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Journal of Geo-information Science >

2019 , Vol. 21 >Issue 6: 898 - 906

DOI: https://doi.org/10.12082/dqxxkx.2019.190013

Photon-Counting LiDAR Point Cloud Data Filtering based on the Random Forest Algorithm

  • CHEN Bowei , 1 ,
  • PANG Yong , 1, * ,
  • LI Zengyuan 1 ,
  • LU Hao 2 ,
  • LIANG Xiaojun 1
Expand
  • 1. Institute of Forest Resource Information Techniques, Chinese Academy of Forestry, Beijing 100091, China
  • 2. College of Information Science and Technology, Beijing Forestry University, Beijing 100083, China
*Corresponding author: PANG Yong, E-mail:

Received date: 2019-01-08

  Request revised date: 2019-03-25

  Online published: 2019-06-15

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National Natural Science Foundation of China, No.41871278

Forest Product Processing and Inversion Project for the Terrestrial Ecosystem Carbon Monitoring Satellite, No.2016K-10

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《地球信息科学学报》编辑部 所有
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Abstract

The new generation of spaceborne laser satellite ICESat-2 (the Ice, Cloud, and land Elevation Satellite-2) of NASA (National Aeronautics and Space Administration) has adopted a newly designed micropulse photon counting system, which is the very first time that this technology gets applied in the space environment. Thanks to the high sensitivity of single photon detection technology, it can be seen from the currently released data product (both from the airborne simulators and the simulation data) that there is huge noise in the atmosphere and even below the ground. Therefore, preliminary research on these relevant experimental data to investigate the methods for separating signal photons from noise photons are important for the future applications. MATLAS data, which simulate the expected performance of the ICESat-2 ATLAS (Advanced Topographic Laser Altimeter System) instrument, was chosen to test our machine learning-based approach from two test sites in Oregon and Virginia in the United States. We first derived 12 features, such as the kNN (k-Nearest Neighbour) distance, based on the characteristics of photon point clouds data. Then we applied feature selection techniques by ranking variable importance using Random Forest. Three most representative features were chosen according to the variable importance ranking and we built a Random Forest classifier trained by the sample points we had selected. The established models were further applied to the whole study area. The final classification results indicate that the classifier we constructed had good performance to distinguish signal photons from noise photons. In terms of the mean values of the statistical indicators in the test sites, the overall classification accuracy was 96.79%, and the Kappa coefficient was 0.94. The producer and user accuracies were 97.1% and 96.8%, respectively. Additionally, the results show that our method not only worked well on data of relatively lower noise rate on flat terrain surfaces but also achieved good results for those with higher noise rate on complex terrain surfaces. To conclude, our method showes good potential to be applied to larger areas, for especially the classification of the photon counting LiDAR data in the future.

Key words： random forest; machine learning; photon-counting; LiDAR; point clouds classification

Cite this article

CHEN Bowei , PANG Yong , LI Zengyuan , LU Hao , LIANG Xiaojun . Photon-Counting LiDAR Point Cloud Data Filtering based on the Random Forest Algorithm[J]. Journal of Geo-information Science, 2019 , 21(6) : 898 -906 . DOI: 10.12082/dqxxkx.2019.190013

1 引言

星载激光雷达具有可刻画垂直信息的优势和获取大范围数据的特点,在大区域大尺度的森林参数定量反演方面具有很大的优势[1,2]。美国宇航局在2003年发射了第一代星载激光雷达ICESat（The Ice, Cloud, and Land Elevation Satellite）,卫星上所搭载的GLAS（Geoscience Laser Altimeter System）全波形激光雷达系统获取了大量的全球观测数据并展现了运用激光雷达技术进行在大区域的森林参数估测应用方面的巨大潜力[3,4,5,6,7]。由于激光器故障等原因,该卫星从2009年10月开始停止了数据采集,在此后一直缺少替代的星载激光雷达卫星系统。2018年9月美国宇航局成功发射了第二代ICESat-2卫星,计划在2019年3月之后向全球用户免费分发下载数据。ICESat-2卫星采用的是微脉冲光子计数激光雷达系统ATLAS（Advanced Topographic Laser Altimeter System）,该系统在全球是首次应用在星载平台上[8]。ICESat-2卫星主要用于极地冰盖、海冰厚度的测量以及全球生物量的估测等[9],因此对卫星研制期间相关的实验数据进行研究将对未来的林业应用提供重要的参考价值。
目前已经发布的针对ICESat-2卫星的机载实验数据主要包括SIMPL和MABEL数据[10],以及对部分MABEL数据按照ATLAS系统的参数配置仿真模拟得到的MATLAS模拟数据。从发布的几种数据来看,光子计数激光雷达数据和离散回波激光雷达数据在数据外观上具有很高的相似性,光子记录的外观上类似于点云数据[11]。但由于单光子探测的灵敏性,其在探测有效信息时也记录了大量的太阳背景噪声和仪器噪声,尤其当在白天观测时,其受太阳光干扰和大气噪声的影响很大,因此如何解决微脉冲探测机理造成的强背景噪声是利用ICESat-2卫星进行植被应用研究的一大难点[12]。同时,未来星上数据为窄带状的高程剖面点云,现有的三维机载点云滤波算法不能直接应用在ICESat-2的点云数据处理中。
总体来看,光子点云数据的滤波的问题可以等价于对光子点的分类问题,针对分类问题则可以分别从非监督分类和监督分类2种思想进行相关算法设计和实现。目前,针对剖面光子点云的去噪和滤波算法研究并不成熟：Awadallah等[13]将主动轮廓模型引入到栅格化的点云影像中,算法通过对栅格影像进行整体和局部像元信息的分析迭代,泛函分析使曲线能量最小化,结果表明,该方法能较好地包络出包含植被和地形的信息点,但栅格化的过程会损失部分点云信息。Herzfeld等[14]提出了一种基于频数直方图分析的算法,该方法在美国SERC林区通过对光子点云数据进行高噪声模拟,然后在从模拟数据中分离出地面点、植被点和噪声点。Zhang等[15]提出了一种基于改进的椭圆搜索形状的DBSCAN密度聚类算法,对于MABEL数据和不同地形下的模拟数据取得了较好的结果。Gwenzi等[16]针对稀疏植被地区采用了一种基于点云高程统计的密度切割方法。Nie等[17]利用2种光子点云数据成功估测了森林的树冠高度。
上述研究大多是基于非监督分类的思想进行点云数据的滤波工作,而很少有通过特征构造并结合监督分类的相关算法进行光子点云数据信号光子点的提取,由于机器的学习方法在机载和地面激光雷达点云分类中得到了大量应用并取得了较好的结果[18],因此本文针对现有的光子点云的数据特点,提出了一种基于机器学习随机森林分类器的光子点云滤波方法,以实现对光子点云数据进行森林信号和噪声点的分离。

2 研究区概况、数据源与研究方法

2.1 研究区概况

本文选取了美国俄勒冈州和弗吉尼亚州的2个MABEL机载试验飞行区域为研究区,其中弗吉尼亚州研究区为较复杂地形、中等植被覆盖度的森林,俄勒冈州研究区为低植被覆盖度的平坦地形条件。

2.2 数据源

本文的研究数据源为MATLAS植被模拟数据,其是参照星上ATLAS系统的参数配置对机载MABEL飞行数据进行模拟仿真,是目前能公开获取的最接近卫星实际情况的数据。同时NASA为MATLAS数据产品提供了信号和噪声的官方分类结果,本文在后续的信号和噪声的检测结果精度评价中也使用了该分类标签作为精度验证的参考数据。图1为俄勒冈州研究区的MATLAS数据,其沿轨距离为4 km,从图中可看出其地形起伏较大,噪声分布范围从大气一直到地表以下。
Fig. 1 MATLAS data with high noise rate on complex terrain surfaces （Oregon site, US）

图1 强噪声复杂地形的MATLAS数据（美国俄勒冈州）

图2为弗吉尼亚研究区的MATLAS数据,其沿轨距离为12 km。从图中可看出,其地形起伏较平缓,噪声比俄勒冈州的MATLAS数据低一些。
Fig. 2 MATLAS data with low noise rate on flat terrain surfaces （Virginia site, US）

图2 弱噪声平坦地形区的MATLAS数据（美国弗吉尼亚州）

2.3 研究方法

2.3.1 技术流程
本文采用的技术流程（图3）为：① 对光子点云数据按照沿轨距离进行投影;② 然后根据光子点云数据的特点进行特征构造和提取;③ 在此基础上对所构造的特征利用随机森林变量重要排序的结果按照贡献度的大小进行变量筛选,选择贡献度最高的3个变量进行基于机器学习的光子点云分类; ④ 在每个研究区分别选择不同数量的样本进行随机森林模型的构建并讨论样本数量对最终结果的影响,随后将建立好的模型推广到整个研究区; ⑤ 最终将分类结果和NASA官方产品的分类结果进行比较和精度评价。
Fig. 3 Flowchart of the photon-counting LiDAR point clouds filtering algorithm based on random forest

图3 基于随机森林的光子计数激光雷达点云滤波的总体流程

2.3.2 光子点云特征构造
光子点云的特征构造主要参考小光斑激光雷达点云特征和光子点云自身的特点。表1为构造的12个光子点云特征,主要包括：光子点云的沿轨距离,点云高度,10 m窗口范围内每个点与窗口内全部点高度偏度、峰度、均值、中值以及不同的高度分位数的差,光子点的K临近距离（K=3）以及每个点分别与2类时的各自的K-means聚类中心的距离。其中dist.mean是指以每10 m为移动窗口,该窗口范围内每个点与窗口内全部点高度均值的差,与此类似,dist.mean、dist.median、dist.p10、dist.p25、dist.p50、dist.p75、h.kurtosis和h.skewness分别为与该窗口范围内全部点高度中值、高度分位数、偏度和峰度的差。kNNdist3（光子点的K临近距离）是当K值为3时每个点与其领域范围内其他点的KNN（K-Nearest Neighbor）距离值（圆形搜索区域）。dist.kmeans是指当K值为2时（即2个聚类中心）,每个点分别与各自对应的K-means聚类中心的距离。
Tab. 1 Features of the photon point clouds

表1 激光雷达光子点云特征

编号 特征名称 特征定义 编号 特征名称 特征定义
1 h 光子点云高度 7 dist.p75 10 m窗口范围内每个点与窗口内全部点75%高度分位数的差
2 dist.mean 10 m窗口范围内每个点与窗口内全部点高度均值的差 8 h.kurtosis 10 m窗口范围内每个点与窗口内全部点高度峰度的差
3 dist.median 10 m窗口范围内每个点与窗口内全部点高度中值的差 9 h.skewness 10 m窗口范围内每个点与窗口内全部点高度偏度的差
4 dist.p10 10 m窗口范围内每个点与窗口内全部点10%高度分位数的差 10 dist 光子点云的沿轨距离
5 dist.p25 10 m窗口范围内每个点与窗口内全部点25%高度分位数的差 11 kNNdist3 光子点的K临近距离（K=3）
6 dist.p50 10 m窗口范围内每个点与窗口内全部点50%高度分位数的差 12 dist.kmeans 每个点分别与2类时的各自的K-means聚类中心的距离
在训练随机森林分类器之前需要进行变量筛选,本文利用随机森林变量重要排序的结果,按照贡献度的大小选择贡献度最高的3个变量。之所以选择变量贡献度最高的3个变量进行模型构建主要是因为需要筛选稳定靠前的变量,同时尽可能少的变量保证较高精度,保证模型的泛化能力。
2.3.3 精度评价
本文通过计算混淆矩阵的相关精度指标定量地评价分类结果。选用的验证参考数据为MATLAS数据提供的官方分类标签。对于每一个分类结果,通过混淆矩阵得到分类结果的总精度（Overall Accuracy,OA）、Kappa系数（Kappa coefficient）,以及该分类结果中每一类别的用户精度（User Accuracy,UA）、生产者精度（Producer Accuracy,PA）。本文将基于这些精度评价指标,定量的评价基于随机森林分类器的光子点云的分类精度。

3 结果及分析

3.1 实验区分类特征的构造

图4为俄勒冈州研究区基于随机森林的变量重要性排序结果。可以看出,排名前五位的变量分别是：kNNdist3（光子点的K临近距离）、dist.median（10 m窗口范围内每个点与窗口内全部点高度中值的差）、dist.p50（10 m窗口范围内每个点与窗口内全部点50%高度分位数的差）、dist.p25（10 m窗口范围内每个点与窗口内全部点25%高度分位数的差）和dist.mean（10 m窗口范围内每个点与窗口内全部点高度均值的差）。
Fig. 4 Variable importance ranking based on random forest （high noise rate on complex terrain surfaces）

图4 基于随机森林的重要性排序（强噪声复杂地形区）

图5为弗吉尼亚研究区基于随机森林的变量重要性排序结果,可以看出排名前五位的变量分别是：kNNdist3（光子点的K临近距离）、h.kurtosis（10 m窗口范围内每个点与窗口内全部点高度峰度的差）、 h.skewness（10 m窗口范围内每个点与窗口内全部点高度偏度的差）、h（光子点云高度）和dist.median（10 m窗口范围内每个点与窗口内全部点高度中值的差）。
Fig. 5 Variable importance ranking based on random forest （low noise rate on flat terrain surfaces）

图5 基于随机森林的重要性排序（弱噪声平坦地形区）

从以上结果可看出,光子点的K临近距离在 2个研究区的变量重要性排序中具有绝对的重要性,其贡献度均超过20%,说明K临近距离可以很好地表征不同类别的光子在空间上的聚类分布情况。同时,dist.mean（每个点与全部点高度均值的差）和dist.median（每个点与全部点高度中值的差）也均排名也比较靠前,反映出虽然整体噪声水平较高,但是信息点的中心仍然偏向于中心统计变量,如整体的均值和中值。

3.2 机器学习分类结果

图6为俄勒冈州研究区训练样本的分布图,我们一共较均匀地选取了200个涵盖噪声和信号的样本点。利用此前特征筛选的结果选择贡献度最大的前3个变量对200个样本光子点进行训练构建随机森林分类器,最后将构建的分类器应用到全部42 353个光子点上。
Fig. 6 Distribution of the training samples with high noise rate on the complex terrain surfaces

图6 强噪声复杂地形区训练样本分布

强噪声、复杂地形研究区,4 km沿轨距离的 42 353个光子点的整体分类结果如图7（a）所示,可以看出我们构建的随机森林分类器取得了较好的效果。图7（b）显示了其中1000 m长沿轨距离的局部放大显示图,可以看出噪声和信号光子均得到了准确的判定。
Fig. 7 Random forest classification result of the complex terrain surfaces with high noise rate （Oregon site, US）

图7 强噪声复杂地形区基于随机森林的点云分类结果（美国俄勒冈州）

图8为美国弗吉尼亚研究区训练样本的分布图,本文同样也选取了200个涵盖噪声和信号光子的样本。
Fig. 8 Distribution of the training samples with low noise rate on the flat terrain surfaces

图8 弱噪声平坦地形区训练样本分布

在此基础上,利用特征筛选的结果构建随机森林分类器并应用到全部54 215个光子点上,其分类结果如图9所示,可看出随机森林算法依然较准确地识别了长度近12 km条带上的全部光子点云数据。
Fig. 9 Random forest classification result of the flat terrain surfaces with low noise rate （Virginia site, US）

图9 弱噪声平坦地形区基于随机森林的点云分类结果（美国弗吉尼亚州）

由图7和图9可看出,本文构建的随机森林分类器不仅在相对平坦的地区取得了较好的效果,在地形起伏较大的复杂区域也有很好的识别效果。同时,不仅对于4 km范围内的数据能有很好的分类,对于近12 km范围的数据也能做出较好的分类。

3.3 精度评价

本文对俄勒冈州和弗吉尼亚州的随机森林分类结果同NASA给出的官方数据分类标签进行了精度评价。表2为分类结果精度评价表,其中PA表示生产者精度,UA表示用户精度,OA表示分类结果的总精度,Kappa表示Kappa系数。可以看出对于俄勒冈州研究区,其分类总精度为98.43%,Kappa系数为0.97,噪声和信号的生产者精度分别为98.4%和99.6%,噪声和信号的用户精度分别为99.8%和97.1%;对于弗吉尼亚研究区,其分类总精度为95.14%,Kappa系数为0.90,噪声和信号的生产者精度分别为96.1%和94.3%,噪声和信号的用户精度分别为93.9%和96.4%。
Tab. 2 Accuracy assessment of signal photons classification

表2 信号光子点分类结果精度评价

研究区 总光子数/个 噪声光子数/个 信号光子数/个 信噪比 类别 PA/% UA/% OA/% Kappa系数
俄勒冈州 42 353 27 203 15 150 0.56 噪声 98.4 99.8 98.43 0.97
信号 99.6 97.1
弗吉尼亚 54 215 25 755 28 460 1.11 噪声 96.1 93.9 95.14 0.90
信号 94.3 96.4
均值 97.1 96.8 96.79 0.94
总体而言,随机森林分类器取得了很好的分类结果,就二者的平均统计指标而言,分类总精度为96.79%,Kappa系数为0.94,平均生产者精度和用户精度分别为97.1%和96.8%。显示出本文采用的基于构造光子特征变量结合随机森林分类器的方法,对于光子数据植被信号提取具有较好的效果。
以上为本文选择200个样本时的分类结果,选取的样本数量还不足总光子点数的0.5%（分别为0.47%和0.37%）。为了进一步定量评价选择的样本数量与最终分类结果精度的关系,从4个样本点开始,直到5000个样本点,分别独立地对不同样本数量情况进行随机森林分类器的构建并进行精度评价。
图10展示了弗吉尼亚研究区分类精度随着选择样本数量的变化情况图。可以看出,在开始样本点较少的情况下,其总精度较低,同时Kappa系数在0.4以下,说明了此时构建的分类器不稳定。随着样本数量的增加,无论是分类精度还是Kappa系数都显著增加。当样本点为200时基本达到稳定,之后呈现出饱和的趋势,即随着样本点数从200增加到5000的过程中,其相关的精度指标并没有显著的变化。这说明对于光子点云数据而言,基于小样本数据进行机器学习分类器的构建具有一定的可行性。
Fig. 10 Sensitivity of the classification result of the Virginia site with regard to different numbers of samples

图10 弗吉尼亚研究区分类精度随选择样本数量的变化情况

4 讨论

从对12个光子点云特征筛选的结果可以看出,kNNdist3（光子点的K临近距离）和h.kurtosis（每个点与全部点高度峰度的差）均排名位于第一和第二,具有较大的贡献度,尤其是光子点的K临近距离在变量重要性排序中所占比重最高,分别超过了30%和20%。峰度反映了点云高度分布统计图的尖度,从原始数据图上可以看出,虽然噪声光子数量巨大且分布范围从地上1000 m到地下500 m的整个范围,但是信号光子分布于地表且比较集中。因此距离峰度的远近可以在一定程度上表征信号和噪声光子的区别。同时,通过变量重要性还发现,dist.mean（每个点与全部点高度均值的差）和dist.median（每个点与全部点高度中值的差）也均排位较靠前,也反映出到统计中心的距离远近可以一定程度上描述信号光子的分布特点。
从随机森林分类器的分类结果可以看出,我们仅使用了3个特征,200个人工选择的样本就得到了比较好的分类结果。仅选择变量贡献度最高的3个变量主要是为了尽可能少的变量保证较高精度,保证模型的泛化能力。该分类器不仅对相对弱噪声、平坦地形能取得较好的分类结果,同时对于强噪声、复杂地形的光子数据也能有较好的分类结果。本文测试了4 km范围内的42 353个光子点,同时也测试了12 km范围内的54 215个光子点,表明该分类器也适用于不同的点密度条件。研究结果表明,通过提取光子特征变量来构建随机森林分类器的方法对光子数据植被信号提取具有较好的效果。
进一步的定量评价结果显示,分类结果同NASA给出的官方分类标签的一致性较好。2个研究区的平均分类总精度为96.79%,Kappa系数为0.94,平均生产者精度和用户精度分别为97.10%和96.80%。可以看出,各项评价指标均超过了90%,显示出本文构建的随机森林分类器能很好地从噪声点中识别出信息点。样本数与分类精度关系的定量分析表明,随着样本数量的增加,分类精度也在逐渐增加,当样本数量超过200以后,总体精度和Kappa系数并不再随着样本数量的增加而显著增加,呈现饱和态势,显示出利用小样本光子数据构造机器学习分类器在光子点云分类中的潜在应用潜力。
目前主流的光子去噪算法还是以非监督分类的算法为主,而本文提出的基于机器学习的方法是对监督分类算法的尝试。主流光子去噪算法在 进行算法精度评价时是以可靠的参考数据（如官方的分类标签或人工分类的结果）进行精度分析,因此本文也是通过对比可靠的验证数据（即NASA的分类标签）来进行的精度验证。相对于采用点云 栅格化进而转化为计算机图形学的方法[13]而言,本文提出的方法直接利用点云信息,避免了转化过 程中的精度丢失问题。对比其他的非监督分类方法[14-15,19],本文提出的方法可以以较少的训练样本获得较好的精度结果,不需要进行非监督分类中的参数调优的过程,且一个地区训练得到的模型可以通过对已有模型继续输入新的训练样本来获得一定的推广性。

5 结论

本文提出了一种基于机器学习的光子点云分类方法。首先,根据光子点云数据的特点构造了12个光子点云特征,对所构造的特征利用随机森林进行变量筛选;然后,选择重要度最高的3个典型特征结合人工选择的样本点,采用机器学习的方法对光子点云进行分类,并将建立好的模型推广到整个研究区;最后将随机森林分类结果和NASA官方产品的分类结果进行比较和精度评价。研究结果表明：
（1）本文构造的光子特征中,光子点的K临近距离在2个研究区的变量重要性排序中具有较高的重要性,其贡献度均超过20%。
（2）从2个研究区的随机森林分类结果可以看出,使用少量的样本进行模型训练再推广到大面积区域取得了很好的效果,同时对不同噪声水平和不同地形条件下都有着很好的结果。
（3）相关的定量评价也显示出分类结果同NASA给出的官方分类标签具有很好的一致性,各项指标均超过了90%,显示出基于少量样本通过机器学习的方法进行较大区域的光子点云分类的研究价值。
今后将继续构建新的特征参数变量,如考虑不同地形条件下光子点云的均一化,以及同非监督分类算法和不同机器学习方法之间模型的差异性和推广性。同时,也会考虑对已有的分类类别进行细化（如进一步分离出地面光子点和植被冠层顶部光子点等）,实现对光子点云的精细分类。

The authors have declared that no competing interests exist.

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