一种高分辨率遥感图像单木探测和树冠描绘方法技术

本发明专利技术提出一种高分辨率遥感图像单木探测和树冠描绘方法，该方法基于树冠顶部具有像元高值的特点，将图像平滑滤波后进行反转，将图像看作地面高程数据，利用水文分析中的洼地提取方法进行树顶位置的提取，完成单木探测；然后采用生长空间限定的种子区域生长方法进行树冠描绘，将单木探测结果作为树冠描绘的种子点，对应的洼地贡献区域作为区域生长时的生长范围限定，根据给定的阈值进行树冠描绘。该方法能够避免局部最大值法的局部窗口选择和多尺度分析方法尺度选择，解决区域生长的过度生长问题。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种数字图像处理方法，尤其是一种高分辨率遥感图像单木探测和树冠描绘方法。
技术介绍
目前基于遥感图像的树冠描述由两步构成，首先是单木探测，获取树顶或树的位置；然后是单木树冠描绘，自动获取树冠边界。单木探测的方法主要有局部最大值法、多尺度分析法和模板匹配法；单木树冠描绘的方法主要有谷地跟踪法、区域生长、分水岭分割和局部射线法。局部最大值法是通过获取图像局部范围内的最大值来确定树顶的位置，方法原理简单，但存在如何确定局部窗口大小的问题。多尺度分析法用不同的尺度探测不同大小的树冠，但存在尺度选择问题。模板匹配法是一种基于形状特征的单木树冠探测，基于模板来进行树冠探测，需要根据探测的树冠特征设计不同的模板。谷地跟踪法是通过搜索局部区域内均小于两侧的像元作为谷地像元，然后连接作为树冠边界的方法，通常适用于低分辨率、树冠稀疏的图像。区域生长是将单木探测获得的树冠中心点作为种子点，根据给定的阈值进行生长，直到像元光谱值与种子点差值超过阈值，则停止生长。区域生长算法计算简单，适应性广，但对于紧密度过高的林分，由于树冠相互连接，方法存在过度生长的问题。分水岭分割法是将图像生成梯度图像，然后将其进行边缘细化，最后搜索地图图像的局部最大值作为树冠边界，通常需要利用其它方法获得树冠中心点作为依据，从而确定树冠边界。方法应用广泛，但对边缘敏感，具有过分割的缺点，需要进行预处理和后处理；局部射线法从树冠中心向四周引出若干局部射线，探测像元值变化最大的点作为树冠边界，然后连接探测的点组成树冠轮廓，方法需基于其它方法探测的树冠中心点，对于树冠重叠的情况，精度会受到影响。专利
技术实现思路
专利技术目的：为解决上述技术问题，本专利技术提出一种高分辨率遥感图像单木探测和树
冠描绘方法。该方法能够避免局部最大值法的局部窗口选择和多尺度分析方法尺度选择，解决区域生长的过度生长问题。技术方案：为实现上述技术效果，本专利技术采用的技术方案总体思路为：基于树冠顶部具有像元高值的特点，将图像平滑滤波后进行反转，将图像看作地面高程数据，从而利用水文分析中的洼地提取方法进行树顶位置的提取，完成单木探测；然后采用专利技术的生长空间限定的区域生长方法进行树冠描绘，将单木探测结果作为树冠描绘的种子点，对应的洼地贡献区域作为区域生长时的生长范围限定，根据给定的阈值进行树冠描绘。本专利技术提供的技术方案为：一种高分辨率遥感图像单木探测和树冠描绘方法，该方法包括以下步骤：步骤1：对探测区域的高空间分辨率遥感图像进行预处理，包括：先对高空间分辨率遥感图像进行均值滤波获取平滑图像，再对平滑图像进行颜色反转处理，获取预处理后的遥感图像；步骤2：利用水文分析方法从预处理后的遥感图像中提取树顶位置数据以及单木树冠描绘的限制区域，包括：2-1将预处理后的遥感图像看做地面高程数据,利用水文分析的洼地提取方法从预处理后的遥感图像中提取洼地数据，所述洼地数据即为树顶位置初次提取数据；2-2对树顶位置初次提取数据进行二次提取，剔除其中非树顶位置洼地，将剔除非树顶位置洼地后的数据作为树顶位置二次提取数据；2-3根据树顶位置二次提取数据获得每个洼地的洼地贡献区域数据；2-4从树顶位置二次提取数据中剔除树冠分支洼地，将剔除后的数据作为树顶位置数据；并将树冠分支洼地的洼地贡献区域与距离其最近的洼地贡献区域合并；步骤3：将步骤2中提取的树顶位置数据作为种子点、所有洼地贡献区域作为种子生长的限定范围，通过区域生长法进行单木树冠描述。进一步的，所述步骤2-1中的洼地数据提取方法为：(1)采用D8单流向算法对预处理后的遥感图像进行水流方向计算，通过计算中心栅格与邻域栅格的最大距离权落差获取水流方向栅格；(2)根据水流方向计算结果提取洼地数据。进一步的，所述步骤2-2中获取树顶位置二次提取数据的方法为：计算形成洼地的栅格像元在预处理前高空间分辨率遥感图像中所对应的像元值；设
定像元值阈值，将树顶位置初次提取数据中低于像元值阈值的洼地栅格作为非树顶位置洼地并剔除，将剩余的数据作为树顶位置二次提取数据。进一步的，所述步骤2-4中剔除树冠分支洼地的方法为：(1)设置洼地间距阈值，并将所有洼地进行编号形成处理队列，按照编号从小到大依次进行是否为树顶位置洼地的判断；(2)从队首洼地开始，计算其与其相邻洼地的相对距离；若所选取的洼地与其相邻洼地的相对距离均大于洼地间距阈值，则判定所选取的洼地为树顶位置洼地，并将其从处理队列中删除，进行下一个洼地的判断；若所选取的洼地与一个或多个洼地的相对距离小于或等于洼地间距阈值，则进入步骤(3)；(3)计算所选取的洼地以及与其相对距离小于或等于洼地间距阈值的洼地的像元均值，从中选取像元均值最大的洼地作为树顶位置洼地，并将其从处理队列中删除，其余洼地保留原编号继续参与洼地判断；(4)循环执行步骤(2)至(3)直至没有新的树顶位置洼地产生，处理队列中剩余的洼地即为树冠分支洼地；(5)从树顶位置二次提取数据中剔除树冠分支洼地数据。进一步的，通过区域生长法进行单木树冠描述的方法为：(1)将每个种子点周围的邻近栅格作为对应种子点的生长候选栅格并设定树冠生长规则；(2)从每个种子点的生长候选栅格中选取满足种子生长的限定范围，且符合树冠生长规则的生长候选栅格作为以该种子点为树顶的树冠边界点，完成每个种子点的单木树冠描绘。进一步的，所述设定树冠生长规则的方法为：设种子点总数目为K，k为种子点编号，k∈[1,2,3,...,K]，给定树冠生长阈值为X；定义种子点k的像元值为xk，该种子点的第n个生长候选栅格的像元值为xkn；则树冠生长规则为：xkn∈[xk,xk+X]。有益效果：与现有技术相比，本专利技术具有以下优势：本专利技术提出的方法可以不用考虑局部窗口和尺度选择问题，且操作简单，通用性更强，能更有效、可靠的探测树顶位置；提出的生长空间限定的区域生长方法能够解决原始区域生长方法的过度生长问题，可用于紧密度高、树冠相互连接情况下的树冠描绘，树冠描绘结果更加可靠。附图说明图1为本专利技术实施例的流程图；图2为实施例中经过预处理后的遥感图像；图3为实施例中的单木探测结果图；图4为实施例中单木树冠描绘结果图。具体实施方式本专利技术提出一种高分辨率遥感图像单木探测和树冠描绘方法，该方法包括以下步骤：步骤1：对探测区域的高空间分辨率遥感图像进行预处理，包括：先对高空间分辨率遥感图像进行均值滤波获取平滑图像，再对平滑图像进行颜色反转处理，获取预处理后的遥感图像；步骤2：利用水文分析方法从预处理后的遥感图像中提取树顶位置数据，包括：2-1将预处理后的遥感图像看做地面高程数据并利用水文分析中的洼地提取方法从预处理后的遥感图像中提取洼地数据，所述洼地数据即为树顶位置初次提取数据；2-2对树顶位置初次提取数据进行二次提取，剔除其中非树顶位置洼地，将剔除非树顶位置洼地后的数据作为树顶位置二次提取数据；2-3根据树顶位置二次提取数据计算每个洼地的洼地贡献区域；2-4从树顶位置二次提取数据中剔除树冠分支洼地，将剔除后的数据作为树顶位置数据；并将树冠分支洼地的洼地贡献区域合并到距离最近的洼地贡献区域内作为新的洼地贡献区域；步骤3：将步骤2中提取的树顶位置数据作为种子点、洼地贡献区域作为种子生长的限定范围，通过区域生长法本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种高分辨率遥感图像单木探测和树冠描绘方法，其特征在于包括以下步骤：步骤1：对探测区域的高空间分辨率遥感图像进行预处理，包括：先对高空间分辨率遥感图像进行均值滤波获取平滑图像，再对平滑图像进行颜色反转处理，获取预处理后的遥感图像；步骤2：利用水文分析方法从预处理后的遥感图像中提取树顶位置数据以及单木树冠描绘的限制区域，包括：2‑1将预处理后的遥感图像看做地面高程数据,利用水文分析的洼地提取方法从预处理后的遥感图像中提取洼地数据，所述洼地数据即为树顶位置初次提取数据；2‑2对树顶位置初次提取数据进行二次提取，剔除其中非树顶位置洼地，将剔除非树顶位置洼地后的数据作为树顶位置二次提取数据；2‑3根据树顶位置二次提取数据获得每个洼地的洼地贡献区域数据；2‑4从树顶位置二次提取数据中剔除树冠分支洼地，将剔除后的数据作为树顶位置数据；并将树冠分支洼地的洼地贡献区域与距离其最近的洼地贡献区域合并；步骤3：将步骤2中提取的树顶位置数据作为种子点、所有洼地贡献区域作为种子生长的限定范围，通过区域生长法进行单木树冠描述。

【技术特征摘要】
1.一种高分辨率遥感图像单木探测和树冠描绘方法，其特征在于包括以下步骤：步骤1：对探测区域的高空间分辨率遥感图像进行预处理，包括：先对高空间分辨率遥感图像进行均值滤波获取平滑图像，再对平滑图像进行颜色反转处理，获取预处理后的遥感图像；步骤2：利用水文分析方法从预处理后的遥感图像中提取树顶位置数据以及单木树冠描绘的限制区域，包括：2-1将预处理后的遥感图像看做地面高程数据,利用水文分析的洼地提取方法从预处理后的遥感图像中提取洼地数据，所述洼地数据即为树顶位置初次提取数据；2-2对树顶位置初次提取数据进行二次提取，剔除其中非树顶位置洼地，将剔除非树顶位置洼地后的数据作为树顶位置二次提取数据；2-3根据树顶位置二次提取数据获得每个洼地的洼地贡献区域数据；2-4从树顶位置二次提取数据中剔除树冠分支洼地，将剔除后的数据作为树顶位置数据；并将树冠分支洼地的洼地贡献区域与距离其最近的洼地贡献区域合并；步骤3：将步骤2中提取的树顶位置数据作为种子点、所有洼地贡献区域作为种子生长的限定范围，通过区域生长法进行单木树冠描述。2.根据权利要求1所述的一种高分辨率遥感图像单木探测和树冠描绘方法，其特征在于，所述步骤2-1中的洼地数据提取方法为：(1)采用D8单流向算法对预处理后的遥感图像进行水流方向计算，通过计算中心栅格与邻域栅格的最大距离权落差获取水流方向栅格；(2)根据水流方向计算结果提取洼地数据。3.根据权利要求1所述的一种高分辨率遥感图像单木探测和树冠描绘方法，其特征在于，所述步骤2-2中获取树顶位置二次提取数据的方法为：计算形成洼地的栅格像元在预处理前高空间分辨率遥感图像中所对应的像元值；设定像元值阈值，将树顶位置初次提取数据中高于像元值阈值的洼地栅格作为非树顶位置洼地并剔除，将剩余的数据作为树顶位置二次提...

【专利技术属性】
技术研发人员：王培法，沈利强，王丽，
申请(专利权)人：南京信息工程大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32