精準(zhǔn)林業(yè)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)

王婷 張稷 張蓮 張一茹 李達(dá)

摘 要：采用三維激光掃描系統(tǒng)進(jìn)行精準(zhǔn)林業(yè)監(jiān)測(cè)，通過(guò)配套軟件對(duì)冠下徑、冠下高、冠長(zhǎng)、胸徑、任意處直徑等林木測(cè)量參數(shù)進(jìn)行測(cè)量，編程實(shí)現(xiàn)樹(shù)冠體積和表面積、樹(shù)干材積監(jiān)測(cè)計(jì)算，對(duì)于精準(zhǔn)林業(yè)監(jiān)測(cè)具有重要參考意義。

關(guān)鍵詞：三維激光掃描;點(diǎn)云;精準(zhǔn)林業(yè)監(jiān)測(cè)

1精準(zhǔn)林業(yè)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本文主要研究應(yīng)用三維激光掃描系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)林業(yè)監(jiān)測(cè)，技術(shù)路線(xiàn)如下：三維激光掃描系統(tǒng)設(shè)站、分站掃描目標(biāo)樹(shù);進(jìn)行點(diǎn)云匹配、剔除干擾點(diǎn);利用三維激光掃描儀配套軟件直接測(cè)量樹(shù)高、樹(shù)干直徑和樹(shù)冠冠長(zhǎng)、冠幅、冠下徑等測(cè)樹(shù)參數(shù);編程實(shí)現(xiàn)樹(shù)干體積、樹(shù)冠體積與表面積的自動(dòng)監(jiān)測(cè)計(jì)算。

2 樹(shù)高、冠長(zhǎng)、冠下高、冠下徑、胸徑、任意處直徑等參數(shù)的監(jiān)測(cè)

應(yīng)用三維激光掃描系統(tǒng)掃描結(jié)束后，采用配套軟件經(jīng)過(guò)匹配的點(diǎn)云有很多干擾點(diǎn)，在對(duì)照草圖的基礎(chǔ)上剔除干擾點(diǎn)，得到樹(shù)木點(diǎn)云數(shù)據(jù)。得到的樹(shù)木點(diǎn)云圖為儀器本身坐標(biāo)系，需要轉(zhuǎn)化為適合用戶(hù)的用戶(hù)坐標(biāo)系。轉(zhuǎn)化的方法為：應(yīng)用配套軟件在選圖模式中在點(diǎn)云圖上沿著樹(shù)干選擇三個(gè)點(diǎn)，然后建立用戶(hù)坐標(biāo)系，并且保存。要進(jìn)行胸徑，任意處直徑，樹(shù)高，冠長(zhǎng)，冠幅，冠下高，冠下徑等數(shù)據(jù)測(cè)量需要設(shè)立參考平面，參考平面為與樹(shù)干相切的平面，它的原點(diǎn)在用戶(hù)坐標(biāo)系的原點(diǎn)，長(zhǎng)度可以根據(jù)樹(shù)高來(lái)設(shè)定。在參考平面上沿著樹(shù)干繪制三維多斷線(xiàn)，根據(jù)樹(shù)高設(shè)置向上的距離。測(cè)量結(jié)果可以顯示在模型空間中，也可以以文本文件輸出。

3 樹(shù)干材積監(jiān)測(cè)

3.1樹(shù)干材積監(jiān)測(cè)模型設(shè)計(jì)

樹(shù)干材積的計(jì)算可采用區(qū)分求積的方法。將樹(shù)木根部到胸徑處作為一段，材積按圓臺(tái)體積公式計(jì)算。胸徑（地面上1.3m處）以上按每2m或1m一段進(jìn)行分段，體積按圓臺(tái)體積計(jì)算公式計(jì)算，具體按多少長(zhǎng)度進(jìn)行分段視具體情況而定。不足2m或1m長(zhǎng)的末端作為一段，體積按圓錐體體積計(jì)算公式計(jì)算。

3.2 樹(shù)干材積監(jiān)測(cè)計(jì)算

以徑階為12cm的油松為例，樹(shù)高和直徑已經(jīng)在掃描的點(diǎn)云上直接量取，記入文本文件。首先按“打開(kāi)文件”鍵，輸入樹(shù)高和直徑數(shù)據(jù)，樹(shù)干的示意圖顯示在窗體左側(cè)，樹(shù)高和直徑數(shù)據(jù)顯示在窗體右側(cè)，其中也顯示了梢頭數(shù)據(jù)，然后按“樹(shù)干的體積”鍵，樹(shù)干的體積顯示在窗體右側(cè)，如圖1所示。

4 樹(shù)冠體積與表面積監(jiān)測(cè)

4.1樹(shù)冠體積與表面積監(jiān)測(cè)模型設(shè)計(jì)

把樹(shù)冠看成小圓臺(tái)組成的立體，求出每個(gè)小圓臺(tái)的體積和表面積，然后對(duì)它們求和，就可以計(jì)算出整個(gè)樹(shù)冠的體積和表面積。采用的方法是在經(jīng)過(guò)處理的點(diǎn)云圖上測(cè)量單木任意一個(gè)剖面邊緣的特征點(diǎn)的坐標(biāo)，用三次樣條法擬合這個(gè)剖面;然后在此剖面順時(shí)針旋轉(zhuǎn)一定角度的方向上再測(cè)量一個(gè)剖面的特征點(diǎn)的坐標(biāo)，同樣擬合剖面，一共測(cè)量6個(gè)剖面。

4.2樹(shù)冠體積和表面積監(jiān)測(cè)計(jì)算

圖2是軟件的主界面，在此軟件中首先要按“插值”鍵，出現(xiàn)如圖3的界面，在此界面中首先依次輸入6個(gè)剖面的文件和此剖面要統(tǒng)一到一個(gè)坐標(biāo)系統(tǒng)需要旋轉(zhuǎn)的角度，并依次對(duì)此進(jìn)行三次樣條曲線(xiàn)模擬，模擬曲線(xiàn)以后，下面的一個(gè)剖面文件框會(huì)顯示此剖面的文件路徑和名稱(chēng)——只有框里出現(xiàn)剖面的文件路徑和名稱(chēng)，才能說(shuō)明此剖面已經(jīng)擬合。而只有這6個(gè)剖面的文件全部打開(kāi)并且都進(jìn)行了曲線(xiàn)擬合，主界面中的“顯示圖形”鍵才能使用，也只有6個(gè)剖面進(jìn)行了插值才能求出表面積和體積。這6個(gè)剖面雖然分別旋轉(zhuǎn)一定的角度，但是這些角度值有一定的規(guī)律，依次遞增。當(dāng)6個(gè)剖面都擬合以后，就可以對(duì)剖面進(jìn)行插值運(yùn)算了。當(dāng)插值運(yùn)算完畢，分別點(diǎn)擊此按鈕得到此樹(shù)的體積和表面積。

5 結(jié)論

本文研究三維激光掃描系統(tǒng)在林木測(cè)量中的應(yīng)用，設(shè)計(jì)方案實(shí)現(xiàn)了基本林業(yè)參數(shù)的精準(zhǔn)監(jiān)測(cè)，對(duì)于林木測(cè)量的發(fā)展具有重要意義，得出如下結(jié)論：

1、利用三維激光掃描軟件，直接在點(diǎn)云圖上量測(cè)樹(shù)高、冠長(zhǎng)、冠下高、冠下徑、胸徑、任意處直徑等林木測(cè)量參數(shù)。

2、實(shí)現(xiàn)了樹(shù)干材積、樹(shù)冠體積與表面積的監(jiān)測(cè)計(jì)算。計(jì)算的樹(shù)冠體積和表面積仍然會(huì)有誤差，產(chǎn)生誤差的主要原因是測(cè)量的剖面數(shù)量偏少，擬合的閉合曲線(xiàn)與現(xiàn)實(shí)中橫截面截取的閉合曲線(xiàn)有差異，造成截面面積偏差。

參考文獻(xiàn)

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