帽兒山老爺嶺野外實習路線的三維數字化

蘇健民，劉人碩，高輝，郭永雙，邱兆文

（東北林業大學信息與計算機工程學院，哈爾濱150040）

帽兒山老爺嶺野外實習路線的三維數字化

蘇健民，劉人碩，高輝，郭永雙，邱兆文

（東北林業大學信息與計算機工程學院，哈爾濱150040）

使用三維數字化技術對帽兒山老爺嶺野外實習路線進行三維掃描，獲取三維點云數據，然后將實習路線的點云數據進行數字化，實現實習路徑的虛擬漫游。該方案代替了傳統的野外實習方法，取得了良好的效果。研究結果表明：三維數字化技術在模擬林業信息方面具有較好的效果，在科學研究和教育實習方面有良好的應用前景。

三維掃描；數字化；點云；虛擬漫游

帽兒山國家森林公園境內的天然次生林、人工林、森林濕地、溪流、草地及農林交錯帶等生態系統不僅面積較大，而且在東北地區具有很強的典型性和代表性。該地區屬溫帶大陸性季風氣候，四季分明，可依據季節特點開展不同內容的生物學野外實習。帽兒山老爺嶺生態站是國家科技部首批野外科學觀測研究站之一，主要植被類型是闊葉紅松林經過不同程度的干擾后形成的東北東部山區典型的溫帶天然次生林，林中分布著胡桃楸、水曲柳和黃檗等重要保護樹種，以及紫椴、色木槭等經濟樹種。林區內動植物種類豐富，適合開展植物學、生態學等多學科野外實踐教學。

隨著信息技術的不斷發展，涌現了大量的新興技術［1］，其中的三維數字化技術具有良好的實用價值和應用前景，解決了現實中對物體細節紋理處理不精細的難題，可詳盡地還原物體的形狀與外貌。本文使用三維數字化技術對帽兒山老爺嶺實習路線進行建模［2］和虛擬化［3］，將森林公園制作成一個虛擬的可用來展示的真實模型［4］，學生可在計算機上自由查看實習路線上的林木形態、植被的生長地理環境、植物的種類等信息，使學生告別傳統的實習方法。如何使用虛擬現實［5］的教學手段充分利用老爺嶺豐富的林業資源是本文的研究重點。

1　三維激光掃描系統原理

三維激光掃描系統作為測繪界的一項技術革新，在簡化繁雜的工作程序的同時豐富了測繪的效果，極大地提高了測量效率和準確率。它由三維激光掃描儀、計算機、電源供應系統、支架以及配套的軟件構成。三維激光掃描系統圍繞三維數據和激光信號［6-9］這兩個特性進行物體數據的測量，其工作過程是不斷地重復發出激光信號，然后將反射回來的光學信號收集起來。這些激光信號由具有分辨率的空間點構成，將這些點匯集起來，就得到測量物體的表面色彩和三維數據信息。

激光測距技術是三維激光掃描儀的主要技術，激光測距技術［10］的4種不同方法是基于脈沖測距法、相位測距法、激光三角法和脈沖-相位式測距法。目前，大型測繪領域使用基于脈沖的測距方法，小型物體近距離使用的掃描儀則采用相位干涉法［11］和激光三角法。

相位式掃描儀發射一束不間斷的整數波長的激光，通過計算物體反射的激光波的相位差來計算和記錄目標物體的距離。基于相位測量原理［12］，其掃描范圍通常在100 m之內，精度可達到毫米級，所以相位式掃描儀主要用于中等距離的掃描測量系統中。由于帽兒山實習路線三維數字化需要較高的精度來虛擬展示植被的紋理細節，所以使用相位干涉法進行掃描。

2　三維激光掃描儀

目前最具代表性的三維激光掃描儀生產公司有瑞士的Leica公司、美國的Trimble公司和FARO公司。本研究使用Trimble TX5三維激光掃描儀，后期處理采用Trimble RealWorks三維后處理軟件。儀器的具體參數見表1。

表1Trimble TX5參數設置

3　實例研究

本研究的目標是在特定季節將實習路線完整如實地記錄下來，然后結合軟件操作將得到的數據進行數字虛擬化以供教學展示使用。使用三維激光掃描技術記錄林場信息同傳統記錄方式相比有著極大的優勢，測繪人員可在不破壞當地稀有植被的情況下完成對數據的記錄工作，并可根據對精度的需求自行調節工作的效率，降低了對人員配置的需求。帽兒山老爺嶺三維數字化的具體實驗內容包括：

1）準備工作

首先，根據項目需求確定老爺嶺實習路線需要掃描的距離、在掃描路線上需掃描站點的大概位置及數量、在掃描站點記錄的植被范圍。然后，進行詳細勘查以確定待掃描測站的具體位置和掃描所需標靶的安放位置。當待測物體體積過大而無法一次性掃描時，掃描所得的數據將面臨拼接處理，這就涉及拼接特征點的選取，故為了數據拼接的準確性需要人為地設置球型標靶。之后，架設三維掃描儀選取合適的參數配置，結合掃描站點與站點之間的距離以及每一站所掃描的范圍確定分辨率的大小。由于儀器電源為蓄電池，受電量不可持續的限制，故選擇中等的分辨率，這樣可以保證整個實習路徑掃描的效率，并減少后期數據處理時的工作量。

2）實習路線點云數據獲取

獲取老爺嶺實習路線的點云數據是項目實施過程中最重要的一環。獲取高精度、高質量的點云數據是后續數據處理與實現三維數字化漫游的基礎。使用Trimble TX5三維激光掃描儀進行機載控制，在測站直接進行點云數據的獲取。在獲取樹木點云數據前設置掃描密度為中等，并記錄掃描時對應的高清真彩圖像，以便于后續的數字化建模工作。掃描實習路線數據的過程大致可分為以下3個步驟：

步驟1配置儀器。主要完成掃描儀的準備工作，例如安裝電源電池、連接儀器、安放掃描儀、固定掃描儀位置等。準備工作耗時較少。打開掃描儀后對掃描儀參數進行設置，包括工程文件名、文件保存位置、掃描范圍、分辨率、標靶類型等。

步驟2進行掃描。在掃描過程中可以查看植被三維數據的掃描進程，如果出現不清晰、光線變化跨度大等問題則需要及時修正或停止掃描。掃描結束后檢查獲得的植被數據，如果不合規格則重新進行掃描。做好整個掃描進程的觀測記錄。

步驟3更換觀測站掃描。結束當前觀測站的掃描后，檢查無誤便可進行下一觀測站的掃描任務，此時重復前兩個工作步驟。

3）實習路線點云數據處理

采用Trimble RealWorks三維后處理軟件進行點云數據的處理。由于實習路線較長，工作量較大，時間緊張，且精度要求較高，所以使用標靶拼接的方式進行數據拼接，可提高數據處理的速度與精度。將Trimble TX5三維激光掃描儀獲得的帽兒山實習路線點云數據連接Trimble RealWorks后期處理軟件可見，記錄的點云數據形式是黑白色的點云圖像（如圖1（a））。將局部放大看到的則是眾多的點組成的圖像，見圖1（b）。從圖中可以清楚地看到植被的葉片形狀和樹木的枝干細節。

圖1　帽兒山實習路線點云圖像

三維激光掃描儀在掃描過程中會實時地記錄所掃數據的高清圖片，然后將高清圖片上的色彩信息映射到激光點云數據上得到和實物相一致的三維模型（見圖1（c），（d）），并且可以對模型進行隨意的旋轉和放大，觀察植被的紋理細節。

三維點云數據的處理大致可以分成兩個方面：

①數據的配準與優化。數據的配準主要是將點云數據的坐標進行配準，并進行點云數據的拼接。坐標糾正時，通常先使用配對方式進行兩幅圖的坐標轉換，然后在全局范圍內將多個測站的點云數據和標靶點進行組合，最后將整個點云圖坐標糾正到測站所在的真實地理坐標上，完成實際坐標配準［13］。

②點云數據拼接分為3個步驟：首先是標靶拼接，將掃描區域的多個標靶ID精確對應進行拼接；然后是點云拼接，保證點云拼接時有足夠的點云公共部分，并保證公共部分的質量，在重疊的部分找到共用的點，一一對應，完成拼接；最后是控制點的拼接，使用全站儀或GPS技術對公共區域的控制點大地坐標進行記錄，之后采用和標靶拼接類似的方式對點云數據進行拼接，進而將所有點云數據轉換到工程實際坐標系中［14-18］。從圖2可以看到一些白色的圓形斑點，這些斑點就是實際實習路線點云掃描時標靶的放置位置。

圖2　實際實習路線點云掃描時標靶的放置位置

通過標靶位置進行圖像的處理可得到清晰、高精度的模型信息。由于是站點之間的點云數據拼接，在進行數據拼接時也會留下一定的誤差信息，如圖3（a）所示的拼接縫隙對拼接處的植被細節就會產生影響。在掃描點云數據時，由于天氣的原因也會造成站與站之間點云數據光線分布不均勻等問題，進而影響拼接效果，如圖3（b）所示。

圖3　拼接縫隙對拼接處的植被細節影響

圖3（b）中黃色的三角形點是每一次點云數據獲取時的測站位置，雙擊黃色測站點可進行測站之間的轉換。Realworks使用網頁瀏覽器進行操作，可在網頁上實現虛擬漫游。

4）三維數字化模型研究

三維數據不僅可在計算機上虛擬展示，還可將實驗人員掃描的運動過程虛擬化，制作成虛擬漫游展示的視頻。例如圖4就是帽兒山實習路線虛擬漫游的視頻截圖。

圖4　帽兒山實習路線虛擬漫游視頻截圖

4　結束語

目前三維激光掃描技術在林業應用方面還處于探索階段。將三維掃描技術應用于帽兒山老爺嶺實習路線，數字化整個實習路線，在實習教學中實現了虛擬漫游，提高了學生在實地考察時的學習效率。通過對實驗的不斷完善可達到取代野外實習的目的，不僅提高了效率，而且保護了實習區域的生態環境。

實驗中陽光不定時的變化、自然風力的影響、點云拼接時所產生的拼接縫隙等問題限制了三維激光掃描技術在林業方面的應用，這些都是后續研究需要解決的問題。

［1］王芳.三維激光掃描儀在林木測量方面的應用［J］.測繪通報，2011（11）：84-92.

［2］石銀濤，程效軍，賈東峰.三維激光掃描樹木模型在林業中的應用［J］.測繪通報，2012（3）：40-46.

［3］范海英.三維激光掃描數據在林業測量中的處理研究［J］.城市建設理論研究：電子版，2013（2）：29-34.

［4］趙芳，韋雪花，高祥.三維激光掃描系統在建立單株立木材積模型中的研究［J］.山東農業大學學報，2013，44（2）：231-238.

［5］盧康寧，張懷清，劉閩.基于三維激光掃描技術的樹木建模研究［J］.林業實用技術，2012（5）：55-62.

［6］鄭君.基于三維激光掃描技術的單木量測方法研究與實現［J］.北京林業大學，2013（6）：70-76.

［7］高自強，王忠仁.三維激光掃描樹干提取與建模研究［J］.測繪與空間地理信息，2012，35（7）：43-50.［8］李南，邵毅全.激光掃描技術在信息資源數字化進程中的作用［J］.激光雜志，2013（2）：48.

［9］梁麗.激光掃描在筆腔三維重建及測量中的初步應用［J］.激光雜志，2013（2）：59-61.

［10］王玉鵬，盧小平，葛曉天，等.地面三維激光掃描點位精度評定［J］.測繪通報，2011（4）：10-16.

［11］張立富，呂東方，袁明，等.3d激光掃描技術及其在森林測繪中的應用研究［J］.林業機械與木工設備，2011，39（8）：40-46.

［12］蔣定定，王長力，王玉菊.三維激光掃描與虛擬現實技術［J］.電子世界，2012（6）：30-36.

［13］陳良良，隋立春，蔣濤.地面三維激光掃描數據配準方法［J］.測繪通報，2014（5）：80-86.

［14］劉偉樂，林輝，孫華.基于地面三維激光掃描技術的林木胸徑提取算法分析［J］.中南林業科技大學學報，2014（2）：50-56.

［15］劉剛，司永勝，馮娟.農林作物三維重建方法研究進展［J］.農業機械學報，2014，45（6）：32-38.

［16］王傳宇，郭新宇，吳升.基于計算機視覺的玉米果穗三維重建方法［J］.農業機械學報，2014，49（9）：77-82.

［17］謝麗瓊，張曉麗，李明.基于CBERS-02B數據的森林三維綠量測算［J］.西北農林科技大學學報，2014，42（6）：65-72.

［18］蘇喜友，龍潔.木本植物三維可視化生長模型與林業生產［J］.西北林學院學報，2014，22（5）：204-228.

（責任編輯楊黎麗）

Three-Dimensional Digitizing of Field Practice Route at Maoershan Laoyeling

SU Jian-min，LIU Ren-shuo，GAO Hui，GUO Yong-shuang，QIU Zhao-wen
（College of Information and Computer Science，Northeast Forestry University，Harbin 150040，China）

Using the three dimensional（3D）digital technology to scan field practice route of Maoershan Laoyeling，we got the 3D point cloud data.Then we digitized the practice route point cloud data and realized virtual roaming of the practice path.Instead of traditional method of field practice，we obtained good teaching effect.Research shows that the 3D digital technology has a pretty good effect on simulation of forestry information and can bring very good application foreground for scientific research and education practice.

three dimensional scanning；digitization；point cloud；virtual roaming

TP273

A

1674-8425（2015）04-0073-04

10.3969/j.issn.1674-8425（z）.2015.04.014

2015-02-06

黑龍江省留學歸國人員基金資助項目（LC2012C06）

蘇健民（1960—），男，教授，主要從事自動控制、信號與信息處理、三維數字化研究；通訊作者邱兆文（1974—），博士，副教授，主要從事信息檢索、機器學習、三維數字化研究。

蘇健民，劉人碩，高輝，等.帽兒山老爺嶺野外實習路線的三維數字化［J］.重慶理工大學學報：自然科學版，2015（4）：73-76.

format：SU Jian-min，LIU Ren-shuo，GAO Hui，et al.Three-Dimensional Digitizing of Field Practice Route at Maoershan Laoyeling［J］.Journal of Chongqing University of Technology：Natural Science，2015（4）：73-76.