基于分水岭优化思想的单木信息分割算法

基于机载激光雷达(LiDAR)技术和单木分割算法提取单株树木信息对于单木结构研究、理解树木生长、森林可持续管理具有重要的意义.本研究以分水岭算法为基础,使用可变窗口的局部最大值算法,并采用分层级的区域增长算法及由高度差和梯度构建的能量函数来分割树冠边界,从而优化树顶提取和相邻树冠的分割结果.以中国南方亚热带森林为研究区,测试了针对不同密度(低、中、高密度)、不同树种(白皮松和桉树)以传统分水岭算法和优化算法对于树顶提取及树冠分割的效果.为检验结果的准确性,在实验中对LiDAR数据和人工测量数据的分割结果进行了对比和验证,结果表明:对树冠顶点探测率而言,优化算法平均探测效果(树冠探测率r=0.90、树冠准确率p=0.84、总体准确率f=0.86)优于传统分水岭算法(r=0.62、p=0.81 f=0.78);对树冠边界探测精度而言,优化算法平均探测效果(R2=0.80、RMSE=0.22 m、RRMSE=12.03％)优于传统分水岭算法(R2=0.68、RMSE=0.28 m、RRMSE=17.45％).在树冠探测上,按树的准确率略低于白皮松,但是与白皮松的探测率相差较小,这表明白皮松对于优化的算法具有较好的鲁棒性,受密度等因素影响较小;在冠幅探测上,桉树和白皮松的精确度随着林分密度的增加而增加,且均有良好的表现.本研究是一种在传统分水岭算法基础上优化的算法,可以较好地提高单木信息分割的效果,这对于了解亚热带森林中林木经营管理、树木竞争及资源监测具有重要意义.