精準(zhǔn)林業(yè)監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與開發(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，通過配套軟件對冠下徑、冠下高、冠長、胸徑、任意處直徑等林木測量參數(shù)進(jìn)行測量，編程實(shí)現(xiàn)樹冠體積和表面積、樹干材積監(jiān)測計(jì)算，對于精準(zhǔn)林業(yè)監(jiān)測具有重要參考意義。

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

1精準(zhǔn)林業(yè)監(jiān)測系統(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，技術(shù)路線如下：三維激光掃描系統(tǒng)設(shè)站、分站掃描目標(biāo)樹;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量樹高、樹干直徑和樹冠冠長、冠幅、冠下徑等測樹參數(shù);編程實(shí)現(xiàn)樹干體積、樹冠體積與表面積的自動監(jiān)測計(jì)算。

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

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)過匹配的點(diǎn)云有很多干擾點(diǎn)，在對照草圖的基礎(chǔ)上剔除干擾點(diǎn)，得到樹木點(diǎn)云數(shù)據(jù)。得到的樹木點(diǎn)云圖為儀器本身坐標(biāo)系，需要轉(zhuǎn)化為適合用戶的用戶坐標(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)云圖上沿著樹干選擇三個點(diǎn)，然后建立用戶坐標(biāo)系，并且保存。要進(jìn)行胸徑，任意處直徑，樹高，冠長，冠幅，冠下高，冠下徑等數(shù)據(jù)測量需要設(shè)立參考平面，參考平面為與樹干相切的平面，它的原點(diǎn)在用戶坐標(biāo)系的原點(diǎn)，長度可以根據(jù)樹高來設(shè)定。在參考平面上沿著樹干繪制三維多斷線，根據(jù)樹高設(shè)置向上的距離。測量結(jié)果可以顯示在模型空間中，也可以以文本文件輸出。

3 樹干材積監(jiān)測

3.1樹干材積監(jiān)測模型設(shè)計(jì)

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

3.2 樹干材積監(jiān)測計(jì)算

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

4 樹冠體積與表面積監(jiān)測

4.1樹冠體積與表面積監(jiān)測模型設(shè)計(jì)

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

4.2樹冠體積和表面積監(jiān)測計(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個剖面的文件和此剖面要統(tǒng)一到一個坐標(biāo)系統(tǒng)需要旋轉(zhuǎn)的角度，并依次對此進(jìn)行三次樣條曲線模擬，模擬曲線以后，下面的一個剖面文件框會顯示此剖面的文件路徑和名稱——只有框里出現(xiàn)剖面的文件路徑和名稱，才能說明此剖面已經(jīng)擬合。而只有這6個剖面的文件全部打開并且都進(jìn)行了曲線擬合，主界面中的“顯示圖形”鍵才能使用，也只有6個剖面進(jìn)行了插值才能求出表面積和體積。這6個剖面雖然分別旋轉(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個剖面都擬合以后，就可以對剖面進(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，對于林木測量的發(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)云圖上量測樹高、冠長、冠下高、冠下徑、胸徑、任意處直徑等林木測量參數(shù)。

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

參考文獻(xiàn)

[1] 范海英等.三維激光掃描系統(tǒng)在精準(zhǔn)林業(yè)測量中的應(yīng)用[J].測繪通報，2010

[2] 劉德偲等.三維激光掃描系統(tǒng)在國家森林城市本溪市精準(zhǔn)林木測量中的應(yīng)用研究[J] .絲路視野，2017