基于地面三維激光掃描技術(shù)的單木胸徑樹高提取精度研究

旦 增，賀 鵬，孫 華

(1.西藏自治區(qū)林業(yè)調(diào)查規(guī)劃研究院，拉薩 850000；2.國(guó)家林業(yè)和草原局中南調(diào)查規(guī)劃設(shè)計(jì)院，長(zhǎng)沙 410014；3.中南林業(yè)科技大學(xué)林學(xué)院，長(zhǎng)沙 410004)

胸徑(Diameter at Breast Height,DBH)是指距根頸1.3 m處的直徑，樹高(Tree Height)是指樹干的根頸處至主干稍頂?shù)拈L(zhǎng)度[1]，胸徑和樹高是森林資源調(diào)查中最主要的兩個(gè)測(cè)樹因子, 也是評(píng)價(jià)林木生長(zhǎng)狀況的重要參數(shù)。在傳統(tǒng)的森林資源調(diào)查中，測(cè)量胸徑的主要方法是使用圍尺，測(cè)量樹高則采用測(cè)高器。這種人工實(shí)地測(cè)量的方式不僅工作強(qiáng)度大、效率低、精度不高，而且僅能獲取局部數(shù)據(jù)，不利于大尺度森林參數(shù)的連續(xù)性研究，也不能滿足現(xiàn)代精準(zhǔn)林業(yè)和林業(yè)信息化的發(fā)展需求[2-3]。隨著測(cè)量技術(shù)的進(jìn)步，測(cè)量?jī)x、全站儀、電子經(jīng)緯儀等高精度設(shè)備和攝影測(cè)量技術(shù)多應(yīng)用于單木測(cè)量，但這測(cè)量手段也只能對(duì)單木進(jìn)行二維分析，存在一定的局限性[3]。

三維激光掃描技術(shù)又被稱為實(shí)景復(fù)制技術(shù)，是測(cè)繪領(lǐng)域繼GPS技術(shù)之后的又一次技術(shù)革命，它突破了傳統(tǒng)的單點(diǎn)測(cè)量方法，具有高效率、高精度的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。三維激光掃描技術(shù)作為新的非接觸式測(cè)量手段，以點(diǎn)云數(shù)據(jù)的形式將目標(biāo)對(duì)象的表面幾何空間信息以及顏色信息采集到激光掃描儀中，這些點(diǎn)云數(shù)據(jù)經(jīng)過處理后還可以用于顯示、測(cè)量、計(jì)算、分析和監(jiān)測(cè)等，能很好地彌補(bǔ)當(dāng)前林業(yè)調(diào)查方法的不足。應(yīng)用三維激光掃描技術(shù)使得快速獲取高精度樹木胸徑和樹高等測(cè)樹因子或者林分調(diào)查因子成為可能[4-10]。本文結(jié)合全國(guó)柏木生物量建模項(xiàng)目，分析了基于地面三維激光掃描技術(shù)提取胸徑和樹高的精度，為三維激光掃描技術(shù)在森林資源調(diào)查的應(yīng)用，尤其在林業(yè)數(shù)表編制方面的應(yīng)用提供科學(xué)依據(jù)。

1 數(shù)據(jù)來(lái)源

本文數(shù)據(jù)采集依托全國(guó)柏木生物量建模項(xiàng)目，采用FARO Laser Scanner Focus3D X330長(zhǎng)距三維激光掃描儀進(jìn)行伐前掃描，共掃描36株樣木，其中柏木19株、馬尾松17株，采集地點(diǎn)均為貴州省，三維激光掃描數(shù)據(jù)采集方法、流程以及點(diǎn)云數(shù)據(jù)預(yù)處理參見文獻(xiàn)[3]。樣本實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)采集方法參見《立木生物量建模樣本采集技術(shù)規(guī)程》[11]。樣本統(tǒng)計(jì)情況見表1。

表1 三維激光掃描儀采集樣本統(tǒng)計(jì)表樹種胸徑樹高最小值/cm最大值/cm平均值/cm標(biāo)準(zhǔn)差變動(dòng)系數(shù)/%最小值/cm最大值/cm平均值/cm標(biāo)準(zhǔn)差變動(dòng)系數(shù)/%柏木4.154.62815.8529.044.2829.217.376.9323.75馬尾松24.3037.0030.793.218.6917.6625.2022.292.017.99

2 研究方法

2.1 胸徑提取方法

基于三維激光掃描技術(shù)的胸徑自動(dòng)提取流程如圖1。

圖1 胸徑自動(dòng)提取流程圖

2.2 樹高自動(dòng)提取方法

在準(zhǔn)確識(shí)別了林木位置之后，分別統(tǒng)計(jì)(x，y)方向上z值出現(xiàn)的概率，遍歷數(shù)據(jù)庫(kù)中單木位置坐標(biāo)(x，y)值方向上出現(xiàn)概率最大的值，統(tǒng)計(jì)值最大點(diǎn)即為其(x，y)坐標(biāo)。單木坐標(biāo)點(diǎn)位置x處的z統(tǒng)計(jì)值的最大值與最小值之差即為x方向上樹高值；單木坐標(biāo)點(diǎn)位置y處的z統(tǒng)計(jì)值的最大值與最小值之差即為y方向上樹高值；(x，y)方向上樹高值的平均即為單木樹高。此算法對(duì)于樹干通直樣本，樹高測(cè)量值精度較高，但是對(duì)于部分樹干并不通直的樣本，樹高測(cè)量就會(huì)明顯低于實(shí)測(cè)值。

3 結(jié)果分析

3.1 單木實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與掃描數(shù)據(jù)對(duì)比分析

3.1.1 胸徑實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與掃描數(shù)據(jù)

本文中胸徑因子自動(dòng)提取方法有凸包算法和XY平均值算法兩種，可得到36株樣木胸徑實(shí)際數(shù)據(jù)和掃描數(shù)據(jù)，詳見表2?？梢娡拱惴ǖ钠骄鄬?duì)誤差為1.18%，而XY平均值算法的平均相對(duì)誤差為5.13%，因此，基于凸包算法提取的胸徑精度明顯優(yōu)于采用XY平方值算法。這是因?yàn)橥拱惴ㄊ遣捎眯馗邤嗝嬷荛L(zhǎng)換算成直徑，與傳統(tǒng)采用圍尺測(cè)量胸徑的原理相同。從凸包算法提取的胸徑掃描值來(lái)看，胸徑誤差不超過1.5cm，相對(duì)誤差基本在3%以內(nèi)，小徑階的樣木胸徑掃描值的相對(duì)誤差較大，在10%以內(nèi)。

采用凸包算法獲取的樣木胸徑掃描值明顯要大于實(shí)測(cè)胸徑(85%以上樣木掃描值大于實(shí)測(cè)值)，可能是由于一般采用圍尺實(shí)測(cè)胸徑時(shí)，均會(huì)拉緊圍尺讀數(shù)，而采用三維激光掃描儀時(shí)獲取的是樹干表面點(diǎn)的云數(shù)據(jù)，因此，胸徑掃描值一般要大于實(shí)際測(cè)量值，尤其對(duì)于樹皮開裂、松軟的樹種。但是，總體上來(lái)看，基于三維激光掃描儀獲取的胸徑具有較高精度。

表2 胸徑實(shí)測(cè)值與掃描值對(duì)比表序號(hào)樹種實(shí)測(cè)值/cm凸包算法平均值算法掃描值/cm差值/cm相對(duì)誤差/%掃描值/cm差值/cm相對(duì)誤差/%序號(hào)樹種實(shí)測(cè)值/cm凸包算法平均值算法掃描值/cm差值/cm相對(duì)誤差/%掃描值/cm差值/cm相對(duì)誤差/%1柏木30.931.80.92.9133.02.16.802柏木30.930.9031.50.61.943柏木6.46.80.46.257.10.710.944柏木20.120-0.1-0.5021.114.985柏木20.721.10.41.9322.92.210.396柏木16.7170.31.8017.20.52.997柏木4.13.7-0.4-9.764.30.23.668柏木3030.30.31.0030.50.51.679柏木13.113.20.10.7614.21.18.0210柏木35.335.40.10.2836.20.92.4111柏木47.749.11.42.9451.33.67.5512柏木49.650.10.51.0154.34.79.4813柏木54.655.71.12.0155.81.22.1114柏木12.012.60.65.0012.80.86.6715柏木47.447.2-0.2-0.4251.13.77.8116柏木46.646.4-0.2-0.4348.11.53.2217柏木25.926.20.31.1626.80.93.4718柏木8.28.40.22.449.41.214.0219柏木31.131.60.51.6132.21.13.5420馬尾松29.029.40.41.3829021馬尾松33.334.00.72.1034.10.82.4022馬尾松3737.80.82.1638.21.23.2423馬尾松29.930.50.62.0130.40.51.6724馬尾松34.535.10.61.7435.81.33.6225馬尾松24.324.50.20.8224.60.31.2326馬尾松32.633.30.72.1532.80.20.6127馬尾松31.532.51.03.1732.51.03.0228馬尾松29.929.6-0.3-1.0033.13.210.7029馬尾松34.034.20.20.5935.71.75.0030馬尾松31.331.333.82.57.9931馬尾松30.430.90.51.6431.30.92.9632馬尾松26.526.527.71.24.3433馬尾松27.527.60.10.3631.13.613.0934馬尾松33.834.20.41.1836.52.77.8435馬尾松28.529.10.62.1129.40.92.9836馬尾松29.530.10.62.0330.20.72.37 平均值29.329.70.41.1830.71.45.13

3.1.2 樹高實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與掃描數(shù)據(jù)

樣本樹高實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與掃描數(shù)據(jù)如表3所示。樹高掃描值相對(duì)誤差在±9%范圍內(nèi)，平均相對(duì)誤差為-1.66%，總體上掃描樹高值要低于實(shí)際測(cè)量值。同時(shí)相比胸徑因子，樹高掃描值相對(duì)誤差較大。36株樣本中有部分樣本樹高掃描值誤差大于1 m，主要是因?yàn)闃涓邷y(cè)量精度受限制因素較多，如測(cè)站布置(測(cè)站數(shù)量、測(cè)站距樣木的距離等)、林分密度、樹干是否通直等因素。如果測(cè)站距離樣木較近，無(wú)法掃描到樹梢，那么樹高掃描值會(huì)明顯小于實(shí)際樹高；林分密度較大，樣木周圍林木遮擋較多，也會(huì)影響樹高掃描值；如果樹干彎曲，樹高實(shí)際測(cè)量是皮尺貼沿著樹干走向測(cè)量樹高，而樹高掃描值是樹梢最高點(diǎn)與樹根最低點(diǎn)的差值，所以對(duì)于樹干彎曲樣木，掃描樹高值也會(huì)明顯低于實(shí)測(cè)值。但是，總體上來(lái)看，基于三維激光掃描儀獲取的樹高也具有較高精度。

表3 樹高實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與掃描數(shù)據(jù)對(duì)比表序號(hào)樹種實(shí)測(cè)值/m掃描值/m誤差/m相對(duì)誤差/%1柏木20.219.9-0.3-1.492柏木20.319.1-1.2-5.913柏木7.97.900.004柏木18.818.7-0.1-0.535柏木15.714.3-1.4-8.926柏木16.916.5-0.4-2.377柏木4.284.30.020.478柏木23.423.0-0.4-1.719柏木12.712.80.10.7910柏木22.423.00.62.6811柏木24.823.4-1.4-5.6512柏木25.224.6-0.6-2.3813柏木29.229.50.31.0314柏木8.98.900.0015柏木17.317.1-0.2-1.1616柏木18.117.9-0.2-1.1017柏木24.324.1-0.2-0.8218柏木7.657.80.151.9619柏木12.0511.7-0.35-2.9020馬尾松23.723.6-0.1-0.4221馬尾松24.623.9-0.7-2.8522馬尾松23.423.2-0.2-0.8523馬尾松20.9521.40.452.1524馬尾松24.323.9-0.4-1.6525馬尾松20.119.2-0.9-4.4826馬尾松23.324.314.2927馬尾松21.620.2-1.4-6.4828馬尾松21.420.5-0.9-4.2129馬尾松22.621.7-0.9-3.9830馬尾松22.621.3-1.3-5.7531馬尾松23.423.432馬尾松18.918.5-0.4-2.1233馬尾松17.6618.40.744.1934馬尾松22.220.7-1.5-6.7635馬尾松25.224.5-0.7-2.7836馬尾松23.023.0 平均值19.719.3-0.4-1.66

3.2 實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與掃描數(shù)據(jù)線性回歸分析

對(duì)掃描值與實(shí)測(cè)值進(jìn)行線性擬合，以三維激光掃描儀的掃描數(shù)據(jù)作為自變量x，以實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)作為因變量y，分別對(duì)胸徑、樹高、材積畫出散點(diǎn)圖，得到回歸方程(圖2～3)。

圖2 柏木胸徑和樹高實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與掃描數(shù)據(jù)散點(diǎn)

圖3 馬尾松胸徑和樹高實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與掃描數(shù)據(jù)散點(diǎn)圖

對(duì)胸徑和樹高的掃描值與實(shí)測(cè)值進(jìn)行線性回歸，R2均接近于1。這表明使用三維激光掃描儀系統(tǒng)提取的單木參數(shù)值與實(shí)際測(cè)量值具有顯著的線性相關(guān)關(guān)系，同時(shí)表明三維激光掃描技術(shù)提取的胸徑和樹高掃描值完全可以替代實(shí)測(cè)值。

從實(shí)際應(yīng)用效果來(lái)看，馬尾松樹高提取的效果要差于柏木樹高提取效果。主要因?yàn)樵诓杉R尾松三維數(shù)據(jù)時(shí)，所有樣本均只采用了3站測(cè)站，并未根據(jù)林分密度的不同，而相應(yīng)增加測(cè)站來(lái)保證掃描到樹梢部分。因此，相對(duì)于柏木樹種，馬尾松樹高掃描值誤差較大。

4 結(jié)論與討論

4.1 結(jié)論

使用FARO Laser Scanner Focus3D X330長(zhǎng)距三維激光掃描儀在貴州省采集了36株不同樹種樣木的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)，對(duì)獲取的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行了格式轉(zhuǎn)換、坐標(biāo)匹配、粗差剔除等一系列處理，提取到單木參數(shù)胸徑和樹高，并與傳統(tǒng)測(cè)量方法得到的實(shí)測(cè)值進(jìn)行對(duì)比分析，得出如下結(jié)論：

1) 基于地面三維激光掃描儀獲取的樣木胸徑和樹高，均具有較高精度。這表明基于地面三維激光掃描儀無(wú)損測(cè)量立木胸徑和樹高等測(cè)樹因子是可行的，且具有較高的可靠性。

2) 采用凸包算法自動(dòng)提取胸徑，相比較于采用XY平均算法，精度更高，且與實(shí)際采用圍尺測(cè)量胸徑的原理一致。

3) 從馬尾松掃描數(shù)據(jù)與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的對(duì)比結(jié)果來(lái)看，地面三維激光掃描儀測(cè)站布置(數(shù)量及距離林木距離)對(duì)于獲取測(cè)樹因子的精度具有一定影響，規(guī)范外業(yè)點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集流程，對(duì)于保障測(cè)量數(shù)據(jù)精度是十分必要的。

4.2 討論

本文中胸徑自動(dòng)提取算法采用凸包算法，精度較高。但是，自動(dòng)提取的胸高斷面是與水平面平行，如果樹干有一定傾斜，那么提取的胸高斷面就不會(huì)與樹干垂直，從實(shí)際掃描數(shù)據(jù)結(jié)果分析來(lái)看，這也是胸徑掃描值與實(shí)測(cè)值產(chǎn)生誤差的主要來(lái)源。同時(shí)對(duì)于一些樹皮開裂、松軟的樹種(如馬尾松)，胸徑實(shí)測(cè)時(shí)，圍尺的拉緊程度對(duì)于實(shí)測(cè)胸徑值本身就存在較大影響，而采用三維激光掃描儀獲取的胸徑，則會(huì)明顯大于實(shí)測(cè)值。

樹高因子自動(dòng)提取直接采用樹梢最高點(diǎn)坐標(biāo)值減樹干基部最低點(diǎn)坐標(biāo)值作為樹高值，而樹高實(shí)際測(cè)量是皮尺貼沿著樹干走向測(cè)量樹高。當(dāng)樹干通直時(shí)，采用此算法獲取的樹高值與實(shí)際測(cè)量值差異不大，但當(dāng)樹干并不通直，存在彎曲時(shí)，掃描樹高值也會(huì)明顯低于實(shí)測(cè)值。

本文只是針對(duì)單木尺度進(jìn)行研究，根據(jù)結(jié)果分析可知，三維激光掃描儀對(duì)于林木胸徑、樹高測(cè)量精度較高。但在今后研究中，可將三維激光掃描儀用于林分尺度數(shù)表樣本采集，比如研建相對(duì)樹高曲線模型、林分平均高模型等。