專利名稱：結(jié)合形態(tài)學(xué)冠層控制和分水嶺的LiDAR數(shù)據(jù)單木提取方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及激光雷達(dá)數(shù)據(jù)處理技術(shù)，尤其涉及一種結(jié)合形態(tài)學(xué)冠層控制和分水嶺的LiDAR數(shù)據(jù)單木提取方法。
背景技術(shù)：
激光雷達(dá)(Light Detecting and Ranging, LiDAR)技術(shù)是近20年來遙感領(lǐng)域最具革命性的成就之一。根據(jù)其特點(diǎn)，LiDAR技術(shù)在林業(yè)上有著極為廣泛的應(yīng)用，尤其在構(gòu)建冠層高度模型(Canopy Height Model, CHM)等方面有著突出的優(yōu)勢(shì)。目前從LiDAR數(shù)據(jù)中提取單木的算法有很多，其中一些算法是針對(duì)CHM進(jìn)行的。 CHM是林業(yè)研究中的一個(gè)重要模型，它表示了地面以上的冠層高度，反映了植被的垂直高度變化以及植被上表面的水平分布情況。針對(duì)CHM、從LiDAR數(shù)據(jù)中提取單木是指，根據(jù)LiDAR 數(shù)據(jù)建立CHM，從CHM中提取單木的方法。目前，從CHM中提取單木的方法主要是區(qū)域生長(zhǎng)法和標(biāo)記分水嶺法。但是，現(xiàn)有的從CHM中提取單木的方法對(duì)CHM質(zhì)量要求較高，且無法保證單木提取的精度。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種從結(jié)合形態(tài)學(xué)冠層控制和分水嶺的LiDAR數(shù)據(jù)單木提取方法，從而解決在提取單木時(shí)對(duì)CHM質(zhì)量的依賴程度過高，以及提取單木精度無法保證的問題。本發(fā)明的目的通過以下技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn)?！N結(jié)合形態(tài)學(xué)冠層控制和分水嶺的LiDAR數(shù)據(jù)單木提取方法，包括步驟1、基于LiDAR數(shù)據(jù)建立CHM ；步驟2、基于形態(tài)學(xué)冠層控制，在所述CHM中確定外部標(biāo)記；步驟3、對(duì)所述CHM進(jìn)行全局中值濾波處理；步驟4、結(jié)合所述外部標(biāo)記，使用局部極值的方式獲得全局中值濾波處理后的CHM 的內(nèi)部標(biāo)記；步驟5、結(jié)合所述內(nèi)部標(biāo)記，對(duì)步驟1中所述的CHM進(jìn)行第一次分水嶺操作；步驟6、利用所述外部標(biāo)記，剔除第一次分水嶺操作結(jié)果中的非冠層水槽，得到優(yōu)化的第一次分水嶺操作結(jié)果；步驟7、查找所述優(yōu)化的第一次分水嶺操作結(jié)果中沒有內(nèi)部標(biāo)記的水槽，對(duì)所述沒有內(nèi)部標(biāo)記的水槽進(jìn)行重建，得到重建后的CHM ；步驟8、結(jié)合所述內(nèi)部標(biāo)記，對(duì)重建后的CHM進(jìn)行第二次分水嶺操作；步驟9、利用所述外部標(biāo)記，剔除第二次分水嶺操作結(jié)果中的非冠層水槽，得到優(yōu)化的第二次分水嶺操作結(jié)果；步驟10、使用預(yù)定的結(jié)構(gòu)元素，對(duì)第二次分水嶺操作結(jié)果進(jìn)行開操作，得到單木分割結(jié)果；步驟11、根據(jù)單木分割結(jié)果，提取單木參數(shù)。本發(fā)明的關(guān)鍵在于始終將冠層控制的概念與單木分割過程結(jié)合，并且通過重建， 進(jìn)行了兩次的分水嶺操作，從而大大的減少了過分割現(xiàn)象。分水嶺分割之后，該發(fā)明還使用基于自適應(yīng)結(jié)構(gòu)元素形態(tài)學(xué)操作對(duì)結(jié)果進(jìn)行優(yōu)化，使得分割的單木冠層更貼近于真實(shí)的冠層形狀。因此，本發(fā)明提供的方法，分割的結(jié)果只存在可忽略的過分割現(xiàn)象，使得單木分割的精度得到了提高，且降低了對(duì)CHM質(zhì)量的依賴，具有很強(qiáng)的實(shí)用價(jià)值。


圖1本發(fā)明實(shí)施例提供的一種方法流程圖；圖2為本發(fā)明實(shí)施例提供的冠幅測(cè)量示意圖。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明提供一種結(jié)合形態(tài)學(xué)冠層控制和分水嶺的LiDAR數(shù)據(jù)單木提取方法，其實(shí)現(xiàn)方式如圖1所示，包括如下操作步驟1、基于LiDAR數(shù)據(jù)建立CHM ；步驟2、基于形態(tài)學(xué)冠層控制，在步驟1中建立的CHM中確定外部標(biāo)記；所述的外部標(biāo)記是一個(gè)二值圖像，用來表示樹冠的分布情況。所述的外部標(biāo)記并不參與后續(xù)分水嶺運(yùn)算，以最大程度的保留分割的緊湊性，避免為控制過分割而帶來的欠分割現(xiàn)象。外部標(biāo)記的作用是針對(duì)分水嶺運(yùn)算的結(jié)果進(jìn)行冠層控制，以剔除分水嶺運(yùn)算結(jié)果中的非冠層水槽。可以使用基于形態(tài)學(xué)的冠層控制進(jìn)行外部標(biāo)記的確定。作為舉例而非限定，步驟 2的具體實(shí)現(xiàn)方式可以是步驟21、對(duì)上述的CHM進(jìn)行形態(tài)學(xué)開操作，開操作的數(shù)學(xué)表示如下CHM0pen = CHMo S公式⑴其中，CHM0pen為經(jīng)過開操作后的CHM，CHM為步驟1中建立的CHM，ο是形態(tài)學(xué)開操作算子，S為近圓形結(jié)構(gòu)元素。步驟22、將開操作的結(jié)果與設(shè)定的冠層閾值進(jìn)行比較，根據(jù)比較結(jié)果獲得外部標(biāo)記的初始二值圖像；這里需要設(shè)定一個(gè)冠層閾值thresho 1 d0pen,開操作的結(jié)果CHMtjpen中大于等于 thresholds的像素被認(rèn)定是有冠層區(qū)域(也就是樹冠部分)，而小于該thresholfQpen的像素被認(rèn)定為非冠層區(qū)域，即為地表。則步驟22的數(shù)學(xué)表示如下
f 1，CHM0pen > threshold0penoutMark = \“pen .、公式⑵
|0，CHM0pen < threshold0pen其中，outMark是外部標(biāo)記的初始二值圖像，outMark為1表示冠層區(qū)域，outMark 表示非冠層區(qū)域。步驟23、通過去除所述外部標(biāo)記的初始二值圖像中小于閾值的獨(dú)立冠層區(qū)域和非冠層區(qū)域，得到外部標(biāo)記二值圖像，該外部標(biāo)記二值圖像即外部標(biāo)記的表現(xiàn)形式。具體可以通過填補(bǔ)法和去除小像素塊法實(shí)現(xiàn)?，F(xiàn)有技術(shù)中，存在著通過形態(tài)學(xué)梯度來去除樹冠的細(xì)節(jié)。但CHM上存在較為嚴(yán)重的冠層數(shù)據(jù)缺陷和丟失，這是本領(lǐng)域技術(shù)人員公知的?；谛螒B(tài)學(xué)梯度去除樹冠細(xì)節(jié)只能單純的反應(yīng)冠層的邊界，但無法實(shí)現(xiàn)對(duì)冠層數(shù)據(jù)的修復(fù)和還原。而本發(fā)明提供的方法，基于形態(tài)學(xué)的冠層控制來確定外部標(biāo)記(外部標(biāo)記反映了冠層數(shù)據(jù))，然后通過填補(bǔ)法和去除小像素塊法對(duì)外部標(biāo)記進(jìn)行優(yōu)化，能夠保留更多的冠層細(xì)節(jié)，最大程度的修復(fù)和還原冠層的真實(shí)形狀。步驟3、對(duì)步驟1中建立的CHM進(jìn)行全局中值濾波處理，全局中值濾波處理的數(shù)學(xué)表達(dá)如下CHMfcdian = Median (CHM)公式(3)其中，CHMfcdian是全局中值濾波后的CHM，MedianO是中值濾波函數(shù)。步驟4、結(jié)合上述的外部標(biāo)記，使用局部極值的方式獲得全局中值濾波處理后的 CHM的內(nèi)部標(biāo)記；步驟4的數(shù)學(xué)表示如下
Γ1, CHMMedian(x,y) > Max(Sub_Window(x,y)),o^Ma^(x,y) = 1 _inMark = <, .,公式(4)其中，inMark為內(nèi)部標(biāo)記的二值圖像、是內(nèi)部標(biāo)記的表現(xiàn)形式，MaxO為取最大值函數(shù)，Sub_ffindow()為取(X，y)像素的7*7鄰域、不包括中心像素。內(nèi)部標(biāo)記表示可能的單木位置，相當(dāng)于表示可能的樹頂標(biāo)記。應(yīng)當(dāng)指出的是，單木位置存在于樹冠部分，因此，在計(jì)算單木位置時(shí)，關(guān)心的是外部標(biāo)記取值為1的部分?，F(xiàn)有技術(shù)中，通常假設(shè)樹頂位于冠層的中間位置。但實(shí)際上，樹頂往往并不處于冠層的中間位置。發(fā)明人在實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的過程中，發(fā)現(xiàn)CHM中的單木樹頂一定處于一些局部最大值的位置上，但也有可能會(huì)出現(xiàn)一個(gè)樹冠有多個(gè)局部最大值的情況。為了確定樹頂標(biāo)記，本發(fā)明提供的方法是，首先對(duì)CHM進(jìn)行中值濾波處理，來平滑掉一些同一樹冠上的多個(gè)樹頂?shù)那闆r；然后結(jié)合外部標(biāo)記和局部極值，查找可能的樹頂標(biāo)記。步驟5、結(jié)合上述的內(nèi)部標(biāo)記，對(duì)步驟1中建立的CHM進(jìn)行第一次分水嶺操作；在進(jìn)行第一次分水嶺操作之前，需要對(duì)步驟1中建立的CHM進(jìn)行平滑操作，這樣可以最大程度的降低分水嶺的過分割現(xiàn)象。具體可以使用形態(tài)學(xué)的閉操作進(jìn)行平滑處理，其數(shù)學(xué)表示如下CHMclose = CHM · S(5)
其中，CHMclose是經(jīng)過形態(tài)學(xué)閉操作后的CHM， 是形態(tài)學(xué)閉算子，S為近圓形結(jié)構(gòu)元素。步驟5的具體實(shí)現(xiàn)方式可以是步驟51、對(duì)平滑處理后的CHM進(jìn)行值反轉(zhuǎn)操作；如果基于形態(tài)學(xué)的閉操作進(jìn)行平滑處理，則步驟51的具體實(shí)現(xiàn)方式是，對(duì)CHMcl。se 進(jìn)行值反轉(zhuǎn)操作，得到CHMa_—…其數(shù)學(xué)表達(dá)如下CHMclosejieverse = Max (CHMclose) -CHMclose+a公式(6)其中，a為一個(gè)常數(shù)。步驟52、在值反轉(zhuǎn)操作后的CHM中加入內(nèi)部標(biāo)記，進(jìn)行第一次分水嶺操作。
步驟6、利用所述的外部標(biāo)記，剔除第一次分水嶺操作結(jié)果中的非冠層水槽，得到優(yōu)化的第一次分水嶺操作結(jié)果；第一次分水嶺操作及優(yōu)化的數(shù)學(xué)表示如下CHMffatershed = Mask (Watershed (CHMclosejteverse, inMark)，outMark) 公式(7)其中，WaterShedO為分水嶺分割函數(shù)；MaskO表示使用外部標(biāo)記的二值圖像進(jìn)行掩膜處理，通過掩膜處理剔除非冠層水槽；CHMwatoshed為優(yōu)化后的分水嶺操作的結(jié)果，其表現(xiàn)為許多的水槽。所謂的剔除非冠層水槽是指將外部標(biāo)記作為掩膜，如果一個(gè)水槽在外部標(biāo)記的范圍之外，則該水槽為非冠層水槽，刪除該水槽；如果一個(gè)水槽中有部分在外部標(biāo)記的范圍之外，則刪除這部分，保留該水槽在外部標(biāo)記的范圍之內(nèi)的部分。步驟7、對(duì)優(yōu)化后的第一次分水嶺操作結(jié)果進(jìn)行形態(tài)學(xué)重建；優(yōu)化后的第一次分水嶺操作結(jié)果仍然存在過分割現(xiàn)象，因此需要對(duì)沒有內(nèi)部標(biāo)記的水槽進(jìn)行重建。重建的目的是在第二次分割時(shí)過分割水槽將不再被分為一個(gè)單獨(dú)的水槽。步驟7的具體實(shí)現(xiàn)方式是查找優(yōu)化的第一次分水嶺操作結(jié)果中沒有內(nèi)部標(biāo)記的水槽，對(duì)沒有內(nèi)部標(biāo)記的水槽進(jìn)行重建，得到重建后的CHM。以上述數(shù)學(xué)表達(dá)為例，步驟7的具體實(shí)現(xiàn)方式可以是為對(duì)CHMwatosted中的每個(gè)水槽進(jìn)行查找內(nèi)部標(biāo)記操作；對(duì)于沒有內(nèi)部標(biāo)記的水槽，則需要將CHMa_—中該水槽所在像素內(nèi)的像素值進(jìn)行重建。重建有多種方式，優(yōu)選的是使用CHMa_—中對(duì)應(yīng)水槽的分水嶺所在像素的平均值重建水槽像素，其數(shù)學(xué)表示如下CHMclose—Reverse (IndeXBiisins—Without—inMark) 一 公式(8)Mean (CHMclosejieverse (Boundary_IndexBasins_ffithoutinMark))其中，hde&asins With。ut inMaA為值沒有內(nèi)部標(biāo)記的水槽像素索弓丨，MeanO為取均值函數(shù)，Boundary—IndexBaSins—without—inMark 為沒有內(nèi)部標(biāo)記的水槽邊界像素索引。步驟8、結(jié)合所述內(nèi)部標(biāo)記，對(duì)重建后的CHM進(jìn)行第二次分水嶺操作；步驟9、利用所述外部標(biāo)記，剔除第二次分水嶺操作結(jié)果中的非冠層水槽，得到優(yōu)化的第二次分水嶺操作結(jié)果；優(yōu)化的第二次分水嶺操作結(jié)果的分割效果較優(yōu)化的第一次分水嶺操作結(jié)果的分割效果有極大的改善，主要體現(xiàn)在絕大部分水槽將會(huì)包含內(nèi)部標(biāo)記。第二次分水嶺操作及優(yōu)化的數(shù)學(xué)表示如下CHMffatershed2 = Mask (Watershed (CHMclose Eeverse, inMark)，outMark) 公式(9)其中，公式(9)中的CHMcl。se Keverse 是經(jīng)過重建后的 CHMcl。se Keverse。步驟10、使用預(yù)定的結(jié)構(gòu)元素，對(duì)第二次分水嶺操作結(jié)果進(jìn)行開操作，得到單木分割結(jié)果；經(jīng)過步驟9得到的優(yōu)化的第二次分水嶺操作結(jié)果中存在很多極度不規(guī)則的形狀， 因此需要對(duì)水槽進(jìn)行優(yōu)化。因?yàn)闃涔趶拇怪苯嵌扔^察是近似圓形，所以可以使用近似圓形的結(jié)構(gòu)元素進(jìn)行開操作對(duì)每個(gè)水槽進(jìn)行優(yōu)化。結(jié)構(gòu)元素的大小根據(jù)水槽的像素?cái)?shù)量進(jìn)行自適應(yīng)變化。得到的結(jié)果將是較接近真實(shí)樹冠形狀的水槽。
由于絕大部分的樹林區(qū)域均有嚴(yán)重的重疊和遮擋，造成CHM上冠層形狀各異。如果單純使用步驟9得到的優(yōu)化的第二次分水嶺操作結(jié)果作為單木的冠層，結(jié)果不夠準(zhǔn)確。 本發(fā)明通過步驟10，對(duì)每個(gè)水槽進(jìn)行優(yōu)化，最大程度的還原樹冠的真實(shí)形狀。步驟11、根據(jù)單木分割結(jié)果，提取單木參數(shù)。通過步驟10得到的單木分割結(jié)果，每一個(gè)水槽代表的是一棵獨(dú)立單木的冠層， 因此，單木的冠幅可以直接通過水槽區(qū)域的計(jì)算獲得，如圖2和公式10所示；結(jié)合點(diǎn)云及 CHM，可以獲得單木的地理位置和樹高。
!r,_J, /c._ dl+d2+d3 + -+dn-2+dn-l+dn
η uuiLU>average —n
Radiusmin = MINidll d2, d3,…，dn_2, dn_1( dn)公式(10) Radiusmax = MAXid1, d2, d3,…’知-2, dn-i>其中，Radiusaverage是樹冠的平均半徑，而Radiusmin和Radius·分別是樹冠的最小和最大半徑，dn則是圖2中的樹頂位置到所有邊界像素的距離。通過上述操作，獲得最終的單木分割結(jié)果。作為舉例而非限定，可以將單木結(jié)果輸出為矢量文件(*.shp)以供更方便的使用。本發(fā)明的關(guān)鍵在于始終將冠層控制的概念與單木分割過程，并且通過重建，進(jìn)行了兩次的分水嶺操作，從而大大的減少了過分割現(xiàn)象。分水嶺分割之后，該發(fā)明還使用基于自適應(yīng)結(jié)構(gòu)元素形態(tài)學(xué)操作對(duì)結(jié)果進(jìn)行優(yōu)化，使得分割的單木冠層更貼近于真實(shí)的冠層形狀。因此，本發(fā)明提供的方法，分割的結(jié)果只存在可忽略的過分割現(xiàn)象，使得單木分割的精度得到了提高，且降低了對(duì)CHM質(zhì)量的依賴程度，具有很強(qiáng)的實(shí)用價(jià)值。以上所述，僅為本發(fā)明較佳的具體實(shí)施方式
，但本發(fā)明的保護(hù)范圍并不局限于此， 任何熟悉本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員在本發(fā)明揭露的技術(shù)范圍內(nèi)，可輕易想到的變化或替換， 都應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。因此，本發(fā)明的保護(hù)范圍應(yīng)該以權(quán)利要求書的保護(hù)范圍為準(zhǔn)。
權(quán)利要求
1.一種結(jié)合形態(tài)學(xué)冠層控制和分水嶺的LiDAR數(shù)據(jù)單木提取方法，其特征在于，包括 步驟1、基于LiDAR數(shù)據(jù)建立CHM ；步驟2、基于形態(tài)學(xué)冠層控制，在所述CHM中確定外部標(biāo)記； 步驟3、對(duì)所述CHM進(jìn)行全局中值濾波處理；步驟4、結(jié)合所述外部標(biāo)記，使用局部極值的方式獲得全局中值濾波處理后的CHM的內(nèi)部標(biāo)記；步驟5、結(jié)合所述內(nèi)部標(biāo)記，對(duì)步驟1中所述的CHM進(jìn)行第一次分水嶺操作； 步驟6、利用所述外部標(biāo)記，剔除第一次分水嶺操作結(jié)果中的非冠層水槽，得到優(yōu)化的第一次分水嶺操作結(jié)果；步驟7、查找所述優(yōu)化的第一次分水嶺操作結(jié)果中沒有內(nèi)部標(biāo)記的水槽，對(duì)所述沒有內(nèi)部標(biāo)記的水槽進(jìn)行重建，得到重建后的CHM ；步驟8、結(jié)合所述內(nèi)部標(biāo)記，對(duì)重建后的CHM進(jìn)行第二次分水嶺操作； 步驟9、利用所述外部標(biāo)記，剔除第二次分水嶺操作結(jié)果中的非冠層水槽，得到優(yōu)化的第二次分水嶺操作結(jié)果；步驟10、使用預(yù)定的結(jié)構(gòu)元素，對(duì)第二次分水嶺操作結(jié)果進(jìn)行開操作，得到單木分割結(jié)果；步驟11、根據(jù)單木分割結(jié)果，提取單木參數(shù)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述步驟2包括 步驟21、對(duì)所述CHM進(jìn)行形態(tài)學(xué)開操作；步驟22、將開操作的結(jié)果與設(shè)定的冠層閾值進(jìn)行比較，根據(jù)比較結(jié)果獲得外部標(biāo)記的初始二值圖像；步驟23、通過去除所述外部標(biāo)記的初始二值圖像中小于閾值的獨(dú)立冠層區(qū)域和非冠層區(qū)域，得到外部標(biāo)記二值圖像，外部標(biāo)記用所述外部標(biāo)記二值圖像表示。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的方法，其特征在于，在所述步驟5之前，該方法還包括 對(duì)步驟1中所述的CHM進(jìn)行平滑處理。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于，所述步驟5包括 步驟51、對(duì)平滑處理后的CHM進(jìn)行值反轉(zhuǎn)操作；步驟52、在值反轉(zhuǎn)操作后的CHM中加入內(nèi)部標(biāo)記，進(jìn)行第一次分水嶺操作。
全文摘要
本發(fā)明的目的在于針對(duì)CHM、從LiDAR數(shù)據(jù)中提取單木時(shí)，減少對(duì)CHM質(zhì)量的依賴，提高單木提取的精度。具體通過如下方法實(shí)現(xiàn)基于形態(tài)學(xué)冠層控制，在CHM中確定外部標(biāo)記；對(duì)所述CHM進(jìn)行全局中值濾波處理，結(jié)合所述外部標(biāo)記，使用局部極值的方式獲得中值濾波處理后的CHM的內(nèi)部標(biāo)記；結(jié)合所述內(nèi)部標(biāo)記，對(duì)CHM進(jìn)行兩次分水嶺操作；利用所述外部標(biāo)記，分別對(duì)分水嶺操作結(jié)果進(jìn)行優(yōu)化；根據(jù)單木分割結(jié)果，提取單木參數(shù)。本發(fā)明提供的方法，分割的結(jié)果只存在可忽略的過分割現(xiàn)象，使得單木分割的精度得到了提高，且對(duì)CHM質(zhì)量的依賴程度得到降低，具有很強(qiáng)的實(shí)用價(jià)值。
文檔編號(hào)G06K9/46GK102419818SQ20111033239
公開日2012年4月18日 申請(qǐng)日期2011年10月28日 優(yōu)先權(quán)日2011年10月28日
發(fā)明者劉清旺, 龐勇, 徐光彩, 李增元, 趙旦 申請(qǐng)人:中國(guó)林業(yè)科學(xué)研究院資源信息研究所