本文關(guān)鍵詞： 無人機攝影測量 Lidar 草地冠層高度 蓋度 生物量　出處：《中國農(nóng)業(yè)科學院》2016年博士后論文　論文類型：學位論文

【摘要】：精確、實時、小范圍的草地冠層結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù),如高度和蓋度,對監(jiān)測局部的草地健康狀況和產(chǎn)草量至關(guān)重要,也可為大范圍的衛(wèi)星遙感產(chǎn)品檢校提供驗證數(shù)據(jù),以取代或減少成本日益上漲的地面工作量。然而,傳統(tǒng)的遙感技術(shù),如基于衛(wèi)星植被指數(shù)的光學遙感,只能反映草地的蓋度信息,不能有效探測草地冠層高度,因而在生物量反演時會遭遇嚴重的飽和問題。近年來,成本低、操作靈活的小型民用無人機(l0kg)不斷涌現(xiàn),加之適合無人機攜帶的光學相機和激光雷達(Lidar)傳感器成本不斷下降,使得無人機遙感在環(huán)境監(jiān)測、抗震救災等領(lǐng)域發(fā)揮越來越重要作用,并且大有取代傳統(tǒng)航空遙感的趨勢。然而,單幅無人機影像的覆蓋范圍通常較小,需要鑲嵌數(shù)千張影像才能覆蓋一塊較大范圍的草原(1 km2),因而對無人機影像的鑲嵌效率和智能化程度有很高要求。本研究提出一種基于矢量房屋數(shù)據(jù)的無人機遙感影像鑲嵌算法,提高了影像鑲嵌效率和效果。該方法從房屋間的中間線網(wǎng)絡中尋找鑲嵌線,對草原地區(qū)的海量無人機影像快速鑲嵌有一定啟示意義,也為未來基于無人機攝影測量數(shù)據(jù)的草地冠層高度、蓋度和生物量反演打下基礎。此外,草原的非生長季通常占全年3/4以上,草地冠層高度較低(通常50cm),且特征點較少,這些因素都在一定程度上限制了無人機光學遙感技術(shù)在草原生態(tài)系統(tǒng)中的廣泛應用。為此,本研究還以呼倫貝爾草原站肉牛放牧平臺為研究對象,提出一套基于無人機Lidar技術(shù)的草層高和蓋度提取方法,并結(jié)合提取的草層高和蓋度對地上生物量進行了精確反演。該技術(shù)不依賴太陽光照、植被葉綠素和水分含量,無需特征點匹配,且能同時獲取草地冠層高度和蓋度,因而在樣地尺度的非生長季草地生物量反演方面有光學遙感難以比擬的優(yōu)勢。在反演冠層高度、蓋度和生物量的基礎上,還評估了飛行高度和地理誤差對Lidar反演精度的影響,并據(jù)此提出了一套針對草地生物量反演的Lidar實驗優(yōu)化設計方案。本文的主要結(jié)論如下：1.基于矢量房屋數(shù)據(jù)的無人機影像鑲嵌算法,能顯著提高影像鑲嵌效率和效果。實驗表明,與基于矢量道路的鑲嵌線選擇方法相比,該方法會少穿越10-40%的房屋；且與目前公認效果最好的基于Dijkstra算法的鑲嵌線選擇方法相比,該方法能少穿越1-15%的房屋,并節(jié)約80-90%運算時間。該方法對草原地區(qū)的海量無人機影像鑲嵌的啟示意義在于充分利用已有的多源矢量數(shù)據(jù)構(gòu)建鑲嵌線,進而加快鑲嵌效率。對飛行頻率較高的區(qū)域,如草原站,可利用的多源矢量數(shù)據(jù)包括：歷史鑲嵌線數(shù)據(jù)和可矢量化對象,如道路、房屋、圍欄邊界、設施用地等。2.雖然Lidar提取的草地冠層高度和蓋度存在明顯的低估現(xiàn)象,尤其是覆蓋度較高的地方,然而地上生物量與Lidar提取的草層高和蓋度存在高度相關(guān)(決定系數(shù)R20.476,均方根誤差RMSE 120.7 g/m2)。組合使用Lidar提取的草層高和蓋度能夠精確反演生物量(R2=-0.784,RMSE=108.9 g/m2,占最大生物量的比例RMSE%=18.6%)。3.飛行高度對草層高反演影響較小,但對蓋度和數(shù)據(jù)細節(jié)影響很大,必要時需降低飛行高度。樣方和Lidar數(shù)據(jù)中心點的坐標不匹配對Lidar參數(shù)反演精度的影響也較大。如,當使用時差差分全球定位系統(tǒng)RTK GPS且搜索直徑在4m以內(nèi)時,反演平均草層高與實測值間的R2比使用手持GPS時大0.033,RMSE則比使用手持GPS時小0.629 cm。建議：(1)使用實時差分全球定位系統(tǒng)(RTK GPS)測量樣方的地理坐標；(2)合理選擇Lidar數(shù)據(jù)的采樣窗口也能夠減少坐標不匹配對Lidar參數(shù)反演精度的影響。推薦的Lidar數(shù)據(jù)采樣窗口邊長為樣方和Lidar數(shù)據(jù)之間較大的坐標RMSE值。將來的工作包括：1.對提出的基于矢量房屋數(shù)據(jù)的影像鑲嵌算法進行改進,使其適用于草原地區(qū)影像鑲嵌,并開展基于無人機攝影測量數(shù)據(jù)的草地冠層高度、蓋度和生物量反演研究。2.嘗試采用波長更短、發(fā)散角更小的Lidar系統(tǒng),開展草地冠層高度、蓋度、生物量反演研究,并確定適合不同蓋度的最佳飛行高度。3.發(fā)展基于星載SAR、高光譜、多光譜數(shù)據(jù)的草地生物量反演方法,并利用無人機遙感反演結(jié)果對其檢校,實現(xiàn)對草原全天候、全天時、多尺度監(jiān)測。
[Abstract]:In recent years , there is a great demand for remote sensing image mosaic based on vector house data . Compared with the method of mosaic line selection , which is the best known result , the method can reduce the building with less than 1 - 15 % and save 80 - 90 % of operation time . The method can make full use of the existing multi - source vector data to construct the mosaic line , thus speeding up the mosaic efficiency . It is suggested that : ( 1 ) Use real - time difference global positioning system ( RTK GPS ) to measure sample ' s geographic coordinates ; ( 2 ) To use real - time difference global positioning system ( RTK GPS ) to measure the geographic coordinates of sample square .

【學位授予單位】：中國農(nóng)業(yè)科學院
【學位級別】：博士后
【學位授予年份】：2016
【分類號】：S812;S818.9

【參考文獻】

相關(guān)期刊論文 前2條

1 李峰;崔希民;劉小陽;衛(wèi)愛霞;吳燕雄;;機載LIDAR點云定位誤差分析[J];紅外與激光工程;2014年06期

2 梁曉文,劉宗岐,陳宜金;基于夾角變化趨勢的多邊形自動搜索和生成算法[J];中國圖象圖形學報;2005年06期

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本文編號：1450582