基于點(diǎn)云數(shù)據(jù)的測(cè)樹因子自動(dòng)提取方法

楊全月 陳志泊 孫國(guó)棟

(1.北京林業(yè)大學(xué)信息學(xué)院， 北京 100083； 2.北京農(nóng)學(xué)院計(jì)算機(jī)與信息工程學(xué)院， 北京 102206)

基于點(diǎn)云數(shù)據(jù)的測(cè)樹因子自動(dòng)提取方法

楊全月1,2陳志泊1孫國(guó)棟1

(1.北京林業(yè)大學(xué)信息學(xué)院， 北京 100083； 2.北京農(nóng)學(xué)院計(jì)算機(jī)與信息工程學(xué)院， 北京 102206)

樹冠的結(jié)構(gòu)復(fù)雜、形態(tài)各異，測(cè)樹因子的自動(dòng)、準(zhǔn)確、無損測(cè)量是森林調(diào)查中的一個(gè)重要研究項(xiàng)目。以三維激光掃描儀獲取的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)為研究對(duì)象，基于計(jì)算幾何學(xué)的尋找凸包算法，自動(dòng)提取樹冠的表面積、投影面積以及體積等測(cè)樹因子。為驗(yàn)證算法的準(zhǔn)確性，隨機(jī)選取8個(gè)樹種的120株待測(cè)立木進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)表明該方法測(cè)得的立木樹高平均相對(duì)誤差為2.33%，胸徑平均相對(duì)誤差為1.10%，冠幅平均相對(duì)誤差為3.92%，自動(dòng)解算的樹冠表面積、樹冠投影面積以及樹冠體積相對(duì)于傳統(tǒng)方法測(cè)得的參考值的平均相對(duì)誤差分別為3.48%、6.01%和5.59%。因此以三維激光掃描儀獲取點(diǎn)云數(shù)據(jù)，運(yùn)用三維凸包算法，能夠自動(dòng)準(zhǔn)確計(jì)算這些原本難以精確測(cè)量的因子，為應(yīng)用三維激光掃描儀自動(dòng)提取立木的測(cè)樹因子提供了參考。

樹冠表面積； 樹冠體積； 測(cè)樹因子； 自動(dòng)提取； 三維激光掃描儀； 三維凸包算法

引言

單株立木的直接測(cè)定因子及其派生因子統(tǒng)稱為基本測(cè)樹因子，立木的直徑、胸徑、樹高即為直接測(cè)定因子[1]。同時(shí)在森林單木計(jì)測(cè)中，冠幅、樹冠表面積、樹冠投影面積、樹冠體積等也是林業(yè)從業(yè)者進(jìn)行林木生長(zhǎng)監(jiān)測(cè)、生物量計(jì)算中非常重要的參數(shù)，冠體的大小是預(yù)測(cè)樹木生長(zhǎng)量的基本依據(jù)之一[2]。

傳統(tǒng)的測(cè)量方法主要是通過將樹木伐倒后，對(duì)各個(gè)參數(shù)因子進(jìn)行測(cè)量。其存在操作復(fù)雜、精度不高、破壞性強(qiáng)以及自動(dòng)化低等特點(diǎn)，尤其是樹冠的測(cè)量，因其經(jīng)濟(jì)價(jià)值低、難以測(cè)量和利用，在測(cè)量過程中往往被忽略。近年來，隨著森林生態(tài)效益及社會(huì)效益地位的提高，樹冠的表面積、投影面積及體積等測(cè)樹因子及參數(shù)的準(zhǔn)確無損測(cè)量越來越受到重視[3]。但傳統(tǒng)的森林調(diào)查方法和手段無法滿足這些參數(shù)的準(zhǔn)確測(cè)量，難以滿足現(xiàn)代城市森林的發(fā)展要求。

隨著信息化技術(shù)的發(fā)展，文獻(xiàn)[4-7]提出用全站儀、經(jīng)緯儀對(duì)立木進(jìn)行測(cè)量，能夠很好地解決立木胸徑、樹高等直接測(cè)定因子的測(cè)量。文獻(xiàn)[8-12]通過模型和遙感圖像來獲取樹冠信息，但是樹冠的準(zhǔn)確測(cè)量還是沒有很好解決。因此，越來越多的研究學(xué)者把三維激光掃描儀引入到樹冠的測(cè)量中。

利用三維激光掃描儀進(jìn)行樹冠表面積和體積測(cè)量的研究主要有：樊仲謀等[13]采用立方體格網(wǎng)法來遍歷求解內(nèi)部體積；鞏垠熙等[14-15]通過改進(jìn)Delaunay算法來提取樹冠三維信息；徐偉恒等[16]利用不規(guī)則體切片分割累加，實(shí)現(xiàn)樹冠體積的自動(dòng)提??；韋雪花等[17]提出以固定大小的體元來模擬不規(guī)則樹冠形狀的體元模擬法；王佳等[18]將樹冠分割為多個(gè)不規(guī)則的臺(tái)體，對(duì)每個(gè)臺(tái)體進(jìn)行體積加和；劉芳等[19]應(yīng)用不規(guī)則三角網(wǎng)TIN的原理方法來計(jì)算冠體體積。這些研究方法的核心內(nèi)容大致都是將樹冠分割或者近似模擬，所計(jì)算的均為近似值。

本文通過對(duì)樹冠點(diǎn)云進(jìn)行分析，研究如果存在一張?zhí)摂M的網(wǎng)，使其包裹住整個(gè)樹冠的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，那這個(gè)網(wǎng)絡(luò)所對(duì)應(yīng)的表面積、投影面積以及體積就是樹冠的表面積、投影面積和體積。因此，本研究擬找到一個(gè)最小的網(wǎng)使其恰好包含所有的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，而這張網(wǎng)就是三維凸包，從而可自動(dòng)計(jì)算獲取樹冠的表面積、投影面積以及樹冠體積等測(cè)樹因子。

1 原理

本研究的原理如圖1所示，主要過程為利用三維激光掃描儀獲取待測(cè)立木的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)，并對(duì)獲取的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行拼接、冠體提取、數(shù)據(jù)的壓縮和抽稀，生成可進(jìn)行三維凸包計(jì)算的點(diǎn)集。通過對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)的直接測(cè)量獲取立木的胸徑、樹高、冠幅等可直接測(cè)量因子，同時(shí)利用自行編寫的三維凸包算法對(duì)點(diǎn)集自動(dòng)計(jì)算獲取樹冠的表面積、樹冠投影面積以及樹冠體積。然后利用胸徑尺、皮尺和微型超站儀測(cè)量獲取立木的胸徑、樹高、冠幅、樹冠表面積、樹冠投影面積、樹冠體積等因子，對(duì)自動(dòng)獲取的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，驗(yàn)證所提算法的可靠性。

圖1 原理圖Fig.1 Diagram of principle

2 研究方法

2.1 立木點(diǎn)云的三維凸包算法

凸包是計(jì)算幾何學(xué)中的概念，是指在一個(gè)實(shí)數(shù)向量空間V中，對(duì)于給定集合X，所有包含X的凸集的交集S被稱為X的凸包。換言之，凸包就是在給定二維平面上的點(diǎn)集，將最外層的點(diǎn)連接起來構(gòu)成的凸多邊形，能包括點(diǎn)集中所有的點(diǎn)?；诖?，本文將二維平面擴(kuò)展成空間三維，研究能夠?qū)⑺悬c(diǎn)云數(shù)據(jù)包含在內(nèi)的最小多面體，簡(jiǎn)稱為三維凸包。

三維凸包算法的原理是首先任選4個(gè)不在同一平面上的4個(gè)點(diǎn)形成一個(gè)四面體，然后每次新增加一個(gè)點(diǎn)，分兩種情況：點(diǎn)在凸包內(nèi)，則舍棄跳過；點(diǎn)在凸包外，找到能從這個(gè)點(diǎn)可以看到的面，刪除這些面并形成新的面(如圖2所示)。

圖2 三維凸包示意圖Fig.2 Schematic of 3D convex hulls construction

三維凸包編程算法過程如下(以現(xiàn)存三維凸包ABCDEF為例，如圖3所示，圖中A、B、C、D、E、F、P點(diǎn)為采集的空間點(diǎn))：

(1)增加一個(gè)新點(diǎn)P，遍歷三維凸包的三角形，計(jì)算三角形是否正面朝向點(diǎn)P。取三角形上任意點(diǎn)并與P點(diǎn)相連接形成向量lAP，若三角形的法向量n與向量lAP的點(diǎn)乘大于等于零，則該三角形正面朝向點(diǎn)P，否則背面朝向點(diǎn)P。如果遍歷的所有三角形都背面朝向點(diǎn)P，則新點(diǎn)在三維凸包內(nèi)部，舍棄P點(diǎn)，不需要更新三維凸包；否則進(jìn)入下一步。

(2)遍歷三維凸包中的每條邊，計(jì)算每條邊相對(duì)于P點(diǎn)是否為明暗分界線。明暗分界線是指該條邊對(duì)應(yīng)的相鄰2個(gè)三角形一個(gè)正面朝向P點(diǎn)，一個(gè)背面朝向P點(diǎn)，即對(duì)于P點(diǎn)，一個(gè)三角形可見而另一個(gè)三角形不可見。

(3)由于三維凸包是封閉體，因此得到的所有明暗分界線連接成一個(gè)封閉的多邊形。明暗分界線上每個(gè)點(diǎn)與P相連并加上明暗分界線本身，可以得到新三維凸包的新三角面。

(4)剔除舊的三維凸包中不再是三維凸包外表面的三角形，即剔除所有正面朝向P點(diǎn)的三角面。

(5)依次執(zhí)行步驟(1)～(4)，直到所有點(diǎn)云數(shù)據(jù)遍歷完畢，所得到的三維凸包即為立木點(diǎn)云的三維凸包。

圖3 新三維凸包ABCDEFP生成示意圖Fig.3 Schematic of new 3D convex hulls construction for ABCDEFP

2.2 立木樹冠表面積的計(jì)算模型

獲得立木樹冠冠體點(diǎn)云的三維凸包后，通過計(jì)算組成三維凸包的所有三角形的面積即可獲取樹冠的表面積，計(jì)算式為

(1)

式中Sg——立木樹冠的表面積Si——三維凸包第i個(gè)三角形面積

2.3 立木樹冠投影面積的計(jì)算模型

在構(gòu)建立木樹冠點(diǎn)云的三維凸包之后，假設(shè)有平行光束從正上方無窮遠(yuǎn)處照射過來，三維凸包在水平面上的投影即為立木樹冠的投影面積，故樹冠投影面積的計(jì)算模型如下(以三維凸包ABCDEFG為例，如圖4所示)：

圖4 三維凸包投影面積示意圖Fig.4 Schematic of 3D convex hulls crown construction for projection area

(1)假定水平面的法向量fn與正上方投影光束相反，遍歷凸包所有邊，確定明暗分界線。即遍歷所有的邊，計(jì)算任意一條邊相對(duì)應(yīng)的2個(gè)三角面的法向量n與向量fn的點(diǎn)乘，若一個(gè)面點(diǎn)乘大于等于零，另一面點(diǎn)乘小于零，則該邊為明暗分界線。

(2)得到的所有明暗邊界線會(huì)封閉成一個(gè)多邊形，將其投影在水平面上形成的多邊形即為立木樹冠的投影面積。

(3)假設(shè)該明暗分界線所組成的點(diǎn)的個(gè)數(shù)為m，對(duì)應(yīng)的點(diǎn)坐標(biāo)為Mi(Xi，Yi，Zi)，立木樹冠投影面積計(jì)算式為

(2)

2.4 立木樹冠體積的計(jì)算模型

傳統(tǒng)樹冠體積計(jì)算方法是以樹冠的冠幅和冠高為參數(shù)，將樹冠視作規(guī)則幾何體計(jì)算體積。由于立木樹冠并不規(guī)則，對(duì)數(shù)據(jù)結(jié)果會(huì)產(chǎn)生很多的影響。故本研究的樹冠體積計(jì)算模型是基于2.1節(jié)所建立的三維凸包進(jìn)行計(jì)算分析，具體算法過程如下：

(1)計(jì)算三維凸包中所有三角形相對(duì)于正上方無限遠(yuǎn)處的朝向是正面還是背面。

(2)三維凸包上任意三角形投影到水平面上可得到三角形或者線段，如果投影是三角形則可與凸包三角形構(gòu)成三棱柱，計(jì)算所有正面朝向的三角形所投影形成的三棱柱的體積；如果投影為線段則體積為零。累加所有三棱柱的體積即可得到正面三棱柱的體積和。

(3)類似于步驟(2)，可計(jì)算出所有背面朝向光照方向的三角形的三棱柱體積。累加可得到背面三棱柱的體積和。

(4)將正面三棱柱體積和減去背面三棱柱體積和，即得到所求的凸包體積，也就是立木樹冠體積。

2.5 數(shù)據(jù)處理過程及方法

試驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理過程包括三維激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)的預(yù)處理和預(yù)處理數(shù)據(jù)的計(jì)算兩部分。三維激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)的預(yù)處理主要是通過FARO Scene 6.2軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，具體步驟為：

(1)將目標(biāo)樹的3個(gè)掃描站點(diǎn)所獲取的數(shù)據(jù)(數(shù)據(jù)格式為.fls)加載到Faro Scene的工作區(qū)域中，加載3個(gè)掃描站點(diǎn)的數(shù)據(jù)，軟件會(huì)根據(jù)擺放的3個(gè)參考橢球之間的位置關(guān)系進(jìn)行數(shù)據(jù)的匹配，并將3個(gè)掃描站獲取的數(shù)據(jù)拼接起來，形成目標(biāo)樹的三維立體影像(圖5a)。

圖5 三維點(diǎn)云預(yù)處理Fig.5 Schematics of 3D point cloud data preprocessing

(2)在三維展示模式下，剔除非目標(biāo)樹所有干擾點(diǎn)云數(shù)據(jù)，保留目標(biāo)樹三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)(圖5b)。根據(jù)測(cè)量記錄的目標(biāo)樹第一活枝丫高，在三維點(diǎn)云中刪除第一活枝丫高以下的數(shù)據(jù)(影像)，得到目標(biāo)樹完整的樹冠冠體的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)(圖5c)。

(3)為了降低三維凸包運(yùn)算過程中數(shù)據(jù)量過大的影響，通過壓縮、抽稀等算法減少點(diǎn)云數(shù)據(jù)的冗雜部分，然后將剩余的點(diǎn)云數(shù)據(jù)以XYZ坐標(biāo)點(diǎn)的形式導(dǎo)出，并以.txt的文件格式進(jìn)行保存。數(shù)據(jù)導(dǎo)出效果如圖5d(圓柏)所示。

(4)在步驟(2)時(shí)，可在模型中直接測(cè)量獲得立木的胸徑、樹高、樹干任意處直徑、樹冠的東西方向冠幅和南北方向冠幅等數(shù)據(jù)。

在預(yù)處理數(shù)據(jù)的計(jì)算部分，通過利用Microsoft Visual Studio開發(fā)平臺(tái)，基于2.1～2.4節(jié)的計(jì)算原理、設(shè)計(jì)的程序進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，計(jì)算獲取立木的樹冠表面積、樹冠投影面積(圖6a)、樹冠的體積(圖6b)等。

圖6 側(cè)柏點(diǎn)云效果Fig.6 Schematics of Platycladus orientalis point clouds effect

3 結(jié)果分析

3.1 數(shù)據(jù)采集

研究試驗(yàn)區(qū)域?yàn)楸本┑貐^(qū)的高校、森林公園、周邊山區(qū)等。利用三維激光掃描儀(FARO Focus3Ds120型，北京浩宇天地測(cè)繪科技發(fā)展有限公司，中國(guó))對(duì)目標(biāo)立木進(jìn)行360°全方位的掃描測(cè)量，獲取目標(biāo)立木詳細(xì)的點(diǎn)云數(shù)據(jù)。

立木點(diǎn)云數(shù)據(jù)的采集時(shí)間為8—9月份，采集過程為對(duì)每株目標(biāo)樹種進(jìn)行3個(gè)站點(diǎn)的掃描，每相鄰兩站的理想間隔角度為120°(以目標(biāo)樹作為參考)。為了方便后續(xù)的數(shù)據(jù)配準(zhǔn)工作，在掃描過程中相鄰掃描站之間需保證有3個(gè)公共的參考橢球，且掃描過程中3個(gè)公共的參考橢球之間的位置互不遮擋，也不能擺成一條直線。需要特別注意的是對(duì)目標(biāo)樹進(jìn)行掃描時(shí)，掃描一旦開始，就必須完成對(duì)目標(biāo)樹所有的掃描測(cè)站后才能移動(dòng)參考橢球。如果在掃描過程中參考橢球的位置發(fā)生變化，則必須重新開始掃描。大量的試驗(yàn)證明，對(duì)目標(biāo)樹進(jìn)行完整掃描測(cè)量需要10～15 min。

試驗(yàn)過程中，隨機(jī)選取北京市常見樹種的柿樹、銀杏、玉蘭、楊樹、側(cè)柏、圓柏、雪松、白皮松8個(gè)樹種(表1)作為采集數(shù)據(jù)，試驗(yàn)期間共采集232株立木的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，經(jīng)對(duì)數(shù)據(jù)整理，從每種樹種中隨機(jī)選擇15株立木的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算分析，試驗(yàn)樣本共計(jì)120株。

表1 試驗(yàn)樹種信息Tab.1 Information of experimental tree species

3.2 胸徑樹高冠幅對(duì)比分析

立木的圍尺胸徑的參考值由測(cè)徑尺(測(cè)樹鋼圍尺，太平洋牌)測(cè)得。立木的卡尺胸徑、樹高、第一活枝丫高、東西方向冠幅和南北方向冠幅由微型超站儀[20](PD-5 SERIES型，南方測(cè)繪儀器有限公司，中國(guó))測(cè)得，其中部分不能通過微型超站儀測(cè)得的冠幅由皮尺測(cè)得。經(jīng)過對(duì)試驗(yàn)樣本的120株立木的數(shù)據(jù)分析，得到立木的樹高、圍尺胸徑、卡尺胸徑、東西方向冠幅和南北方向冠幅的誤差，如圖7所示。

圖7 胸徑樹高冠幅與參考值的誤差曲線Fig.7 Error curves of diameter, tree height and crown width compared with reference values

由圖7分析可知，立木樹高的誤差范圍為-2.18～0.74 m；立木胸徑相對(duì)于卡尺參考值的誤差范圍為-0.8～0.5 cm，相對(duì)于圍尺參考值的誤差范圍為-2.2～2.2 cm；立木冠幅的東西向的誤差范圍為-0.35～0.42 m，南北向的誤差范圍為-1.04～0.28 m。對(duì)數(shù)據(jù)的相對(duì)誤差進(jìn)行分類統(tǒng)計(jì)，如表2所示。

表2 各樹種不同因子的平均相對(duì)誤差Tab.2 Average relative error of different factors of tree species %

樣本中120株立木的樹高平均相對(duì)誤差為2.33%，相對(duì)卡尺胸徑的平均相對(duì)誤差為1.10%，相對(duì)于圍尺胸徑的平均相對(duì)誤差為3.25%，東西向冠幅的平均相對(duì)誤差為3.91%，南北向冠幅的平均相對(duì)誤差為3.92%。胸徑、樹高、冠幅的測(cè)量精度符合國(guó)家森林資源連續(xù)清查中對(duì)胸徑、樹高、冠幅的精度要求。

3.3 樹冠表面積、投影面積、體積對(duì)比分析

樹冠表面積、投影面積以及體積的對(duì)比值是利用傳統(tǒng)的人工測(cè)量方法得到，通過測(cè)量樹高、第一活枝丫高、冠幅等，利用樹種冠形選擇近似的規(guī)則幾何體的計(jì)算公式來計(jì)算樹冠表面積、投影面積以及體積，得到120株立木的詳細(xì)數(shù)據(jù)，具體見表3和圖8。

表3 部分樹冠表面積、投影面積、體積的對(duì)比值與計(jì)算值Tab.3 Comparative and calculated values for part of crown surface area, crown projection area and crown volume

圖8 樹冠表面積、投影面積、體積對(duì)比分析圖Fig.8 Comparative analysis of crown surface area, crown projection area and crown volume

經(jīng)過對(duì)120株立木的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析可知，樹冠表面積的相對(duì)誤差范圍為-18.26%～9.34%，平均相對(duì)誤差為3.48%；樹冠投影面積的相對(duì)誤差范圍為-68.23%～15.10%，平均相對(duì)誤差為6.01%，若刨除樹冠投影面積的異常數(shù)據(jù)(-68.23%)，其相對(duì)誤差范圍為-30.39%～15.10%。其中異常數(shù)據(jù)為圓柏(編號(hào)：Sc094)，經(jīng)過對(duì)實(shí)株對(duì)比分析，造成數(shù)據(jù)異常的原因?yàn)樵撝仓臧∏覙O不規(guī)則，這就在人工獲取對(duì)比值時(shí)產(chǎn)生了較大的人為誤差；樹冠體積的相對(duì)誤差范圍為-30.05%～15.31%，平均相對(duì)誤差為5.59%。

4 結(jié)論

(1)利用三維激光掃描儀獲取立木的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，并通過數(shù)據(jù)拼接，干擾點(diǎn)云的剔除，樹冠點(diǎn)云的提取、壓縮和抽稀等過程得到可進(jìn)行三維凸包運(yùn)算的點(diǎn)集。通過三維凸包算法并利用研究所提出的樹冠表面積、樹冠投影面積以及樹冠體積的計(jì)算模型來自動(dòng)計(jì)算待測(cè)立木的樹冠表面積、樹冠投影面積以及樹冠體積。并通過120株試驗(yàn)樣本驗(yàn)證了算法、程序的可行性。

(2)試驗(yàn)驗(yàn)證該方法測(cè)得的立木樹高的平均相對(duì)誤差為2.33%，胸徑的平均相對(duì)誤差為1.10%，冠幅的平均相對(duì)誤差為3.92%，自動(dòng)解算的樹冠表面積、樹冠投影面積以及樹冠體積相對(duì)于傳統(tǒng)方法測(cè)得的參考值的平均相對(duì)誤差分別為3.48%、6.01%和5.59%。

1 孟憲宇．測(cè)樹學(xué)[M]．北京：中國(guó)林業(yè)出版社，2006：10-13．

2 謝鴻宇，趙耀龍，楊木壯，等．基于地面Lidar的樹冠體積和表面積測(cè)量方法研究[J]．中南林業(yè)科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2015，35(4)：1-6，13． XIE Hongyu, ZHAO Yaolong, YANG Muzhuang, et al. Measurement and calculation methods of volume and surface area of tree crown based on terrestrial 3D laser scanning system[J]. Journal of Central South University of Forestry & Technology, 2015,35(4):1-6, 13.(in Chinese)

3 馮仲科，趙春江，聶玉藻，等．精準(zhǔn)林業(yè)[M]．北京：中國(guó)林業(yè)出版社，2002：10-30．

4 馮仲科，黃曉東，劉芳．森林調(diào)查裝備與信息化技術(shù)發(fā)展分析[J/OL]．農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)， 2015， 46(9)：257-265．http:∥www.j-csam.org/jcsam/ch/reader/view_abstract.aspx?file_no=20150938&flag=1.DOI：10.6041/j.issn.1000-1298.2015.09.038． FENG Zhongke, HUANG Xiaodong, LIU Fang. Forest survey equipment and development of information technology[J/OL]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery,2015,46(9): 257-265.(in Chinese)

5 曹忠，馮仲科，徐偉恒，等．電子經(jīng)緯儀無損立木材積測(cè)量方法及精度分析研究[J]．中南林業(yè)科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2015，35(4)：7-13. CAO Zhong, FENG Zhongke, XU Weiheng,et al. Standing tree volume nondestructive measurement methods and precision analysis based on electronic theodolite[J]．Journal of Central South University of Forestry & Technology, 2015,35(4): 7-13.(in Chinese)

6 曹忠，鞏弈成，馮仲科，等．電子經(jīng)緯儀測(cè)量立木材積誤差分析[J/OL]．農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2015，46(1)：292-298．http:∥www.j-csam.org/jcsam/ch/reader/view_abstract.aspx?file_no=20150141&flag=1. DOI：10.6041/j.issn.1000-1298.2015.01.041． CAO Zhong, GONG Yicheng, FENG Zhongke, et al. Error analysis on standing tree volume measurement by using electronic theodolites [J/OL]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2015, 46(1):292-298. (in Chinese)

7 趙芳，馮仲科，高祥，等．樹冠遮擋條件下全站儀測(cè)量樹高及材積方法[J]．農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2014，30(2)：182-190． ZHAO Fang, FENG Zhongke, GAO Xiang, et al. Measure method of tree height and volume using total station under canopy cover condition[J].Transactions of the CSAE, 2014, 30(2):182-190. (in Chinese)

8 付堯，王新杰，孫玉軍，等．樹冠提取技術(shù)研究進(jìn)展[J]. 世界林業(yè)研究，2013,26(4)：38-42. FU Yao, WANG Xinjie, SUN Yujun, et al. A study of tree crown information extraction method [J]. World Forestry Research, 2013,26(4):38-42.(in Chinese)

9 丁為民，趙思琪，趙三琴，等．基于機(jī)器視覺的果樹樹冠體積測(cè)量方法研究[J/OL]. 農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2016,47(6)：1-10，20．http:∥www.j-csam.org/jcsam/ch/reader/view_abstract.aspx?file_no=20160601&flag=1. DOI：10.6041/j.issn.1000-1298.2016.06.001． DING Weimin, ZHAO Siqi, ZHAO Sanqin，et al.Measurement methods of fruit tree canopy volume based on machine vision[J/OL]．Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery,2016,47(6):1-10, 20.(in Chinese)

10 廖彩霞，李鳳日. 樟子松人工林樹冠表面積及體積預(yù)估模型的研究[J]. 植物研究，2007,27(4)：478-483. LIAO Caixia, LI Fengri. The predicting models of crown surface area and crown volume for Mongolian pine plantation[J]. Bulletin of Botanical Research,2007,27(4):478-483.(in Chinese)

11 吳明欽，孫玉軍，郭孝玉，等. 長(zhǎng)白落葉松樹冠體積和表面積模型[J]. 東北林業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2014,42(5)：1-5. WU Mingqin, SUN Yujun, GUO Xiaoyu, et al. Predictive models of crown volume and crown surface area for koreanlarch[J]. Journal of Northeast Forestry University,2014,42(5):1-5.(in Chinese)

12 姜仁榮，汪春燕，沈利強(qiáng)，等. 基于高分辨率遙感圖像的荔枝林樹冠信息提取方法研究[J/OL]. 農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2016,47(9)：17-22. http:∥www.j-csam.org/jcsam/ch/reader/view_abstract.aspx?file_no=20160903&flag=1. DOI：10.6041/j.issn.1000-1298.2016.09.003. JIANG Renrong, WANG Chunyuan, SHEN Liqiang, et al. A method for lichee’s tree-crown information extraction based on high spatial resolution image[J/OL]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery,2016,47(9):17-22.(in Chinese)

13 樊仲謀，馮仲科，鄭君，等．基于立方體格網(wǎng)法的樹冠體積計(jì)算與預(yù)估模型建立[J/OL].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2015，46(3): 320-327．http:∥www.j-csam.org/jcsam/ch/reader/view_abstract.aspx?file_no=20150347&flag=1. DOI：10.6041/j.issn.1000-1298.2015.03.047. FAN Zhongmou，F(xiàn)ENG Zhongke，ZHENG Jun，et al. Tree crown volume calculation and prediction model establishment using cubic lattice method[J/OL]．Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery，2015，46(3): 320-327．(in Chinese)

14 鞏垠熙，何誠(chéng)，馮仲科，等．基于改進(jìn)Delaunay 算法的樹冠三維重構(gòu)單木因子提取[J/OL]．農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2013，44(2): 192-199．http:∥www.j-csam.org/jcsam/ch/reader/view_abstract.aspx?file_no=20130236&flag=1. DOI：10.6041/j.issn.1000-1298.2013.02.036. GONG Yinxi, HE Cheng, FENG Zhongke, et al.Amended Delaunay algorithm for single tree factor extraction using 3-D crown modeling[J/OL]．Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery，2013， 44(2): 192-199．(in Chinese)

15 GONG Yinxi, YAN Fei, FENG Zhongke, et al.Extraction of crown volume using triangulated irregular network algorithm based on LiDAR[J]. Journal of Infrared and Millimeter Waves, 2016,35(2):177-183, 189.

16 徐偉恒，馮仲科，蘇志芳，等．一種基于三維激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)的單木樹冠投影面積和樹冠體積自動(dòng)提取算法[J]．光譜學(xué)與光譜分析，2014，34(2): 465-471． XU Weiheng,FENG Zhongke,SU Zhifang,et al. An automatic extraction algorithm for individual tree crown projection area andvolume based on 3D point cloud data[J]．Spectroscopy and Spectral Analysis，2014，34(2): 465-471.(in Chinese)

17 韋雪花，王永國(guó)，鄭君，等. 基于三維激光掃描點(diǎn)云的樹冠體積計(jì)算方法[J/OL].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2013，44(7)：235-240. http:∥www.j-csam.org/jcsam/ch/reader/view_abstract.aspx?file_no=20130741&flag=1. DOI：10.6041/j.issn.1000-1298.2013.07.041. WEI Xuehua,WANG Yongguo,ZHENG Jun,et al.Tree crown volume calculation based on 3D laser scanning point clouds data[J/OL].Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery，2013，44(7): 235-240.(in Chinese)

18 王佳，楊慧喬，馮仲科. 基于三維激光掃描的樹木三維綠量測(cè)定[J/OL]. 農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2013,44(8)：229-233.http:∥www.j-csam.org/jcsam/ch/reader/view_abstract.aspx?file_no=20130839&flag=1. DOI：10.6041/j.issn.1000-1298.2013.08.039. WANG Jia, YANG Huiqiao, FENG Zhongke. Tridimensional green biomass measurement for trees using 3D laser scanning[J/OL]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery,2013,44(8):229-233.(in Chinese)

19 劉芳，馮仲科，楊立巖，等. 基于三維激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)的樹冠體積估算研究[J/OL]. 農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2016,47(3)：328-334. http:∥www.j-csam.org/jcsam/ch/reader/view_abstract.aspx?file_no=20160346&flag=1. DOI：10.6041/j.issn.1000-1298.2016.03.046. LIU Fang, FENG Zhongke, YANG Liyan, et al. Estimation of tree crown volume based on 3D laser point clouds data[J/OL]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery,2016,47(3)：328-334.(in Chinese)

20 黃曉東，馮仲科，解明星，等. 自動(dòng)測(cè)量胸徑和樹高便攜設(shè)備的研制與測(cè)量精度分析[J]．農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2015，31(9)：92-99. HUANG Xiaodong，F(xiàn)ENG Zhongke，XIE Mingxing，et al. Developing and accuracy analysis of portable device for automatically measuring diameter at breast height and tree height[J]．Transactions of the CSAE，2015，31(9)：92-99.(in Chinese)

Automatic Extraction Method of Tree Measurement Factors Based on Point Cloud Data

YANG Quanyue1,2CHEN Zhibo1SUN Guodong1

(1.SchoolofInformationScienceandTechnology,BeijingForestryUniversity,Beijing100083,China2.SchoolofComputerandInformationEngineering,BeijingUniversityofAgriculture,Beijing102206,China)

On account of the crown’s complicated structure and various forms, extracting the tree measurement factors of standing tree automatically, accurately and nondestructively is an important research subject in the forest survey. The three-dimensional (3D) point cloud data via 3D laser scanner was used as the study object. The 3D convex hulls construction algorithm based on computational geometry was presented to extract the crown surface area, crown projection area and crown volume automatically. In order to verify the accuracy of the algorithm, totally eight tree species and 120 standing trees were randomly selected for testing. The average relative errors of standing tree height, DBH and crown width were 2.33%, 1.10% and 3.92%, respectively. The relative average errors of auto computing for crown surface area, crown projection area and crown volume were 3.48%, 6.01% and 5.59%, respectively. 3D point cloud data via 3D laser scanner and 3D convex hulls construction algorithm could help to automatically and accurately calculate the values of these parameters which could not be measured accurately before, providing a reference for extracting the tree measurement factors of standing tree automatically via 3D laser scanner in the future. The proposed method had a practical prospect of application in the survey of forest resources.

crown surface area; crown volume; tree measurement factors; automatic withdrawal; 3D laser scanner; 3D convex hulls algorithm

10.6041/j.issn.1000-1298.2017.08.020

2017-05-02

2017-05-23

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(61300180)和北京市教委科研計(jì)劃項(xiàng)目(KM201710020016)

楊全月(1979—)，女，博士生，北京農(nóng)學(xué)院講師，主要從事林業(yè)信息化研究，E-mail： 39062104@qq.com

陳志泊(1967—)，男，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事計(jì)算機(jī)軟件和林業(yè)物聯(lián)網(wǎng)研究，E-mail： zhibo@bjfu.edu.cn

S758.1

A

1000-1298(2017)08-0179-07