田義超， 張 強(qiáng)， 陶 進(jìn)， 張亞麗， 楊永偉， 林俊良

（北部灣大學(xué)a.資源與環(huán)境學(xué)院；b.海洋地理信息資源開發(fā)利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣西 欽州 535011）

0 引 言

近半個(gè)多世紀(jì)以來，無人機(jī)在軍用和民用領(lǐng)域均得到了空前的發(fā)展，無人機(jī)在測繪方面也得到了廣泛應(yīng)用［1］。無人機(jī)遙感測繪因續(xù)航時(shí)間長、成本低、機(jī)動(dòng)靈活等特點(diǎn)大幅度提高了傳統(tǒng)測繪作業(yè)的效率，使地理信息數(shù)據(jù)的獲取更加快速、準(zhǔn)確和完整［2-3］。在紅樹林野外樣地調(diào)查時(shí)，調(diào)查方法多以現(xiàn)場實(shí)測或?qū)嶋H勘測為主，一般采用逐點(diǎn)測量方法，加上經(jīng)常受到天氣條件的限制，野外工作難度大，造成了三維空間分辨率和測量精度低、效率低、測量范圍有限，無法完成紅樹林群落尺度三維模型的構(gòu)建。而無人機(jī)激光遙感在紅樹林野外調(diào)查等方面具有明顯優(yōu)勢，可用于紅樹林樹高估算、紅樹林面積提取以及紅樹林結(jié)構(gòu)參數(shù)等方面的測量，甚至可以在野外進(jìn)行遙感觀測，突破了傳統(tǒng)光學(xué)遙感在夜間難以進(jìn)行紅樹林觀測等方面的瓶頸。

遙感圖像處理課程是我校資源與環(huán)境學(xué)院地理信息科學(xué)專業(yè)開設(shè)的一門專業(yè)必修課。遙感圖像處理課程作為應(yīng)用實(shí)驗(yàn)課程，是以理論聯(lián)系實(shí)踐為主，注重運(yùn)用和重視上機(jī)實(shí)踐的一門課程，課程注重反映現(xiàn)代遙感圖像處理方法的最新成果與應(yīng)用，詳細(xì)介紹與遙感圖像處理常用的基本功能和部分增強(qiáng)功能，并針對(duì)遙感提取建模做了較為詳細(xì)的實(shí)例說明，注重對(duì)地理信息科學(xué)專業(yè)學(xué)生的基本應(yīng)用能力的提高，培養(yǎng)從事地理信息科學(xué)理論研究和實(shí)務(wù)的應(yīng)用型人才。我校作為廣西北部灣沿海地區(qū)唯一公立本科院校，該學(xué)校瀕臨廣西北部灣，沿海地區(qū)有非常多的紅樹林濕地資源，因此，遙感圖像處理課程在學(xué)期結(jié)束后，都會(huì)有一次關(guān)于紅樹林濕地的低空遙感的開放性實(shí)驗(yàn)課。該實(shí)驗(yàn)課的開設(shè)可以將無人機(jī)低空遙感和測量學(xué)中的激光點(diǎn)云技術(shù)結(jié)合，使同學(xué)們了解最新的測繪技術(shù)和無人機(jī)遙感深度融合的理論和技巧，該實(shí)驗(yàn)課兼顧理論和實(shí)用性，可以很好地將低空遙感的基礎(chǔ)理論和實(shí)際動(dòng)手能力相結(jié)合，是提高學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力非常重要的手段。但是，這門課程的開放性實(shí)驗(yàn)實(shí)施兩年以來，課程教學(xué)部分存在著兩點(diǎn)問題：①課程教學(xué)中理論教學(xué)部分偏重，而實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的實(shí)踐部分較少，任課老師在開展開放性實(shí)踐教學(xué)時(shí)，主要是帶領(lǐng)學(xué)生到海邊的紅樹林樣地進(jìn)行無人機(jī)數(shù)據(jù)航拍，航拍完成之后任課老師在實(shí)驗(yàn)室對(duì)學(xué)生開展了最基本的無人機(jī)激光數(shù)據(jù)的解析和概念的講解工作。但是，由于地理信息科學(xué)專業(yè)學(xué)生對(duì)于測繪專業(yè)的知識(shí)了解較少，激光點(diǎn)云理論講解中涉及大量復(fù)雜的測量學(xué)公式，學(xué)生在聽講的過程中感到枯燥，課程晦澀難懂，無法提升學(xué)生的積極性，導(dǎo)致部分學(xué)生對(duì)無人機(jī)激光點(diǎn)云的教學(xué)部分缺乏信心，以至于部分學(xué)生抱著“學(xué)不懂，干脆不學(xué)”的心理。②激光點(diǎn)云教學(xué)的可視化內(nèi)容難以實(shí)現(xiàn)。從海邊獲取的無人機(jī)紅樹林激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)，任課教師主要借助于Matlab軟件向同學(xué)們講述激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)的讀取、存儲(chǔ)以及操作的語法［4］，大部分的教學(xué)方法是以各種算法為前提，通過在Matlab中編寫代碼來實(shí)現(xiàn)激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)的操作。由于地理信息科學(xué)專業(yè)學(xué)生屬于非測繪專業(yè)的學(xué)生，在教學(xué)過程中學(xué)生們對(duì)于激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理的各種程序和代碼的學(xué)習(xí)感到非常吃力，導(dǎo)致課程教學(xué)效果較差。因此，需要借助于可視化方法使無人機(jī)激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)的教學(xué)呈現(xiàn)出可視化，這樣方可提高學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性［5-6］。

Matlab軟件中的圖形用戶界面（Graphical user interface，GUI）所具有的數(shù)據(jù)分析和可視化功能已被廣泛應(yīng)用于科學(xué)研究、實(shí)驗(yàn)和實(shí)踐教學(xué)過程中［7-9］，用戶借助于該軟件所提供的各種控件和函數(shù)可以很好地實(shí)現(xiàn)所需要的功能。該研究基于Matlab 軟件的GUI開發(fā)了無人機(jī)激光遙感實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，該平臺(tái)界面友好美觀，操作簡單，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)野外測量的無人機(jī)紅樹林激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)的快速讀取、可視化以及模型建模等功能，該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)可以將復(fù)雜的測量學(xué)教學(xué)過程簡單化，增加學(xué)生對(duì)于無人機(jī)紅樹林遙感開放性實(shí)驗(yàn)的興趣，提升我校無人機(jī)激光遙感的教學(xué)效果，為北部灣地區(qū)實(shí)踐創(chuàng)新以及應(yīng)用型專業(yè)人才的培養(yǎng)奠定基礎(chǔ)。

1 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)設(shè)計(jì)思路

基于Matlab軟件的GUI 開發(fā)了無人機(jī)激光遙感實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，該平臺(tái)主要由地面點(diǎn)云和非地面點(diǎn)云分割、數(shù)字高程模型（Digital Elevation Model，DEM）提取、數(shù)字表面模型（Digital Surface Model，DSM）提取、冠層高度模型（Canopy Height Model，CHM）提取、單木分割、高度變量、強(qiáng)度變量以及郁閉度等模塊組成，該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的主要功能模塊如圖1 所示。

圖1 無人機(jī)激光遙感實(shí)驗(yàn)平臺(tái)功能模塊

本開放性實(shí)驗(yàn)課程作為低空無人機(jī)激光遙感理論和實(shí)踐相結(jié)合的典型案例，需要結(jié)合實(shí)踐教學(xué)來提升學(xué)生的學(xué)習(xí)能力。其中實(shí)踐教學(xué)部分主要包括數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)的處理兩個(gè)部分，數(shù)據(jù)采集部分，由于我校資源與環(huán)境學(xué)院的學(xué)生在無人機(jī)激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)的航拍，航飛線路的設(shè)置以及前期數(shù)據(jù)處理方面具有一定的特長，學(xué)生們多次在廣西壯族自治區(qū)舉辦的無人機(jī)省級(jí)大賽中獲得了多項(xiàng)獎(jiǎng)項(xiàng)，因此，該研究將重點(diǎn)分析無人機(jī)激光遙感實(shí)驗(yàn)平臺(tái)涉及的相關(guān)功能的基礎(chǔ)上使同學(xué)們熟練掌握激光點(diǎn)云的數(shù)據(jù)操作部分。無人機(jī)激光遙感實(shí)驗(yàn)平臺(tái)中的模塊1 屬于激光點(diǎn)云的基礎(chǔ)操作模塊，該模塊的主要功能是將紅樹林激光點(diǎn)云的地面部分和地上部分分割出來，其中分割出的地面點(diǎn)云部分可以生成數(shù)字高程模型，該模型即是模塊2 的數(shù)字高程模型（DEM）提取。而非地面點(diǎn)云可以生成模塊3的數(shù)字表面模型（DSM），將其減去模塊2 所生成的DEM數(shù)字高程模型，即可得到模塊4 的冠層高度模型（CHM）。非地面點(diǎn)云的另外一些重要的功能是可以生成模塊5 ～8 的相關(guān)內(nèi)容，這些功能均屬于紅樹林林木結(jié)構(gòu)提取時(shí)的重要參數(shù)，可以通過Matlab 編程語言的具體算法實(shí)現(xiàn)這些功能。8 個(gè)模塊之間互不影響，每個(gè)模塊具有單獨(dú)的和可執(zhí)行的源程序和執(zhí)行代碼，并且都具有可擴(kuò)展性，每個(gè)模塊均包含GUI 組件的.fig文件和保存源代碼的.m 文件［10］，均可實(shí)現(xiàn)單獨(dú)的管理和存儲(chǔ)。

2 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)設(shè)計(jì)內(nèi)容及其案例實(shí)現(xiàn)

Matlab提供了一套可視化的創(chuàng)建圖形窗口的工具，使用圖形用戶界面開發(fā)環(huán)境可方便地創(chuàng)建GUI 應(yīng)用程序，它可以根據(jù)用戶設(shè)計(jì)的GUI 布局，自動(dòng)生成M文件框架，用戶使用這一框架編制可以定制自己的應(yīng)用程序。實(shí)驗(yàn)平臺(tái)設(shè)計(jì)采用經(jīng)典的菜單布局模式，主菜單上有8 個(gè)功能模塊，分別是地面點(diǎn)云和非地面點(diǎn)云分割、數(shù)字高程模型（DEM）提取、數(shù)字表面模型（DSM）提取、冠層高度模型（CHM）提取、單木分割、高度變量、強(qiáng)度變量以及郁閉度。界面的桌面部分也放置了以上8 個(gè)功能模塊，學(xué)生既可以通過菜單的方式訪問相關(guān)功能，也可以通過軟件桌面的按鈕快速訪問8 個(gè)功能模塊。桌面的背景圖片是我校資源與環(huán)境學(xué)院本科生采用大黃蜂激光雷達(dá)多旋翼系統(tǒng)航拍的紅樹林樣區(qū)圖片，圖片的中央放置了大黃蜂激光雷達(dá)四旋翼無人機(jī)系統(tǒng)，所搭載的設(shè)備為AS-900HL 激光雷達(dá)系統(tǒng)，圖片的右下角區(qū)域是學(xué)校的LOGO。8 個(gè)子模塊與主程序之間的調(diào)用關(guān)系都可以通過Matlab GUI 的回調(diào)函數(shù)實(shí)現(xiàn)。實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的主界面見圖2。

圖2 無人機(jī)激光遙感實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

2.1 地面與非地面點(diǎn)云

點(diǎn)云分類是激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理的基礎(chǔ)操作，圖3（a）所示為地面點(diǎn)云和非地面點(diǎn)云激光點(diǎn)云處理模塊，該模塊主要由激光點(diǎn)云Las文件的顯示，計(jì)算并顯示地面Las點(diǎn)云，計(jì)算并顯示非地面點(diǎn)云，顯示分類后的點(diǎn)云以及將分類后的點(diǎn)云文件保存到指定文件夾。其中Las點(diǎn)云的顯示功能主要是將紅樹林激光點(diǎn)云的回波信息顯示出來［見圖3（b）］，而地面點(diǎn)云和非地面點(diǎn)云的分割則采用濾波算法實(shí)現(xiàn)。傳統(tǒng)的濾波算法大多是考慮在坡度、高程變化之間的不同來進(jìn)行區(qū)分地物點(diǎn)與地面點(diǎn)［11］，而布料濾波算法從一個(gè)完全新的思路來進(jìn)行濾波，首先把點(diǎn)云進(jìn)行翻轉(zhuǎn)，然后假設(shè)有一塊布料受到重力從上方落下，則最終落下的布料就可以代表當(dāng)前地形［12］。布料（Combined Filter，CF）算法結(jié)合布料模擬與不規(guī)則三角網(wǎng)加密濾波器的優(yōu)勢以提高地面濾波精度，主要原理是利用參數(shù)易于設(shè)置的布料模擬器獲取的近似地形走勢作為初始地形，并在初始地形中獲取不規(guī)則三角網(wǎng)加密濾波器的參數(shù)閾值，然后使用不規(guī)則三角網(wǎng)加密濾波器獲取地形細(xì)節(jié)信息。圖4（a）所示為無瓣海桑紅樹林點(diǎn)云和灘涂地面點(diǎn)云［見圖4（b）］算法在Matlab 中的顯示，采用的算法為CF算法，而圖5（a）所示為無瓣海桑點(diǎn)云和灘涂地面點(diǎn)云合并之后的顯示效果，為了方便閱讀，該研究將無瓣海桑紅樹林點(diǎn)云采用綠色進(jìn)行顯示，而將灘涂地面點(diǎn)云采用紫色進(jìn)行顯示。圖5（b）所示是將激光點(diǎn)云分割的結(jié)果保存到指定文件夾，其中mangrove＿tree.las為無瓣海桑紅樹林點(diǎn)云，而mangrove＿ground.las為灘涂地面點(diǎn)云，mg.las為合并之后的激光點(diǎn)云。

圖3 地面與非地面點(diǎn)云的處理與顯示

圖4 無瓣海桑點(diǎn)云和灘涂地面點(diǎn)云分別顯示

圖5 無瓣海桑點(diǎn)云和灘涂地面點(diǎn)云合并顯示與保存

2.2 紅樹林?jǐn)?shù)字模型生成

地形模塊包含地形生產(chǎn)所需的一系列產(chǎn)品，其中，數(shù)字高程模型表示裸露的地表（植被和其他地物均被移除），數(shù)字表面模型表示地形和地物的表面特征（如：樹木冠層），而冠層高度模型表示植被和地物的歸一化高度。基于2.1 分類出的無瓣海桑紅樹林激光點(diǎn)云（mangrove＿tree.las）和灘涂地面點(diǎn)云（mangrove＿ground.las）可以產(chǎn)生數(shù)字表面模型（DSM）、數(shù)字高程模型（DEM）以及冠層高度模型（CHM）。

數(shù)字高程模型（DEM）的界面見圖6（a），該界面主要由左側(cè)的參數(shù)設(shè)置模塊和右側(cè)的圖像顯示模塊構(gòu)成，其中左側(cè)的參數(shù)設(shè)置部分包括顯示las點(diǎn)云，選擇已經(jīng)定義好的TIFF投影文件，該投影文件根據(jù)研究區(qū)的實(shí)際區(qū)域情況而定，研究區(qū)的大小與激光點(diǎn)云的范圍大小保持一致，本研究設(shè)置了UTM 48N 投影坐標(biāo)系。另外一個(gè)非常重要的參數(shù)是設(shè)置生成DEM 數(shù)據(jù)的分辨率，本研究設(shè)置了0.5 m的分辨率，該柵格單元的大小也可以用于數(shù)據(jù)的插值計(jì)算，采用反距離插值算法進(jìn)行插值。最后將生成的DEM 數(shù)據(jù)保存到D：＼LiMARS＼result文件里，文件的保存形式為TIFF格式，右邊部分為DEM文件的顯示，由計(jì)算結(jié)果可知紅樹林灘涂地面的高程介于0 ～0.142 m 之間。數(shù)字表面模型（DSM）的界面見圖6（b），該模型帶有無瓣海桑樹木點(diǎn)云信息，用mangrove＿ground.las點(diǎn)云跟數(shù)字高程模型結(jié)合，可獲得歸一化的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，由該數(shù)據(jù)可以生成數(shù)字表面模型（DSM），模型的界面參數(shù)設(shè)置與DEM設(shè)置相同，由生成的紅樹林DSM 數(shù)據(jù)可知，研究區(qū)無瓣海桑紅樹林DSM 的值介于0 ～16.5 m 之間。冠層高度模型（見圖7）是表示植被距離地面高度的表面模型，能夠反映樹木冠層的水平和垂直分布情況［13］，該模型一般是由DSM與DEM進(jìn)行差值運(yùn)算生成，由計(jì)算結(jié)果可知，研究區(qū)無瓣海桑紅樹林樹高介于0 ～16.358 m。

圖6 數(shù)字高程與數(shù)字表面模型的界面

圖7 冠層高度模型

2.3 無瓣海桑紅樹林單木分割

無瓣海桑紅樹林單木分割算法采用的是分水嶺分割算法識(shí)別和分割單棵樹，目的是為了獲取紅樹林單木的位置、樹高、冠幅直徑、冠幅面積和樹木的邊界信息［14］。該方法提取紅樹林單木的原理為：如果自下而上觀察，CHM的高點(diǎn)處可以看做山峰，低點(diǎn)處可以看做山谷。如果用水填充，不同山谷的水將開始匯合。為了避免這種情況，在水匯合的地方建立屏障，這些屏障將決定分割的結(jié)果，屏障處即為紅樹林分割的邊界線。無瓣海桑紅樹林單木分割界面見圖8（a），該界面主要由激光點(diǎn)云的顯示，顯示單木Las分割點(diǎn)云，提取感興趣的紅樹林單木并顯示單木，保存單木分割后的矢量數(shù)據(jù)和單木點(diǎn)云Las文件功能組成。單木分割是以歸一化的點(diǎn)云數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，設(shè)置一定的空間分辨率參數(shù)，參數(shù)的設(shè)置至關(guān)重要，不同的參數(shù)會(huì)獲取不同的分割結(jié)果。本研究設(shè)置了0.5 m的分辨率，圖8（b）所示為無瓣海桑樹頂點(diǎn)位置的顯示結(jié)果，圖9（a）是單木無瓣海桑激光點(diǎn)云顯示效果，從圖中可以看出，不同的無瓣海桑單木都被賦予了不同的顏色，在Matlab 中可以瀏覽不同的無瓣海桑紅樹林單木三維分割效果，圖9（b）所示為24 號(hào)無瓣海桑紅樹林單木點(diǎn)云顯示效果，可以根據(jù)實(shí)際需要在單木分割界面中輸入不同的Tree編號(hào)，點(diǎn)擊顯示單木las點(diǎn)云按鈕，就可以看到不同Tree的顯示效果。單木分割界面也設(shè)置了單木分割之后保存的矢量數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)可以輸出到指定目錄文件夾，本研究中將其結(jié)果輸出到D：＼LiMARS＼result。由圖10 可見，經(jīng)過單木分割之后，生成了無瓣海桑紅樹林樹的樹頂點(diǎn)文件wuban.shp以及無瓣海桑單木分割面wuban＿seg＿polygons.shp 文件，這兩個(gè)文件記錄了無瓣海桑的樹高、冠幅、單木的位置以及面積等信息，可以在第三方ArcGIS 軟件中瀏覽和查看，除此之外，軟件還自動(dòng)生成了wuban.csv文件，通過該文件可以在Excel中查看分割的結(jié)果。

圖8 無瓣海桑紅樹林單木分割與頂點(diǎn)位置界面

圖9 紅樹林激光點(diǎn)云與單木點(diǎn)云界面

圖10 單木分割矢量結(jié)果數(shù)據(jù)以及統(tǒng)計(jì)結(jié)果

2.4 無瓣海桑紅樹林高度和強(qiáng)度變量

高度變量是與激光點(diǎn)云的高度值相關(guān)的統(tǒng)計(jì)變量，這些變量對(duì)于模型建模非常有用，可以作為生物量回歸和與預(yù)測中非常重要的參數(shù)變量［15］。首先，在x、y方向根據(jù)一定的距離將點(diǎn)云空間劃分成不同的等大小的網(wǎng)格單位，然后根據(jù)指定的高度間隔將點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)一步分割成不同的“層”。如果點(diǎn)云中包含很多小方塊，可以用每個(gè)方塊內(nèi)點(diǎn)的高程值計(jì)算高度變量，并且每個(gè)方塊都生成一條紀(jì)錄，最后將變量寫入指定的格網(wǎng)單元中。其中高度百分位變量表示某一統(tǒng)計(jì)單元內(nèi)，將其內(nèi)部所有歸一化的激光雷達(dá)點(diǎn)云按高度進(jìn)行排序，然后計(jì)算每一統(tǒng)計(jì)單元內(nèi)X%的點(diǎn)所在的高度，即為該統(tǒng)計(jì)單元的X 高度百分位數(shù)。無瓣海桑紅樹林統(tǒng)計(jì)的高度百分位數(shù)包含15 個(gè)，即1%、5%、10%、20%、25%、30%、40%、50%、60%、70%、75%、80%、90%、95%和99%，此外軟件界面中也計(jì)算了HMean（平均值）、HMedian（中位數(shù)）、HStdDew（標(biāo)準(zhǔn)差）、HCoefVar（變異系數(shù)）、HKut（峰度）以及HSkew（偏斜）等高度變量。高度百分位界面見圖11（a），該界面主要由顯示las點(diǎn)云，選擇已經(jīng)定義好的投影文件（與上文投影保持一致，為UTM48N），選擇保持高度變量位置，最后需要設(shè)置生成的高度變量的分辨率，本研究中設(shè)置的分辨率為0.5 m。圖11（b）是在D：＼LiMARS＼result 文件夾中生成的高度變量，只需點(diǎn)擊左邊界面中的確定按鈕，即可批量生成不同類型的高度變量。

圖11 無瓣海桑高度變量以及輸出結(jié)果

強(qiáng)度變量的計(jì)算方法與高度變量類似，不同的是計(jì)算強(qiáng)度變量使用的是激光點(diǎn)云的強(qiáng)度值而非高度值。因此，只有當(dāng)點(diǎn)云數(shù)據(jù)中包含強(qiáng)度信息時(shí)，才能使用該功能。強(qiáng)度變量的界面布局［見圖12（a）］與高度變量的布局保持一致，輸出的結(jié)果是不同的強(qiáng)度變量，其結(jié)果也是通過點(diǎn)擊圖12（a）左側(cè)的保存按鈕后，可以批量生成不同類型的強(qiáng)度變量［見圖12（b）］，這些變量與高度變量類似。

圖12 無瓣海桑強(qiáng)度變量界面以及輸出結(jié)果

2.5 無瓣海桑紅樹林郁閉度變量

郁閉度是林分冠層的垂直投影占林地面積的百分比，它是確定森林采伐強(qiáng)度的重要指標(biāo)，也是進(jìn)行林業(yè)蓄積量估算非常重要的因子［16］。根據(jù)無瓣海桑激光點(diǎn)云是否有回波信息，本研究根據(jù)用戶設(shè)置的分辨率大小將激光點(diǎn)云空間劃分為不同的規(guī)則網(wǎng)格，對(duì)于每個(gè)網(wǎng)格單元，郁閉度被定義為首次回波的無瓣海桑植被點(diǎn)數(shù)與首次回波所有激光點(diǎn)數(shù)的比值。如果無瓣海桑激光點(diǎn)云沒有回波信息，則郁閉度被定義為無瓣海桑植被點(diǎn)數(shù)與總點(diǎn)數(shù)的比值。無瓣海桑郁閉度的計(jì)算界面見圖13，圖的左側(cè)部分界面的設(shè)置與上述界面設(shè)置保持一致，唯一不同的在于“確定”按鈕的計(jì)算方法是按照郁閉度的計(jì)算方法進(jìn)行運(yùn)算，計(jì)算時(shí)考慮兩種情況，分別為有回波信息和沒有回波信息。由無瓣海桑紅樹林郁閉度的計(jì)算結(jié)果可知，郁閉度的值介于0 ～1。

圖13 無瓣海桑郁閉度界面

2.6 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)程序發(fā)布

目前，學(xué)生在遙感數(shù)字圖像處理的過程中所用的電腦是我校資源與環(huán)境學(xué)院的公共機(jī)房，電腦里面裝有許多專業(yè)的GIS軟件和遙感軟件，裝太多軟件的話勢必影響電腦的運(yùn)行效率。為了節(jié)省電腦的存儲(chǔ)空間，有必要將激光遙感實(shí)驗(yàn)平臺(tái)打包成可執(zhí)行的程序，而避免了安裝完整版的Matlab 程序（例如，安裝Matlab2019a大約需要29 GB磁盤空間）。打包成應(yīng)用程序的具體過程是在Matlab 中輸入deploytool 命令，彈出編譯器運(yùn)行對(duì)話框，選擇Application Compiler 對(duì)話框，跳出圖14 所示界面，選擇主程序所指示的tyc＿las＿process.m 函數(shù)文件，之后與tyc＿las＿process.m 函數(shù)所關(guān)聯(lián)的文件全部會(huì)加載到Files required for your application to run目錄下，點(diǎn)擊右側(cè)Package 打包，直到出現(xiàn)提示打包成功的對(duì)話框。打包成功后會(huì)在電腦上出現(xiàn)for＿redistribution＿files＿only 文件包，其中tyc＿las＿process.exe文件為可執(zhí)行程序（見圖15），這個(gè)程序不依賴于原始的Matlab仿真環(huán)境，學(xué)生用戶只需要安裝這個(gè)可執(zhí)行文件即可，不需要安裝完整版本的Matlab程序。

圖14 開發(fā)程序打包過程

圖15 激光遙感實(shí)驗(yàn)平臺(tái)可執(zhí)行程序（tyc＿las＿process.exe）

2.7 無人機(jī)激光遙感實(shí)驗(yàn)平臺(tái)使用效果

本實(shí)驗(yàn)平臺(tái)于2020 ～2021 春季學(xué)期在我校資源與環(huán)境學(xué)院的遙感圖像處理課程中進(jìn)行了應(yīng)用，該實(shí)驗(yàn)課作為遙感圖像處理的開放性課程，學(xué)生通過在欽州市茅尾海航拍不同紅樹林群落的激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)，然后將數(shù)據(jù)帶回到實(shí)驗(yàn)室后采用該平臺(tái)進(jìn)行實(shí)訓(xùn)實(shí)驗(yàn)。從實(shí)訓(xùn)的應(yīng)用效果來看，采用該平臺(tái)進(jìn)行教學(xué)，學(xué)生能夠掌握紅樹林地面點(diǎn)云和非地面點(diǎn)云分割、數(shù)字高程模型（DEM）提取、數(shù)字表面模型（DSM）提取、冠層高度模型（CHM）提取、單木分割、高度變量、強(qiáng)度變量以及郁閉度等模塊的操作內(nèi)容，能夠完成開放性實(shí)驗(yàn)所設(shè)置的實(shí)驗(yàn)報(bào)告，相較于2019 ～2020 學(xué)期的授課情況，學(xué)生對(duì)于激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)的處理更得心應(yīng)手，所有的學(xué)生在老師的講解下，對(duì)于每個(gè)模塊中的參數(shù)設(shè)置及其數(shù)據(jù)保存路徑都能夠掌握，實(shí)驗(yàn)的過程中平臺(tái)各個(gè)模型都沒有出現(xiàn)中斷或者臨時(shí)退出的情況。通過開放性實(shí)驗(yàn)的作業(yè)批改情況來看，學(xué)生在不同紅樹林群落激光點(diǎn)云的數(shù)據(jù)處理及其操作步驟掌握較好，95%以上的學(xué)生都能夠一次性完成所設(shè)置的實(shí)驗(yàn)步驟并完成文檔的撰寫，得分率較高，說明該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)能夠提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，達(dá)到了課程的預(yù)期目標(biāo)。

3 結(jié) 語

紅樹林低空遙感的開放性實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)中存在重理論輕實(shí)驗(yàn)的現(xiàn)象，激光點(diǎn)云理論講解中涉及復(fù)雜的測量學(xué)公式，學(xué)生在聽講的過程中信心缺失。本研究在分析我校無人機(jī)激光遙感實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)中存在問題的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了基于Matlab GUI工具的無人機(jī)激光遙感實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。該平臺(tái)基于模塊化思想，各個(gè)模塊之間相互獨(dú)立，可擴(kuò)展性強(qiáng)，平臺(tái)主要包括地面點(diǎn)云和非地面點(diǎn)云分割、數(shù)字高程模型（DEM）提取、數(shù)字表面模型（DSM）提取、冠層高度模型（CHM）提取、單木分割、高度變量、強(qiáng)度變量以及郁閉度等模塊。實(shí)踐教學(xué)結(jié)果表明，該平臺(tái)界面美觀，操作簡單，非測繪專業(yè)學(xué)生無須了解激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理的復(fù)雜原理，均可快速熟悉界面相關(guān)功能，能夠提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，達(dá)到了課程的預(yù)期目標(biāo)，該平臺(tái)的開發(fā)可為其他GIS 類似課程的實(shí)踐教學(xué)平臺(tái)提供借鑒。