应用无人机可见光影像和面向对象的随机森林模型对城市树种分类

为及时准确的了解城市树种空间分布信息,提升城市居民生活水平和推动城市生态系统可持续发展。以福州市仓山区城市森林为研究对象,应用无人机(UAV)监测城市树种空间分布及其动态变化的可见光影像,根据最佳尺度对影像进行分割,并提取分割对象的光谱、地形、指数、纹理和几何特征。通过对不同类型特征的组合构建不同的分类方案,利用递归特征消除法(RFE)筛选出优选特征子集,利用面向对象方法结合随机森林(RF)模型对城市树种进行分类。结果表明:在随机森林模型分类的过程中,利用光谱特征对树种分类的总体分类精度为82.12%;地形特征对树种分类的贡献度率为14.96%;指数特征和纹理特征的引入,在一定程度提高了树种的分类精度;几何特征的贡献较小,在分类过程中没有明显的贡献。特征优选子集的S10方案分类精度最高,总体精度达92.42%,Kappa系数为0.91。说明特征优选能够降低高维度特征的复杂性,在大幅减少数据冗余的同时提高了分类精度。在最优特征子集下,随机森林(RF)算法分类的总体精度比极致梯度提升(XGBoost)、轻量级梯度提升机(LightGBM)和k最近邻算法(KNN)分别提高了1.15%、1.81%和15.15%,Kappa系数分别提高了1%、2%和17%。

SAR回波信号模拟平台设计

快速有效地仿真SAR的原始回波信号是建立SAR仿真系统的一项关键问题。根据机载正侧视SAR系统的工作原理,深入分析了一种SAR回波信号模拟平台的系统结构,利用原始DEM数据构建了随机地表模型的电磁散射单元模型,由雷达电磁散射机理建立了自然地表目标的回波信号数学模型,完成了SAR回波信号仿真平台的设计,为研究SAR回波信号处理等相关领域提供了一个切实有效的人机交互的仿真环境。试验结果表明平台实验结果满足对SAR系统开发预估测试要求。

分形地形模拟研究

为了重建逼真的具有多分辨率层次的三维地形 ,详细分析了分形理论和分形布朗运动的原理 ,指出其数学模型与真实地貌特征基本吻合 ,对分形布朗运动特征参数 (H ,δ)的物理意义进行了剖析并提出了完整的估算方法 ,最后给出了实现分形地貌的算法思路 .以此为基础 ,作者在微机上用VisualC ++6.0和OPENGL三维图形库结合编程 ,对分形断面和分形地貌的模拟生成进行了可视化实验研究 .结果证实了该方法的有效性和实用性 .

基于栅格法的智能挖掘机地面建模研究

为了实现挖掘机智能化作业,以山河智能SWE230挖掘机为研究平台,提出了一种基于激光传感器的地面地形建模方法,采用栅格法的极坐标和直角坐标的变换关系对地面环境进行建模。在构建地形的基础上搜索挖掘对象的边界点,并采用RANSAC随机采样一致性算法估计挖掘深度和斜面倾斜度。在已知挖掘范围的基础上,采用聚类分割算法来确定挖掘策略。试验表明以上方法能够有效的测量挖掘对象并确定挖掘策略。

岛礁地形畸形波演化过程的试验及小波谱分析

为研究某岛礁周边波浪演化过程及其特征,本文选取西太平洋的一个典型岛焦地形为研究对象,在试验水池中建立了礁地形三维模型(1∶100)。造波机输入谱为Goda改进的JONSWANP谱,谱峰升高因子γ取2.0,对不同有效波高和有效周期的定向随机波工况进行了试验。在岛礁周围布置多个浪高仪测定波浪的时间序列,并基于小波变换分析波面序列的小波谱特征。通过分析试验中的波浪演化过程,发现多个工况在地形突变处存在畸形波。通过分析小波能谱发现在畸形波近后方出现波群时,该波群会获得畸形波的能量,导致该波群的波能增大,并生成二次畸形波。试验发现地形突变会增大畸形波发生的概率。畸形波的形成与波浪的群性有关,且单次畸形波与二次畸形波演变特点存在差异。

地形特征约束下的失真DEM修复方法

数字高程模型(DEM)在描述地形时会存在一定程度的失真现象,对失真DEM进行修复可以有效地提高其精度及保真度。本文针对DEM在描述规则地形时存在的失真现象,提出了用地形特征约束失真DEM形态结构的失真修复方法,以规则地形中的平地结构地形为例,进行了失真修复试验。首先根据地形特征确定平地地形的DEM应为平面结构,再采用最小二乘法(LS)及随机抽样一致性算法(RANSAC)对其平面方程进行参数估计,进而得到修复的DEM数据。试验结果表明,本文所提的修复方法有效可行,修复后的DEM数据不仅提高了精度,还能充分地反映原地形的地形特征。两种修复算法的修复能力相接近,当存在大量格网点时,都能达到很好的修复效果,但RANSAC更能适应高程异常的情况,鲁棒性更好。

基于GIS和随机森林算法的宁东土壤饱和导水率分布与预测

为探明宁东土壤饱和导水率(Ks)的空间分布特征,在宁东采集136个原状土,采用经典统计和地统计方法分析土壤Ks的空间结构特征,并以地形因子、土壤属性等作为辅助变量,运用随机森林法(RF)、普通克里格法(OK)和逐步回归克里格法(RK)对区域土壤Ks进行预测并对3种方法的预测结果进行精度评价。结果表明:Ks介于0.05~7.13 mm/min,平均值为1.46 mm/min,变异系数为106.86%;Ks与容重、孔隙度、高程、坡度、坡向、平面曲率和剖面曲率在不同滞后距离下具有自相关关系和交互相关关系;土壤Ks块金值为38,表明随机因素引起的土壤Ks变异性较大,空间异质比为15.32%,在空间上呈现强变异性;RF法的预测精度最高,其平均相对误差(MRE)和均方根误差(RMSE)绝对值均为最小,相比OK和RK方法预测精度分别提高了5.53%和2.49%,且对局部细节的描述更准确、模拟效果最佳。RF法可以较为准确的预测宁东土壤Ks,为了解研究区土壤水文过程及林草植被建设提供数据参考。

基于地形因子和随机森林的丘陵区农田土壤有效铁空间分布预测

为了掌握丘陵地区农田土壤有效铁含量及其空间分布,本文以重庆市江津区永兴镇内同源成土母质的典型丘陵(2 km2)为研究区,采集309个土壤样点,利用普通克里格(Ordinary Kriging,OK)、多元线性回归(Multiple Linear Regression,MLR)、随机森林(Random Forest,RF)模型,结合高程、坡度、坡向、谷深、平面曲率、剖面曲率、汇聚指数、相对坡位指数、地形湿度指数等地形因子对土壤有效铁进行空间分布预测,并通过85个验证点评价、筛选预测模型。结果表明:1)土壤有效铁与谷深、地形湿度指数存在极显著水平正相关关系,与坡度、平面曲率、剖面曲率、汇聚指数、相对坡位指数存在极显著水平负相关关系。2)随机森林模型的预测精度明显高于多元线性回归和普通克里格插值,其平均绝对误差为22.33 mg·kg-1、均方根误差为27.98 mg·kg-1、决定系数为0.76,是研究区土壤有效铁含量空间分布的最适预测模型。3)地形湿度指数和坡度是影响该区域土壤有效铁含量空间分布的主要地形因子。土壤有效铁与坡度、谷深、平面曲率、剖面曲率、汇聚指数、相对坡位指数、地形湿度指数均达到极显著水平相关关系。4)研究区土壤有效铁含量范围为3.00~276.97 mg?kg-1,水田有效铁含量大于旱地;土壤有效铁具有较强的空间相关性,土壤有效铁含量空间变异主要受到结构性因素的影响。可见,基于地形因子的随机森林预测模型可以较好地解释丘陵区农田土壤有效铁含量的空间变异,研究结果为丘陵区土壤中、微量元素含量及空间分布预测提供方法借鉴和理论依据。

国产星载激光雷达森林回波波形模拟仿真

为探究拟发射国产星载激光雷达卫星波形数据在森林结构参数估测方面应用潜力,首先需对其回波波形进行模拟仿真。针对地形无规律起伏和林层结构复杂这一问题,本文采用有限元原理实现了随机地形与林分三维信息的模拟仿真;针对激光脉冲传输过程中能量衰减的问题,引入了激光雷达辐射传输模型;为验证本文所建回波仿真系统有效性,利用与国产星载激光雷达回波波形相近的ICESat-GLAS实测波形数据对GLAS仿真波形数据进行验证。研究结果为:发射波仿真波形与实测波形相关系数为0.96;地形坡度分别为0°~10°、10°~20°、20°~30°和30°以上时回波仿真波形与实测波形相关系数均值分别为0.90、0.88、0.85和0.81;郁闭度分别为0~0.2、0.2~0.4、0.4~0.6、0.6~0.8和0.8~1.0时回波仿真波形与实测波形相关系数均值分别为0.81、0.80、0.84、0.88和0.90;针叶林、阔叶林和混交林回波仿真波形与实测波形相关系数均值分别为0.85、0.86和0.89。研究结果表明:本文所建回波仿真系统可用于国产星载激光雷达回波仿真。回波仿真所得国产星载激光雷达仿真波形,可为森林结构参数估测研究提供数据支撑。

计及杆塔绕流效应的风速模型及其对风电机组输出功率的影响研究

风电场中电力杆塔对风的遮挡可能造成下游风电机组输出功率的降低,为了分析杆塔遮挡对下游风电机组迎风风速的削弱作用,提出了一种基于亚临界雷诺值的杆塔绕流风速模型,该模型计及了尾流效应、山体地形、随机风向三个因素,研究了杆塔绕流对风电机组输出功率的影响;通过理论评估值与山西某风电场的实际监测数据的对比分析可知:在一些特定环境下,绕流效应对风电机组输出功率的影响不可忽视。因此,有必要评估杆塔绕流效应对风电机组输出功率的影响,为风电机组的微观选址提供理论指导。

基于S-RVoG模型的PolInSAR森林高度非线性复数最小二乘反演算法

针对经典的PolInSAR森林高度三阶段几何反演算法在单基线条件容易受到地体幅度比假设以及地形坡度影响的问题,从测量平差角度提出了基于S-RVoG模型的PolInSAR非线性复数最小二乘森林高度反演算法。该算法不再需要假设某一个极化通道地体幅度比为零,且采用考虑地形坡度影响的S-RVoG模型作为平差模型。为了验证算法,本文采用欧空局BioSAR2008项目提供的3景P波段极化干涉SAR数据进行两组单基线森林高度反演试验。结果表明,在单基线条件下,基于RVoG模型的非线性复数最小二乘算法反演结果优于三阶段几何反演算法,而基于S-RVoG模型的非线性复数最小二乘算法进一步提高反演精度,对于坡度较大区域(坡度>10°),精度平均提高了18.48%。

基于融合曲面造型方法的预定形状山脉地形生成

随机分形法和曲面造型法分别在地形生成的随机性和可控性方面能起到一定的作用。为达到生成预定形状山脉地形的目的 ,提出了一种基于融合曲面生成具有预定形状山脉地形数据模型的方法。该方法以曲面造型法生成的高斯函数曲面作为控制源曲面 ,利用随机中点位移法对其进行迭代运算生成山脉地形数据模型 ,可使得所生成的山脉地形既具有预定形状 ,又满足真实感和随机性的要求。用高斯函数生成控制源曲面的方法 ,实现了只需通过几个直观的参数 ,就可以方便地进行山包源曲面形状控制的目的。对于用随机中点位移法或融合曲面法 ,生成的曲面总存在局部尖峰的问题 ,给出了一种局部平滑方法 ,能有效地平滑曲面的局部尖峰 。

利用随机布点DTM绘制地形图

本文介绍了利用随机布点的贝宁地面模型（DTM），自动给制地形图的原理与方法．