基于机载LIDAR树木提取应用

任 海 成

(中铁第六勘察设计院集团有限公司，天津 300308)

20世纪80年代末，在摄影测量技术的影响下，逐渐兴起了机载LIDAR技术，主要集成了激光测距仪、全球定位系统GPS、惯性导航装置IMU、中心测量单元以及CCD相机等[1,2]。机载LIDAR技术原理主要是利用激光发射器发射激光，脉冲激光到达地面目标物经过多次反射被激光器接收，能够快速获取三维地形数据。机载LIDAR技术因其主动性、不受气候和地形复杂程度因素影响，以及具有一定穿透性，又可同时获取地表物体的三维信息、强度信息、回波信息，在相关领域已取得重要成果：基础测绘领域制作大比例尺地形图如：1∶500,1∶1 000,1∶2 000等，数字化城市领域构建三维模型，工程勘察提供线路优化依据，电力巡线中树障安全性分析等。国内外利用机载LIDAR技术也做了相关研究。在国外，大多数研究主要集中在森林区域，通过相关算法可以很好的评估林木特征。芬兰学者Juha Hyyppa研究了单株树木分割法。Suresh K.Lodha，2007根据LIDAR数据特征，应用AdaBoost方法进行了道路、建筑物、植被信息提取。国内刘峰[3]研究了面向对象分类，通过Kd-Tree树存储大量点云，利用SVM法，进行点云预分类。张齐勇、周国清利用区域生长算法大面积滤波建筑物，再结合梯度阈值法进行树木提取[4]。

1 点云空间结构特征及滤波分类

本文基于LIDAR点云空间数据组织模式(如图1所示)，从点云几何分布特征分析出激光点到达植被树木时，大部分位于树冠且反射，小部分位于树干上，而在垂直方向变化较大，尤其是树木边缘处和内部方向上。根据树木表面不具规则性和建筑物具规则性，利用梯度分割二阶导数分离建筑物。

利用滤波分类算法，点云数据内插生成DSM，通过移动曲面拟合法内插生成DTM[5]。树木具有时间特征、区域特征、位置特征、空间分布格局特征等，而建筑物都是人工建造，具有几何规则特性。因此，树木和建筑物激光脚点在平面上差异不大，但在垂直高程有很大不同，利用这一特性，本文以冠层高度模型CHM为参考，利用激光穿透性和回波特性，结合区域增长算法和拉普拉斯算子，滤除地面建筑物激光脚点和树木及建筑物激光脚点，达到分离效果(见图2)。

2 实验结果分析及应用

通过实验数据，利用区域增长算法和拉普拉斯算法能够分离绝大部分树木和建筑物：阈值K的选取和地形有很大关系，直接影响着二次局部曲面能否很好的拟合DSM。本文研究区域主要是山区，建筑物不到1/6，具有规则性和平整度较高，K值选6时，拉普拉斯算子介于0.75～1.3之间，可以成片的提取树木，树木提取信息见表1。

表1 树木提取信息

从表1中可以看出，阈值选取受地形因素较大，当阈值在0.75～1.3之间，树木提取率可以达到88.5%，在一定程度上满足了工程需要。根据架空输电线路运行规程DLT741—2001，当电压等级为220 kV时，检测到树障信息如表2所示。

表2 危险点预警检测表

由表2可以看出，1号危险点水平距离为3.74 m，超过了导线与树木最小安全距离，垂直距离4.09 m小于导线与树木最大弧垂距离。2号危险点水平距离3.14 m，超过了导线与树木最小安全距离，垂直距离4.08 m小于导线与树木最大弧垂距离。3号危险点水平距离3.83 m，超过了导线与树木最小安全距离，垂直距离4.19 m小于导线与树木最大弧垂距离[6]。

3 结语

本文基于激光点云空间几何特征、滤波分类算法进行植被树木分离提取。结合研究区环境特点，经试验得到合适阈值，大范围提取树木。基于提取结果模拟输电线路树障安全性预警研究分析，从而确定导线与地面的安全距离、导线与建筑物的安全距离、导线与树木之间的安全距离，智能化实时工况距离安全检测。为工程后续清理障碍物提供了一定依据。