基于辐射传输模型探究机载高光谱激光雷达的植被垂直生化组分探测能力

自然环境下的植被群落,由于各种群之间以及种群与环境间的竞争与选择,常呈现出一定的垂直结构,对于同一植株的不同生长阶段,在垂直方向也有着不同的生理生化参数。对这种三维立体分布特征进行探测,能够进行生态环境立体化定量评价,对森林碳储量估算和生物多样性保护等具有重要意义。传统的被动光学遥感以及激光雷达在植被生化参数垂直探测方面有较大的局限性,而高光谱激光雷达(Hyperspectral LiDAR,HSL)这一新型探测仪器的出现为探测植被生理生化参数垂直分布提供了新的手段。但由于受到硬件方面的限制,HSL在机载平台下对森林复杂立体场景的适用性尚未得到充分研究。故首先基于HSL原型样机在实验室开展小尺度的室内测量,以火炬花植株为目标,验证其对空间信息和光谱信息的一体化提取能力;随后进一步使用三维辐射传输模型构建具有垂直异质性特征的森林场景,模拟机载HSL设备实现森林的高光谱三维点云提取,结合植被指数和随机森林模型对场景中三种不同植被冠层的叶绿素浓度和类胡萝卜素浓度进行反演。结果表明:室内实验证实了HSL回波信息可以有效区分植株不同高度处光谱曲线的差异,火炬花上部红色叶片和下部绿色叶片的归一化植被指数分别小于和大于0.5;基于三维辐射传输模型成功构建了虚拟森林场景的机载HSL高光谱三维点云,在得到的24组植被指数中,有17组指数表现出良好的探测精度(平均绝对百分比误差MAPE<13%);植被叶绿素反演模型R^(2)达到0.93,上层、中层和下层的平均绝对误差MAE分别为6.26、3.40和2.81;类胡萝卜素反演模型R^(2)为0.91,上层、中层和下层的MAE分别为1.59、2.58和0.39。该研究显示出HSL设备是一种立体化提取植被光谱信息的有效手段,在探测森林等复杂植被场景的生化组分垂直分布方面具有巨大的应用潜力。

基于改进SGM的森林场景视差图生成方法

生成精确的视差图是采用双目视觉对森林冠层下进行三维重建、资源调查的基础。由于森林环境内结构复杂,视差不连续处较多,现有的算法应用于森林场景中会出现误匹配率较大、树干边缘轮廓不清晰的现象。针对上述问题,提出一种改进的Semi-Global Matching(SGM)算法。首先在立体匹配的初始代价计算阶段,为避免由中心像素值突变造成的匹配错误,将Census中心像素值替换为四邻域像素点的平均值。然后对双目相机图像进行k-means聚类分割,将像素点分为几个不同的簇,在代价聚合过程中,融合聚类分割信息、像素颜色信息和像素梯度信息,分析像素点间的差异性,自适应调整能量函数中的惩罚项,使视差突变处依然能保持特征。最后使用亚像素细化、左右一致性检查、中值滤波优化视差值,获得更精确的视差图。实验结果表明,改进的SGM算法生成的视差图相较于传统的SGM算法精确度更高,对不同森林场景的鲁棒性更好。

绿美广东生态建设示范区数字孪生应用研究

为建设“绿美广东生态建设数字孪生示范区”,通过点云生成树木三维建模技术,对示范内的核心区位树木进行1∶1仿真。以倾斜摄影获取的高分辨率立体影像数据为底,结合三维树木、建筑和地形等模型构建高精度与标准地理位置的3D森林场景;接入4个智能综合监测点的物联网数据,并在虚拟3D森林场景里表达出来,实现虚拟3D森林场景与现实森林场景的深度融合;结合林木生长模型,模拟出森林的未来状态,构建集数据采集、模型建立、仿真分析和未来预测于一体的沉浸交互式数字孪生系统。通过研究,形成了一整套比较成熟的技术体系,可为建设广东省数字孪生林业一张图提供技术示范和解决方案。

浅谈无人机实景三维模型在森林防灭火中的应用

近年来,随着我国对无人机发展相关政策的不断出台,无人机发展应用已上升至新的高度,其应用领域和应用场景不断拓展,在各行各业具有举足轻重的作用。实景三维作为无人机重要衍生产品,通过利用无人机搭载专业的测绘相机,设置既定的飞行航线获取建模范围内多个角度的图片,导入三维建模软件生成实景三维模型,能真实、立体、时序化地反映出人类生产、生活和生态空间的时空信息,在部分应用领域方面已逐渐替代二维数据,在多个行业领域发挥着重要作用。从无人机倾斜摄影和实景三维模型的技术特点出发,结合近两年我国重大项目森林火灾风险普查,探究新形势、新技术下无人机实景三维模型在森林防火中所能发挥的重要作用及重大价值,为相关林业部门提供技术参考。

大寺基“未来国有林场”建设初探

开展“未来国有林场”建设,是浙江省深化国有林场改革、致力共同富裕的又一创新之举,浙江省台州市黄岩区大寺基林场被列为全省首个“未来国有林场”建设试点。本文立足大寺基林场的资源禀赋,初步提出大寺基“未来国有林场”的发展方向、建设理念和建设场景。

基于OSG数字林分景观可视化技术研究

大规模林分场景建模和实时绘制对于模拟林分生长具有重要意义。本文定义了一个基于树龄分枝的树木表达模型,该模型可构建形态结构不规则、灵活的树木模型;在林分场景绘制中,提出了一种基于OSG大规模林分场景的实时绘制技术,利用存储在XML文件中真实的林分调查数据可以实时绘制三维林分场景。林分树木场景数据量大,为了提高场景渲染的效率,利用OSG场景图来组织和优化场景数据;在林分单元格的绘制中引入3D树木的LOD网格简化和PageLOD数据库分页机制实现大规模数据调度。实例证明,所绘制的大规模林分场景能满足用户的实时交互需求。

一种大数据量森林场景组织及其实时绘制方法

针对森林场景建模的复杂性和大数据量等特点,并在对比分析各种场景组织算法的基础上,阐述了采用八叉数结构(Octree)来组织森林场景的流程,提出了层次包围盒+线性边缘检测的预裁剪算法,并将该算法应用于大数据量森林场景的实时绘制;文中还对实验结果进行分析,得出了八叉树结构对场景不同划分深度对绘制效率影响的规律。实验结果证明层次包围盒+线性边缘检测的预裁剪算法的具有实用性和通用性等特点,特别适合均匀分布的场景数据的组织和实时优化绘制。

三维森林场景生成方法研究

森林的组成、结构及其动态变化一直是森林生态学研究的一个热点。由于森林结构复杂,如何用简单的模型模拟森林结构是一个难点问题。主要介绍了L-系统的原理,并用L-系统生成了单棵针叶树和阔叶树,进而结合森林生长模型ZELIG生成了复杂的针阔混交林场景。研究表明采用该方法很容易生成比较复杂的森林场景。

林木场景漫游系统的研究与实现

由于林木本身结构复杂,因此在模拟中几何模型的面片数多。如何在保证一定的视觉真实感的前提下,尽量简化场景模型,实现林木场景的快速绘制,一直是计算机图形学领域的热点问题。提出了一种适合包含大面积林木的自然场景漫游系统的实现方法,即利用3维建模软件3ds max构建场景模型,然后基于虚拟开发工具Open Scene Graph(OSG)实现场景的实时绘制和漫游。充分利用软件的特点和功能,实现了包含大面积林木的自然场景的漫游,同时还根据相交测试原理实现了漫游过程中的碰撞检测。实验结果表明,此系统具有较高的绘制速度,能满足包含大面积林木的自然场景实时漫游的要求,同时能达到一定的场景真实感。

基于主动轮廓演变模型的遥感影像单棵树木检测

单木检测是一种将遥感影像和计算机视觉技术相结合自动或半自动获取单棵树木信息的方法。针对复杂森林场景中大量树木相互覆盖的现象,以及树冠内部大量弱边缘导致的树冠顶点过度提取和树冠轮廓描绘不精细的问题,提出了一种基于主动轮廓演变模型的遥感影像单棵树木检测方法。该方法基于树荫和树木数量正相关的先验知识划分阴影控制区域并将区域形心作为树冠顶点;接着使用光照角度优化的形态主动轮廓演变模型(Snake模型)进行树冠轮廓描绘,使其可以越过弱边界点;最后依照形状特征优化树冠轮廓。实验结果表明,该方法提高了复杂森林场景下的单棵树木信息提取的准确度,降低了树冠顶点提取过程的误识率,使树冠轮廓形状更加准确。

森林环境虚拟漫游系统的构建

虚拟漫游系统是一个真实的或假想的仿真虚拟空间,用户可以从任意角度对虚拟环境中的对象进行观察,从而产生身临其境的感觉。通过研究虚拟景观漫游技术和森林场景的建模技术,实现了具有交互功能的森林环境虚拟漫游系统。该系统可以模拟森林防火中各种危险的典型地形,在危险地形中模拟大火发生,将森林防火和虚拟现实结合起来,开展心理应激训练,给消防安全带来革命性的变化。

基于动态纹理技术的实时森林绘制

研究实时绘制森林动态场景问题,由于森林形状复杂,实时性差,针对风力作用下的大规模森林动态场景,提出图像变形方法和动态纹理技术的森林绘制方法。使用二维图像变形技术实现树木图像在风力作用下的变形;通过将树木变形结果预计算为复合纹理,减少渲染时计算量;在实时渲染过程中,根据当前风力,选择最相近的纹理内容,通过使用动态纹理技术实时更新至Billboard;并结合顶点偏移法一起实现树木模型在风力作用下的动态运动;为加速绘制效率,利用图形硬件加速复合纹理的选择和Billboard的顶点计算。对于上万株规模的动态森林场景,通过改进方法可以实现实时绘制。

森林型生态旅游地资源空间容量研究--以武陵源天子山景区为例

生态旅游是一种强调可持续发展的旅游形式,具有广阔的发展前景。生态旅游地资源空间容量是景区综合开发与可持续发展的重要影响因素,是景区生态旅游规划的重要依据之一。为了实现生态旅游地可持续发展的目标,必须确定景区的旅游资源空间容量,以此协调旅游活动和生态环境的关系。本文以实地调查为基础,利用面积法、线路法对森林型生态旅游风景区——武陵源天子山景区的生态旅游资源空间日容量以及不同季节空间容量进行了测算。研究表明:景区旅游空间容量夏半年为7000人/d,冬半年为3840人/d,年均容量为204.6万人次。以上结果为天子山景区的生态旅游规划及风景区相关旅游产业的开发、经济与社会效益的提高以及可持续发展的实现,都具有极为重要的意义。

一种结合深度学习和随机森林的地平线检测方法

已有地平线检测方法检测效果受环境影响较大,计算复杂度较高。提出了一种基于深度学习与随机森林相结合的地平线检测方法。利用深度学习模型进行深度特征提取,将得到的深度特征用于随机森林训练,采用随机森林回归投票方式得到地平线检测结果。仿真结果表明,所提方法检测效果较好。不仅在笔直的道路上检测结果与真实值比较相近,而且在阴影区域以及弯道中的预测值也基本与真实值重合,表明该方法鲁棒性强,能够很好的用于复杂道路场景中的地平线检测。

热带雨林旅游景区景观规划与设计研究——以莫里热带雨林景区为例

在分析景观和旅游景观概念的基础上,探讨了热带雨林景区的构景要素和景观特征,景观规划的设计原则和营造方法,并以瑞丽市莫里热带雨林景区为例,说明了热带雨林景观规划和设计的具体方法。

真实感森林场景的可视化研究与实现

虚拟森林场景的三维可视化是林业信息化的一项关键技术。由于大规模森林场景的计算量较大,多数研究方法或软件倾向采用简化的树木模型,用户体验不够友好,真实感较差。采用生物特征约束下的层次化参数建模方法,能很好地保证单木模型数据的真实性和建模速度。基于不同细节层次的单木模型建立了模型库,为森林的绘制和渲染提供便利,在强大的Speed Tree SDK的支持下,能够达到渲染的速度与精度的有效平衡。

灵石山国家森林公园三维可视化研究

以灵石山国家森林公园为例,利用ArcGIS的3D扩展模块,在ArcScene中导入灵石山国家森林公园的数字高程模型,结合遥感数据,实现灵石山国家森林公园的三维可视化。该方法改变传统的园林三维景观制作的固定模式,操作均在ArcGIS中进行,具有可更新、易操作等优势。

建立我国多级分辨率的森林资源调查技术体系

该文从森林经理学学科定义、任务、分支学科出发 ,将森林经理学科的研究归纳为两类 .其一 ,森林经营管理理论与模式 ;其二 ,森林经理技术工艺与方法 .作者侧重讨论了多级分辨率的森林资源调查技术集成问题 .其集成系统包括航天遥感、航空影像、地面近景摄影测量、GPS、全站仪、电子罗盘、电子测径仪、计算机、网络与多媒体、信息技术、数据库理论等硬件和软件系统及关键技术 .森林资源调查技术集成系统具有监测和调查单木林分、森林资源及生态环境的功能 .其监测和量测的精度从宏观到中观、微观 ,从± 30m～± 1mm ,具有多级分辨率 。

面向虚拟森林仿真的多层场景引擎设计

为快速绘制具有真实感的大规模虚拟森林场景,在分析虚拟森林场景仿真特点的基础上,提出面向虚拟森林仿真多层场景引擎的总体结构,对该场景引擎中的实时地形生成技术、地形模型的简化算法和渲染加速等关键技术展开研究,开发了虚拟森林仿真系统。应用结果表明,面向虚拟森林仿真的多层场景引擎有助于提高复杂森林场景的绘制效率,能较好地满足用户进行实时漫游和交互控制的需求。

基于Web地图瓦片服务(WMTS)的林区三维场景构建

在轻量级林业信息系统开发中,必须降低获取林区的遥感地图及相关空间数据的成本,提高开发效率。通过分析Internet网络上国内外地理信息服务商提供的Web地图瓦片服务(以下简称WMTS)理论及架构,低成本高效率获取遥感图像及空间数据,并应于林区三维场景构建中。通过Google公司提供WMTS,获取到长沙市天马山林区遥感图像及高程数据,利用DirectX计算绘图技术,构建长沙市天马山林区三维场景。利用WMTS服务能有效解决林业信息系统中,数据昂贵,开发成本高,信息不够全面等问题,为轻量级林业信息系统高效开发提供便利。