3)	3	10	N/A	100%	5.2%	1.7%	7.0%	57.2%	14.7%	7.7%	6.5%
(4)	2	10	N/A	3366	454	115	286	1830	377	176	128
(4)	2	10	N/A	100%	13.5%	3.4%	8.5%	54.4%	11.2%	5.2%	3.8%
(5)	2	15	N/A	7873	1302	351	708	4108	787	340	277
(5)	2	15	N/A	100%	16.5%	4.5%	9.0%	52.2%	10.0%	4.3%	3.5%
(6)	2	15	5株	2195	16	29	117	1264	362	206	201
(6)	2	15	5株	100%	0.7%	1.3%	5.3%	57.6%	16.5%	9.4%	9.2%