三維激光掃描技術在廣東樹木園景觀可視化重建中的應用

謝繼紅 郭樂東 周宇飛 王振師 付曉玲

摘要：隨著森林管理要求的不斷提高，應用激光雷達和計算機技術建立森林可視化三維實景是實現森林數字化、精細化管理的重要技術手段。為開展森林環境的三維可視化實景重建，該文采用激光掃描技術快速地獲取廣東樹木園森林環境的點云和影像數據，經過對數據的拼接、去噪、配準和匹配著色等處理后，重建了樹木園三維實景，為廣東樹木園的管理和開展自然科普教育、森林旅游提供了真實的森林景觀虛擬環境。

關鍵詞：三維激光掃描;點云數據;可視化;森林景觀重建

中圖分類號：S758.7 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2022）03（a）-0000-00

Application of 3DLaser Scanning Technology in Guangdong TreePark Visual Reconstruction of Forest Landscape

XIE Jihong1，2 GUO Ledong1，2 ZHOU Yufei1，2 WANG Zhenshi1，2FU Xiaoling1，2

（1.Guangdong Academy of Forestry Sciences;2.Guangdong Key Laboratory of forest cultivation， protection and utilization， Guangzhou， Guangdong Province， 510520 China）

Abstract：With the continuous improvement of forest management requirements， the application of laser radar and computer technology to establish forest visualization of 3 d imaging is to realize the digitization and intensification tube forest.This article adopts laser scanning technology to quickly obtain the guangdong trees park forest environment point cloud and image data.After the data splicing， denoising， registration and matching color processing， rebuild the trees park three-dimensional imaging，To the management and development of guangdong trees park science and nature education， forest tourism provides the real forest landscape virtual environment.

KeyWords：3D laser scanning; Point cloud; Visualization;Forest landscape reconstruction

三維激光掃描技術能快速獲取被測物體表面的三維坐標數據，在計算機上經過多站點三維坐標數據融合，形成被測物體完整的三維實景，該技術在基建測量、安防建設和歷史物體保護等三維模型構建方面廣泛應用，特別對建立不規則場景的三維可視化模型有重要作用[1]。森林環境地形復雜，樹木空間分布各異，對林木空間數據采集困難。曹明蘭等人應用傾斜攝影與三維激光掃描相結合開展的森林景觀三維場景建模，其精度和效率都明顯提高[2]。在野外復雜環境下建立三維模型更為困難，舒田等人利用Riegl VZ-400三維激光掃描儀獲取的點云數據經過拼接處理，實現了火龍果園的三維可視化，為虛擬果園管理供參考[3]。三維激光掃描技術能快速獲取物體空間信息的特點，為森林景觀可視化提供了更加有效的數據源和更為快捷的方法。該文采用Riegl VZ-2000地面激光掃描儀對廣東樹木園進行數據采集[4]，通過點云去噪、拼接、配準、配色等，重建了廣東樹木園的三維可視化景觀模型，達到為樹木園的管理和自然科普教育提供更為直觀效果的目的。

1 廣東樹木園概況

廣東樹木園位廣州市天河區，建立于20世紀50年代，是廣東省優良樹木種質資源保存種植基地，種植有各種樹木1 100多種，其中國家、省級保護樹種近百種。園內各種古木參天、千姿百態，已經成為廣州市的天然大氧吧，深受市民和廣大中小學生的喜愛，是集悠閑健身、科普教育于一體的公園，也是省、市、區青少年科普及自然教育基地。因此，應用三維激光掃描技術建立廣東樹木園的三維實景模型，對利用多媒體全方位開展自然科普教育和進一步細化樹木園的科普設施建設都具有重要作用。

2 數據采集

采用RIEGL VZ-2000型三維激光掃描儀，該激光掃描儀具有高精度的激光測距和多回波接收技術，能自動、快速、連續地獲取目標物體表面樣點的三維空間坐標數據，能對實時獲取數的據進行波形數字化分析。RIEGL VZ-2000型三維激光掃描儀的技術性能見表1。在掃描儀的頂部還配有有效像素2000萬的數碼相機，可對周圍景物進行360°的全景拍攝。掃描儀還配有掃描控制和數據處理軟件，可以根據掃描站點環境設置技術參數和對數據進行初步處理。

為獲取森林環境完整的三維信息數據，要建立多個掃描站點進行交叉掃描。在前期現場勘踏的基礎上，利用RIEGL VZ-2000三維激光掃描儀在樹木園內不同位置站點進行掃描（見圖1）。掃描完成后，檢查每個站點的覆蓋范圍，對樹木茂密或遮擋嚴重的區域補充掃描，盡可能獲取詳細的點云數據信息（見圖2），該次共計在樹木公園內建立了21個站點。

3 數據處理

應用RIEGL VZ-2000三維激光掃描儀配套的RiSCAN PRO軟件系統和RiSCA NLIB庫對點云進行處理，通過點云數據的導入、點云數據去噪。把各站點點云數據拼接，完成2D/3D模式下點云的顯示和瀏覽，檢查激光不同照射強度的反射率灰度和不同高程假彩色變化狀態。通過三角網法對模型紋理映射和點云著色，對非目標物體點云采用軟件和手工處理相結合，使組建的森林環境三維可視化更符合實際形態。

3.1 去噪點處理

點云噪點是三維掃描儀在掃描的過程中，由于外界的因素以及掃描儀本身的原因造成的激光點云信息，如煙霧、水汽、行人、車輛和其他因素產生的點云等，這些噪點會嚴重影響森林環境可視化建模效果[5]。對掃描過程中產生的不連續、雜亂的離群噪點，可用RiSCAN PRO軟件的Surface Comparison功能進行刪除，方法是根據離散的點云與目標表面點云之間的距離設置閾值，當距離大于閾值的，即為非目標點云而進行刪除，當距離小于閾值的，則就作為目標點云予以保留。這個功能主要是對煙霧、水汽及其他光點所造成的較為離散的噪點進行刪除。對于行人、車輛或其他物體造成的噪點，則要通過手工進行選擇性刪除。例如：存放在園區內的摩托車，可通過手動選擇雙視角進行選區交叉（交集）的方式，對摩托車點云數據進行精準刪除，并利用其他站點激光掃描所獲取該區域空間的點云信息，還原園區樹木的現實點云特征。噪點的刪除是逐步開展的過程，通過對云點360°的分析，逐漸將非主體點云表面的噪點刪除干凈。

3.2點云拼接

三維點云數據拼接是使用控制點進行點云配準的，在控制網坐標系下進行點云的有效配準，利用拼接軟件在三維坐標體系下進行點云配準和拼接。RieglVZ-2000三維激光掃描儀設有GPS和慣導系統，在掃描中自動記錄站點經緯度和高程坐標，與激光掃描相配套的RiSCAN PRO處理軟件，能把激光掃描儀各站點的點云數據拼接在統一的坐標系下，組成完整的工程文件。當有些站點的點云缺失時，則可以通過人工干預進行配準，把已知點云轉換到控制網坐標下進行匹配和拼接。完成后拼接后，瀏覽查驗是否存在與實景不一致的物體，如掃描到的云霧、人員、車輛等，這些雜點點云可通過濾波清理離群噪點和手動刪除內部物體點云的方法刪除與目標無關的噪點，保存生成新的（.txi或.las）格式文件，導出的數據保存為.xyz 格式。點云自動拼接和手動拼接相結合，其拼接的準精度更高。

3.3點云著色

點云著色是把激光雷達點云與數碼影像進行重組，從而使被掃描物體的表面形成更近于實際的形狀色彩。RISCAN PRO軟件能自動進行數碼相片的合并，使森林場景照片的紋理映射到樹木三維模型上，如樹葉的點云與樹葉影像大小相匹配、樹干表面的點云與樹干影像信息位置的匹配，點云與物體的大小形態重合就越好，說明匹配精度越高，反之，點云與物體會出現分層，影響三維可視化的成像效果。樹木園內往往存在一些激光掃描不到或者無法采樣所產生的空間，應通過手工選擇區域或進行三角劃分，對空洞區域進行處理，使生成的三角形網格和更符合三維輪廓表面，經處理后建立的三維場景精度更高。匹配精度與激光雷達掃描儀的技術性能和掃描距離有關，同一部激光雷達，隨著掃描距離的增大，點云與影像的匹配精度就會降低。

4 可視化生成與應用

通過三維激光掃描、高清攝影等技術從環境中快速地獲取空間信息數據，運用計算機圖像處理輔助通過改變反射率/強度值展示激光視角，以高程著色展示樹木高程信息，采用不同深度色彩展示距離的遠近等，通過機器視覺、動畫、虛擬現實、數字媒體等技術，從而實現對樹木園三維實景模型形成和虛擬再現。激光點云融合后的三維模型的細節清晰，多角度直觀反應了森林地物的真實結構特征，極大展示了樹木園空間結構效果?；诩す鈷呙韬陀嬎銠C處理技術的三維建模減少了大量人工測量、描繪工作，建模效率明顯提高。

運用vault軟件為樹木園三維實環境中設置興趣點，當點擊興趣點時，可鏈接到網絡或數據庫中，該點的有關資料即時在顯示框中顯示出來。同時應用該軟件集成的“無限細節”三維引擎技術為樹木園三維實景提供全息投影演示，使參與者在虛擬森林環境中全方位地進行互動，一起完成演示，產生更為真切的表演效果，促進人與森林環境更為密切接觸[6]。

5 結語

采用RIEGL VZ-2000激光掃描系統對森林環境掃描獲取的激光點云，經除噪點、拼接和點云著色配準融合后，構建了廣東樹木園的森林可視化三維模型，利用激光掃描系統構建的森林景觀三維可視化模型，樹木輪廓清晰、形態逼真，解決了樹林中郁閉度變化引起影像不清的問題，提高了建模效率，對景觀精準規劃設計及精細化管理等有重要作用。三維激光掃描技術具有操作簡便、快速準確和點云數據豐富等優勢。在林業測量、三維可視化建模、虛擬實景重建以及樹木的無損傷、高效、精準監測、安防應用等方面具有應用前景廣闊。隨著增強現實技術（AR）及虛擬現實技術（VR）的快速發展，森林三維可視化重建技術的應用將成為旅游、森林保護的重要的開發內容。

參考文獻

[1]李孟迪，王玉振.基于三維激光掃描技術的模型重建研究[J].科技創新導報，2020，17（11）：68-69.

[2]曹明蘭，李亞東，馮海英，蔡彩.傾斜攝影與激光掃描技術結合的3D森林景觀建模[J].中南林業科技大學學報，2019，39（12）：10-15，33.

[3]舒田，童倩倩，孫長青，等. 基于三維激光掃描技術的果園景觀可視化方法—以貴州關嶺火龍果標準示范園為例[J].農技服務，2013，30（12）：1326-1327，1329.

[4]胡玉雷.地面三維激光掃描儀在張吉懷鐵路1：500地形圖和斷面測繪中的應用[J].鐵道勘測，2018，1（1）：44-48.

[5]楊書哲.基于三維激光掃描技術的校園可視化 [J].資源信息與工程，2017，32（6 ）：140-141.

[6]畢東月.基于三維可視化技術的典型生產安全事故防控與應急處置場景設計與實現[J].中國安全生產科學技術，2021，17（10）：165-171.