[发明专利]用于利用LiDAR数据来分析树冠层的方法和装置

说明书

技术领域

本文中所公开的技术涉及LiDAR数据处理，并且具体地涉及用于处理LiDAR数据以分析森林中的树冠层的技术。

背景技术

林务员或森林管理员的任务之一是能够准确地估计森林中的材积。在过去，通过将勘测队派遣到森林中来获得包括树木高度、直径、间距等的树木测量的采样来进行体积估计。然后，通过将所收集的采样数据外推到森林的大小来进行材积的估计。虽然在森林相对均匀时基于采样的体积估计通常是准确的，但是越来越昂贵和/或在后勤方面限制了将勘测队派遣到大的森林里的足够数目的采样区域以获得准确的数据。

为了解决该问题，遥感正被用作用于从森林中的树木中获得采样数据的替代技术。一种感测方法包括使用光检测和测距(LiDAR)。利用LiDAR，诸如飞机或直升机的低空飞行的飞行器携带LiDAR检测单元通过覆盖要勘测的森林区域的一系列平行的路径上方。LiDAR检测单元在针对每条路径以重复来回扫描的模式来发射和接收激光脉冲。所发射的激光脉冲从在地面上或空中的对象反射回来，该对象包括：树叶和针叶以及树枝、石块、人造对象（房子、汽车、电话线等）、禽鸟等。反射的激光脉冲由LiDAR检测单元来检测，该LiDAR检测单元记录每个反射的激光脉冲的时间、方向以及强度。因为在检测反射的激光脉冲时飞行器的高度和速度是已知的，所以能够确定每个反射的激光脉冲的三维坐标。

虽然LiDAR感测从森林中的树木产生了大量数据，但是当树木紧密地间隔时，很难分开哪些激光脉冲从不同的树木反射。传统的方式是分析可能是单个树的对象的LiDAR坐标数据。消除小于预期树木大小的数据中的不规则以使得分析更容易。结果是小于预期树木大小的拓扑特征被故意忽略。然而，因为树木大小可能显著地变化，所以难以知道数据中的特征何时足够小以安全地忽略。因此，错误地视为已经从相同的树木反射的激光脉冲可能导致对森林中的树木的数目的低估。相反，错误地视为已经从不同的树木反射的激光脉冲可能导致对森林中的树木的数目的高估。

考虑到这个问题，需要在LiDAR数据中搜索独立树木的改进的技术。

发明内容

为了解决上述问题，本文中所公开的技术是一种用于利用LiDAR数据来分析森林区域的冠层的系统和方法。在一个实施例中，在围绕树顶的多个区域中的LiDAR数据点高度的空间均匀性用于确定与冠层相关的信息，能够从该信息来估计森林中的树木的特征。在一个特定实施例中，区域内的LiDAR高度数据被转换成频域，并且后续的分析提供对LiDAR数据点高度的空间均匀性的测量。在一个实施例中，特征是冠大小，并且所确定的空间均匀性的程度用于调整其中LiDAR点被视为已经被从单棵树反射的区域的大小。

在一个实施例中，系统包括处理器，该处理器被编程为分析搜索区内的多个LiDAR数据点。该处理器被编程为针对可以表示树顶的点来搜索LiDAR数据。对于可以表示树顶的LiDAR数据点，处理器被编程为分析在围绕树顶的区域中的多个单元内的LiDAR数据点的高度的空间均匀性。分析LiDAR点高度所在的单元的大小优选地基本上小于预期的树冠的大小。在一个实施例中，在频域中分析LiDAR数据点高度，并且基于频率分量中的功率的变化来测量均匀性。

在一个实施例中，处理器被编程为计算冠层闭合向量，该冠层闭合向量用于调整搜索区域的大小，在该搜索区域内LiDAR数据点被视作已经被从单棵树反射。与对于具有较低的冠层闭合向量的森林区域的搜索区域的大小相比，减少了对于具有较高的冠层闭合向量的那些森林区域的搜索区域的大小。

在一个实施例中，处理器被编程为使用二维快速傅立叶变换（FFT）来分析LiDAR数据点的高度。根据FFT输出矩阵，进行对频率分量的变化的测量。根据变化测量结果来计算冠层闭合向量。在一个特定实施例中，处理器被编程为确定在由围绕FFT输出矩阵中的平均值的五分之二的谐波限定的单元的多个环中的频率分量的功率的标准偏差。标准偏差用于计算随着森林冠层的闭合量而变化的冠层闭合向量（CCV）。在所公开的技术的一个实施例中，处理器根据所计算的CCV的函数来调整搜索区域的大小，在该搜索区域中LiDAR数据点的坐标被视作已经从单棵树反射。

提供发明内容来以简化的形式介绍原理的选择，该原理在下面的具体实施方式中进一步进行描述。发明内容并不意在标识要求保护的主题的主要特征，也不意在用作对确定要求保护的主题的范围的辅助。

附图说明

当与附图相结合地考虑时，本发明的前述方面和伴随的优点中的许多将变得更容易理解，因为其通过参考以下具体实施方式变得更好理解，在附图中：