[发明专利]一种基于多回波LiDAR的树冠总叶面积测量方法

说明书

一种基于多回波LiDAR的树冠总叶面积测量方法，包括以下步骤：将激光雷达装载在移动车辆上，获取树木的多回波点云数据；对于扫描得到的多回波点云数据，基于激光雷达的起始位置建立三维坐标系，筛选出待测树木的树冠点云数据；将树冠点云数据分为三类，计算各类树冠点云数据所对应的格网面积，累加获取总格网面积；将待测树木的总格网面积，带入线性回归模型得到总叶面积。本发明利用LiDAR的多回波原理，对移动激光雷达扫描系统获取的树冠点云数据进行处理分类，通过格网面积法对分类后的点云的数据分别计算格网面积，然后通过带入训练好的回归模型，进而得到总叶面积，这种方法能够有效提高树木叶面积测量的准确度。

技术领域

本发明涉及叶面积测量方法，尤其是一种基于多回波LiDAR的树冠总叶面积测量方法。

背景技术

使用激光雷达(light detection and ranging，LiDAR)主动遥感技术快速获取目标植物的高分辨、高精度的三维点云数据，然后根据点云数据计算目标植物的叶面积是研究植物生产力和生态系统物质循环的重要步骤。但是由于植物内部结构的复杂性，叶面积的准确测量具有很大的挑战性。因此植被的叶面积的准确测量方法研究具有十分重要的价值。

已有的方法有的是根据LiDAR采集到冠层点云数对叶面积进行估算。叶面积和冠层点云数为线性关系，且经过高斯函数、多项式函数和指数函数对点云数和叶片数拟合验证。但是由于点云数受到LiDAR的移动速度和测量距离影响很大，因此针对这一问题，出现了一种基于LiDAR单回波的格网面积法测量叶面积。可是这种只利用单回波点云计算叶面积的方法忽略了二次回波的点云。树冠内部有很多的树叶部分重叠在一起，当激光点打在重叠边缘的时候出现两次回波，这时候只计算单回波的格网面积就会导致叶面积计算的不准确，因此需要对多回波点云进行分类计算格网面积得到总叶面积。

发明内容

本发明的目的是针对现有的叶面积测量方法只利用LiDAR单回波导致结果不准确的问题，提出了一种基于多回波LiDAR的树冠总叶面积测量方法。

本发明的技术方案是：

本发明提供一种基于多回波LiDAR的树冠总叶面积测量方法，该方法包括以下步骤：

S1、将激光雷达装载在移动车辆上，移动车辆经过待测树木，采用激光扫描传感器获取树木的多回波点云数据，包括两次回波的距离r₁、r₂，回波的强度I₁、I₂和角度θ；

S2、对于扫描得到的多回波点云数据，基于激光雷达的起始位置建立三维坐标系，判断多回波点云数据的三维坐标是否属于感兴趣区域，筛选出待测树木的树冠点云数据；

S3、根据筛选出的树冠点云数据，将树冠点云数据分为三类，计算各类树冠点云数据所对应的格网面积，累加获取总格网面积；

S4、将待测树木的总格网面积，带入线性回归模型得到总叶面积。

进一步地，步骤S1中，激光雷达扫描的角度范围是-135°至135°，扫描获取二维剖面即扫描线，扫描面与激光雷达的直线移动轨迹垂直，扫描分辨率为Δθ。

进一步地，步骤S1中，移动车辆的移动速度小于移动速度最大值v_max；移动车辆与待测树木之间的测量距离小于扫描距离最大值d_max，所述的移动速度最大值v_max和扫描距离最大值d_max分别采用下述公式计算：

其中，Δleaf表示待测树木上中等尺寸叶片的长和宽中的较小值，Δα表示激光雷达扫描分辨率为Δθ所对应的弧度，Δt表示激光雷达的扫描周期。

进一步地，步骤S2具体包括以下步骤：