基于地面三維激光掃描技術的單木信息提取

王濤 范廣順 凌王章

摘要：近些年激光測量技術不斷普及，在森林資源調查、單木三維建模等方面三維激光掃描技術具有十分突出優勢，目前三維激光掃描技術在林業測量等領域有著廣泛的應用，為林業工作者提供了全新的測量手段，簡化了復雜的外業工作。本文主要采用地面三維激光掃描儀，采集單木點云信息，構建單木點云模型，對單木信息進行測量和提取。

Abstract： In recent years， laser measurement technology has been popularized， which has outstanding advantages in forest resources investigation， single tree 3D modeling and other aspects. At present， 3D laser scanning technology has a wide range of applications in forestry measurement and other fields， providing a new measurement method for forestry workers， simplifying the complex field work. In this paper， three-dimensional laser scanner on the ground is used to collect the single wood point cloud information， build a single wood point cloud model， and measure and extract the single wood information.

關鍵詞：三維激光掃描;點云;單木

Key words： 3D laser scanning;point cloud;single wood

中圖分類號：TU723.3? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1006-4311（2020）02-0279-03

0? 引言

林業測量能夠反映森林資源變化，是森林資源調查的關鍵內容。以往的林業測繪基本采用皮尺和鋼卷尺測量單木的信息，該方法作業周期長、效率低、勞動強度大，測量精度不高，數據簡單，只能通過經驗公式推算材積、樹冠體積等測樹因子。隨測量技術的不斷發展，出現了利用全站儀和攝影測量等方法，但這些方法都有一定的局限性，對樹木只能進行二維分析[1-2]。三維激光測量，不與目標物接觸，是通過發射高速激光測量反射目標的回波信號，利用回波形成的點云獲取目標物的表面信息。本文主要利用X500三維激光掃描儀獲取單木點云信息，再通過附帶點云處理軟件提取樹高、胸徑、冠幅等林木測量因子，為林木材積、樹面積與體積的測定提供更全面的精準數值，有利于林木科研工作者對林業資源進行更深入探索研究[3-4]。

1? 單木點云數據獲取與處理

1.1 單木點云數據獲取

地面三維激光掃描技術采集樹木點云數據的具體操作：①布設標靶。兩個相鄰測站之間的標靶放置三個及以上，布置在不同高度上，保證不同掃描站數據最后坐標系的統一;②布設掃描站。在數據采集過程中，通過現場合理布設測站點，盡量保證數據采集范圍內較少遮擋;③點云數據采集。在測站點上架設X500三維激光掃描儀，設置掃描角度，對單木進行掃描[5]。

1.2 單木點云數據處理

由于地面三維激光掃描儀一般以掃描儀幾何中心為坐標原點采集點云數據，屬于局部坐標系。本文通過在研究區域布置八個靶球，利用高精度全站儀測量其絕對坐標，借助X500隨機附帶的點云處理軟件計算各站間點云的轉換參數，完成各站點云的拼接。再對拼接后的研究區域整體點云進行去噪、抽希，使研究區域地上部分的最低點歸到統一的高度，如圖1所示，再對其進行點云分割，提取桿狀物，如圖2所示。

2? 單木參數提取

2.1 胸徑提取

單木胸徑的提取算法與標準采用霍夫變換方法類似[6]，圓的一般參數方程為：

以（a，b，r）為空間坐標軸構建坐標系，坐標系中的任一點（xi，yi）都有與該點所一一對應的一個圓錐面?；舴蜃儞Q檢測圓的對應點在空間坐標系中示意圖如圖3所示。假如所有的點都屬于同一個圓，那么它所形成的圓錐簇便會相交于空間坐標系中的某一點（a0，b0，r0），所形成的交點是該圓在空間平面上的圓心和半徑。

霍夫變換檢測圓在檢測時是輸入二維圖像，因此在進行樹木胸徑自動提取時，必須先對研究區域樹木點云進行切片，再將獲取的點云數據層轉變變成二維圖像[7]。本文根據前面學者的研究成果，將點云數據的切片厚度定為5cm，采用平面切割工具，沿豎軸選擇樹高1.3m處進行單木胸徑切片，如圖4所示。

形成單木胸徑點云切片后，將胸徑點云導入Matlab，制作柵格影像，柵格影像灰度值是由（1cm×1cm×5cm）范圍內所包含的采樣點的數量決定，如果采樣點的數量大于3個，就將此柵格單元的灰度值定為255，如果采樣點的數量小于等于3個，則該柵格單元值設為0。然后將經過二值化后的柵格影像輸入程序中，采用霍夫變換檢測圓的方法確定樹木的坐標和胸徑。在檢測過程中要設置閾值，如果閾值過大，空間中低頻率的點會被刪除，這將就會造成某些數目不能被識別出來。但是閾值如果設置過小，將會保留大量的點云數據，將造成研究區域中不存在的樹木被錯認為樹木，圖5為監測到的圓形。

2.2 樹高量算

以往的測樹過程中，當高度大于2m時，雖然可以采用測高儀進行測量，但是樹的根部和頂部很難同時看到，本文采用激光掃描技術可有效地減小這種測高誤差。為了快速獲取樹木基本信息，直接使用軟件進行樹高的測量，只保留樹冠部分的點云數據，直接測量冠高和冠幅[8]，如圖6。

3? 結論

本文采用地面三維激光掃描儀獲取單木點云數據，采用霍夫變換檢測圓的算法對單木胸徑點云進行處理，獲取單木胸徑信息，單木的高度、冠高和冠幅等信息采用直接測量法獲取其信息，與傳統的林業測量調查方式相比，采用三維激光掃描技術效率高、可隨時查驗。但是本文在處理單木點云的過程中也出現了一些問題，如研究區樹木間距過小、雜物遮擋等，造成部分樹木胸徑切片時點云數據較少，難以有效識別樹木胸徑截面不同方向上的差異，從而影響最終提取的精度，還有就是對于單木的高度、冠高和冠幅等信息沒有完成計算機自動提取。后期將進一步結合無人機傾斜模型進行研究，完善單木信息提取算法。

參考文獻：

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[8]劉芳，馮仲科，楊立巖.等.基于三維激光點云數據的樹冠體積估算研究[J].農業機械學報，2016，47（3）：328-333.