三維激光掃描儀在林木材積測定中的應(yīng)用研究

武越 崔世雄 徐繼文 龐憲群 陳璐

林木材積是盜伐、濫伐林木等涉林案件定性處罰和森林火災(zāi)案件損失評估的依據(jù)，而林木直徑則是計算材積的重要數(shù)據(jù)，運用三維激光掃描儀可以全自動高精度地立體掃描，這種方法工作效率高、不破壞樹木，對于建立新型材積模型具有普遍意義。

近年來國內(nèi)外出現(xiàn)了一種三維激光掃描技術(shù)，三維激光掃描技術(shù)不同于傳統(tǒng)高精度測繪技術(shù)，其用于高精度逆向三維建模及重構(gòu)。運用三維激光掃描儀可以全自動高精度地立體掃描，能夠有效對立木作出數(shù)據(jù)采集和模型重構(gòu)，不用進(jìn)行實物表面處理，相比于傳統(tǒng)方法，在立木直徑與材積測定上更為高效。這種方法工作效率高、不破壞樹木，對于建立新型材積模型具有普遍意義。

一、林木直徑材積測定的傳統(tǒng)方法

森林通常分布在較為偏遠(yuǎn)的地方，林木盜伐、森林火災(zāi)案件發(fā)生后不能及時發(fā)現(xiàn)，當(dāng)發(fā)現(xiàn)后涉案林木往往不在現(xiàn)場，需要利用被盜伐濫伐林木周圍生長條件、年齡、起源一致的立木材積，近似推算被伐木或燒毀木材積。立木處于直立于地面的狀態(tài)，就不能像伐倒木那樣直接測定立木任意部位的直徑和高度;同時，測定工作的效率和方法又受到立木生長環(huán)境的限制，因此，立木材積測定需推測的因子多，測量的精度就要降低。

以前所用測立木材積以接觸式測量為主，并用到了光學(xué)與機械原理，通過圍尺、皮尺以及測高器等作出人工測量。采用“實驗形數(shù)法”進(jìn)行計算，見公式（1），

V=g1.3（H+3）fэ

但是此方式缺點較多，體現(xiàn)在作業(yè)周期過長，工作效率較低，勞動強度較大，得到的數(shù)據(jù)也很單一，測量精度偏低，在模型構(gòu)建和其他分析中局限性較大，為林業(yè)資源測定結(jié)果可靠性與準(zhǔn)確度帶來了較大影響。而在進(jìn)行林木材積的計算過程中使用三維激光掃描技術(shù)來進(jìn)行處理的話效果會事半功倍。

二、三維激光掃描儀測定林木材積的方法

使用三維激光掃描儀時，先劃定測定林木的面積，然后作出踏勘，明確掃描的測站點、所需的測站數(shù)、掃描的路線以及標(biāo)靶安放的位置，用三維激光掃描儀直接對所測林木的點云數(shù)據(jù)進(jìn)行獲取。具體提取流程包括以下5點：

1.對部分點云進(jìn)行分離。點云中需要有完整的樹木。

2.采取人工去噪方式。由于點云主要對空間進(jìn)行顯示，因此利用Cyclone能夠在任意角度進(jìn)行旋轉(zhuǎn)查看，同時隨意變換視角，實現(xiàn)對點云的去噪，能夠便利獲得相關(guān)單株樹木的點云數(shù)據(jù)。

3.胸徑提取。胸徑為樹木距地1.3m位置的直徑，利用點云對樹干與地面接觸位置進(jìn)行查看，將最佳基準(zhǔn)點確定下來，這樣可以明確胸徑位置。

4.樹高提取。在ModelSpace窗口的視圖模式中選擇正射視圖，在主視圖內(nèi)將樹木最高點找到，結(jié)合最高點的基準(zhǔn)形成參考平面。借助Cyclone軟件的量測功能，能夠獲得基準(zhǔn)點與最高點的參考面距離，也就是高度。

5.根據(jù)上述數(shù)據(jù)，在excel表格中利用計算機編程公式：V=g1.3（H+3）fэ，采用實驗形數(shù)法即可算出每株林木的材積。

三、三維激光掃描技術(shù)與傳統(tǒng)方法測定林木材積的對比分析

筆者在南京森林警察學(xué)院（仙林校區(qū)）丁山以及南京森林警察學(xué)院（花園路校區(qū)）采用三維激光掃描系統(tǒng)測了40余株楊樹，采用抽樣的方法將其中10株楊樹的基本測樹因子和樣本材積精度的實測值和掃描值進(jìn)行了比較，結(jié)果見表1。

由表1中的相關(guān)數(shù)據(jù)可知，胸徑相對誤差（（掃描值-實測值）/實測值×100%）最大8號樣木是1.33%，10株樹平均相對誤差是0.54%;樹高相對誤差最大是8號樣木1.79%，10株樹平均相對誤差是0.88%。從這里能夠得出，通過對三維激光掃描系統(tǒng)的應(yīng)用，在基本測樹因子上實現(xiàn)了精度的大幅度提升，所以利用測定結(jié)果計算林木材積有著準(zhǔn)確與高效的優(yōu)點，也避免為林木帶來損害，讓林業(yè)資源調(diào)查工作能夠順利開展。

（作者單位：210023南京森林警察學(xué)院）