南京林业大学学报(自然科学版) ›› 2023, Vol. 47 ›› Issue (1): 13-22.doi: 10.12302/j.issn.1000-2006.202105050
所属专题: 智慧林业之森林参数遥感估测
• 专题报道Ⅰ:智慧林业之森林参数遥感估测 • 上一篇 下一篇
收稿日期:
2021-05-31
接受日期:
2021-07-20
出版日期:
2023-01-30
发布日期:
2023-02-01
通讯作者:
贾炜玮
基金资助:
WANG Fan1(), JIA Weiwei1,2,*(), TANG Yiren1, LI Dandan1
Received:
2021-05-31
Accepted:
2021-07-20
Online:
2023-01-30
Published:
2023-02-01
Contact:
JIA Weiwei
摘要: 【目的】 探究基于地基激光雷达(Terrestrial Laser Scanning,TLS)点云数据提取人工林中红松不同树冠深度处最大树冠半径(crown radius,RC)的精度,建立基于TLS点云数据的树冠外轮廓模型,为基于TLS点云数据研究树冠结构奠定实践基础。【方法】 以30株人工林红松解析木的TLS的点云数据以及实测枝条因子为数据源,采用点云分层投影法提取不同树冠深度处的最大树冠半径,并与根据30株解析木各轮最大枝条计算出的半径对比进行精度分析。最后,基于TLS所提取的树冠半径进行红松树冠外轮廓模型的构建。【结果】 最大树冠半径总提取精度为86.17%,不同树冠深度处提取精度存在差异,提取效果最好的相对冠深范围为0.15~1.00,精度均在90%左右;提取效果最差的相对冠深范围为0~0.15,精度为60.27%~75.79%。3种常用的树冠外轮廓模型(单分子式、二次抛物线、3参数Weibull方程)均具有较好的拟合效果。3参数Weibull方程为最优模型,对最优模型再参数化后引入的变量为胸径(DBH)和高径比(HD),拟合效果明显提高。【结论】 基于TLS点云数据,采用点云分层投影法提取树冠半径的精度满足模型建立的要求,因此利用TLS数据可以近似代替实测数据进行树冠外轮廓模型的研究。
中图分类号:
王帆,贾炜玮,唐依人,等. 基于TLS的红松树冠半径提取及其外轮廓模型构建[J]. 南京林业大学学报(自然科学版), 2023, 47(1): 13-22.
WANG Fan, JIA Weiwei, TANG Yiren, LI Dandan. Extraction of crown radius and development of crown profile model of Pinus koraiensis based on TLS[J].Journal of Nanjing Forestry University (Natural Science Edition), 2023, 47(1): 13-22.DOI: 10.12302/j.issn.1000-2006.202105050.
表2
Trimble TX8设备参数"
扫描时间/min scan duration | 30 m处 点间距/m point spacing at 30 m | 激光点数 number of laser points | 扫描角度/ (°) field of view | 激光频率/ MHz laser frequency | 扫描距离/m scanning distances | 激光波长/nm laser wave length | 波束发散角/μrad laser beam divergence |
---|---|---|---|---|---|---|---|
2 | 22.6 | 3.40×107 | 360×317 | 1 | 0.6~120.0 | 1 500 | 80 |
3 | 11.3 | 1.38×108 | |||||
10 | 5.7 | 5.55×108 |
表3
红松实测数据与TLS数据统计"
数据 data | 变量 variables | 建模数据fitting data | 检验数据test data | ||||||||
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
样本数 number | 最大 值/m max | 最小 值/m min | 平均 值/m mean | 标准差 SD | 样本数 number | 最大 值/m max | 最小 值/m min | 平均 值/m mean | 标准差 SD | ||
实测数据 real data | 树高HT | 23 | 15.98 | 12.27 | 14.35 | 0.907 | 7 | 16.10 | 13.50 | 14.61 | 0.894 |
胸径DBH | 23 | 33.00 | 15.10 | 23.23 | 5.058 | 7 | 30.00 | 12.90 | 20.27 | 5.271 | |
第一活枝高HB | 23 | 9.90 | 4.30 | 7.70 | 1.450 | 7 | 10.00 | 5.40 | 8.30 | 1.385 | |
相对冠深处最大半径RCmax | 474 | 3.39 | 0.11 | 2.12 | 0.907 | 142 | 3.33 | 0.11 | 1.98 | 0.881 | |
TLS数据 TLS data | 树高HT | 23 | 16.20 | 12.47 | 14.45 | 0.924 | 7 | 16.32 | 13.51 | 14.62 | 0.998 |
胸径DBH | 23 | 32.60 | 15.10 | 23.11 | 4.866 | 7 | 30.00 | 12.80 | 20.26 | 5.261 | |
第一活枝高HB | 23 | 9.72 | 4.15 | 7.18 | 1.361 | 7 | 9.00 | 5.00 | 7.79 | 1.278 | |
相对冠深处最大半径RCmax | 314 | 3.83 | 0.23 | 2.42 | 0.885 | 114 | 3.38 | 0.26 | 2.20 | 0.783 |
表4
树冠半径提取精度分析"
相对树冠深度范围 relative depth into the crown | 对比组数 number of groups to compare | 提取精度/% extraction accuracy |
---|---|---|
0~0.05 | 23 | 60.27 |
≥0.05~0.10 | ≥20 | 75.17 |
≥0.10~0.15 | 18 | 75.79 |
≥0.15~0.20 | 17 | 87.76 |
≥0.20~0.25 | 16 | 86.37 |
≥0.25~0.30 | 16 | 89.79 |
≥0.30~0.35 | 16 | 88.44 |
≥0.35~0.40 | 15 | 86.82 |
≥0.40~0.45 | 17 | 91.10 |
≥0.45~0.50 | 16 | 93.63 |
≥0.50~0.55 | 19 | 92.62 |
≥0.55~0.60 | 18 | 92.98 |
≥0.60~0.65 | 19 | 94.94 |
≥0.65~0.70 | 14 | 90.53 |
≥0.70~0.75 | 17 | 92.86 |
≥0.75~0.80 | 15 | 90.94 |
≥0.80~0.85 | 15 | 92.72 |
≥0.85~0.90 | 16 | 89.99 |
≥0.90~0.95 | 14 | 91.85 |
≥0.95~1.00 | 16 | 88.19 |
总计total | 337 | 86.17 |
表5
红松树冠外轮廓模型的拟合优度及检验结果"
数据 data | 模型 model | 参数 parameter | 估计值 estimates | 标准误差 standard error | 拟合优度 goodness-of-fit statistics | 检验结果 validation results | |||
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
R2 | RMSE/m | MAE | RMAE | Fp /% | |||||
实测数据 real data | 二次抛物线 quadratic parabolic equation | a | 0.031 | 0.048 | |||||
b | 7.951 | 0.279 | 0.761 | 0.444 | 0.288 | 27.043 | 95.857 | ||
c | -6.272 | 0.313 | |||||||
单分子式 mischerlich equation | a | -0.234 | 0.080 | ||||||
b | 2.756 | 0.075 | 0.747 | 0.457 | 0.297 | 29.332 | 95.719 | ||
c | 4.848 | 0.366 | |||||||
3参数Weibull函数 3-parameter Weibull function | a | 0.901 | 0.032 | ||||||
b | 1.914 | 0.036 | 0.764 | 0.441 | 0.286 | 26.688 | 95.865 | ||
c | 2.725 | 0.115 | |||||||
TLS数据 TLS data | 二次抛物线 quadratic parabolic equation | a | 0.372 | 0.074 | |||||
b | 8.853 | 0.343 | 0.728 | 0.462 | 0.341 | 32.096 | 95.727 | ||
c | -7.042 | 0.332 | |||||||
单分子式 mischerlich equation | a | -0.103 | 0.135 | ||||||
b | 3.028 | 0.129 | 0.683 | 0.499 | 0.348 | 32.973 | 95.627 | ||
c | 6.312 | 0.529 | |||||||
3参数Weibull函数 3-parameter Weibull function | a | 0.947 | 0.032 | ||||||
b | 1.773 | 0.035 | 0.731 | 0.457 | 0.332 | 30.457 | 95.792 | ||
c | 3.665 | 0.133 |
表7
3参数Weibull函数再参数化结果"
数据 data | 参数 parameter | 估计值 estimates | 标准误差 standard error | 拟合优度 goodness-of-fit statistics | 检验结果 validation results | |||
---|---|---|---|---|---|---|---|---|
R2 | RMSE/m | MAE | RMAE | Fp/% | ||||
实测数据 real data | a1 | 0.788 | 0.107 | |||||
a2 | 0.005 | 0.005 | ||||||
b1 | 1.831 | 0.120 | 0.809 | 0.393 | 0.266 | 26.214 | 97.16 | |
b2 | 0.150 | 0.186 | ||||||
c1 | 1.174 | 0.388 | ||||||
c2 | 0.068 | 0.018 | ||||||
TLS数据 TLS data | a1 | 0.772 | 0.114 | |||||
a2 | 0.008 | 0.005 | ||||||
b1 | 1.620 | 0.123 | 0.788 | 0.400 | 0.313 | 28.19 | 97.04 | |
b2 | 0.234 | 0.189 | ||||||
c1 | 1.591 | 0.471 | ||||||
c2 | 0.089 | 0.021 |
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