基于三維激光掃描技術(shù)的樹木碳儲(chǔ)量估算*

王 磊，徐 工，燕立爽，馬 林

(1.濟(jì)南市勘察測(cè)繪研究院，山東 濟(jì)南 250101;2.山東理工大學(xué) 建筑工程學(xué)院，山東 淄博 255000;3.濟(jì)南市土地儲(chǔ)備中心，山東 濟(jì)南 250099)

生態(tài)林業(yè)是我國(guó)林業(yè)發(fā)展的方向，是國(guó)家可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略以及全球環(huán)境發(fā)展的要求[1-3]。森林生物量是森林生態(tài)系統(tǒng)的最基本數(shù)量特征。1994年，聯(lián)合國(guó)糧農(nóng)組織在“國(guó)際森林資源監(jiān)測(cè)大綱”中就明確規(guī)定：森林生物量是森林資源監(jiān)測(cè)中的一項(xiàng)重要內(nèi)容[3]，碳儲(chǔ)量是森林生物量中最主要的一部分，其高效測(cè)算是目前生態(tài)林業(yè)發(fā)展中一項(xiàng)重要工作。目前碳儲(chǔ)量估算方法多是采用遙感監(jiān)測(cè)的方式，估算精度低，尤其是樹冠下部分。三維激光掃描技術(shù)近年來(lái)迅速成長(zhǎng)，具有無(wú)接觸測(cè)量、數(shù)據(jù)成果豐富、精度高等優(yōu)勢(shì)[4-7]，為林業(yè)向科學(xué)管理的方向發(fā)展提供了有力的技術(shù)支撐，它能夠簡(jiǎn)潔而又準(zhǔn)確地對(duì)樹木表面的三維信息進(jìn)行獲取，且不受林地多方面條件的制約。本文將研究三維激光掃描技術(shù)在生態(tài)林業(yè)中的應(yīng)用，利用海量點(diǎn)云數(shù)據(jù)估算樹木碳儲(chǔ)量，以期提高碳儲(chǔ)量估算精度。

1 三維激光掃描技術(shù)簡(jiǎn)述

1.1 三維激光掃描技術(shù)工作原理

三維激光掃描儀突破了傳統(tǒng)的單點(diǎn)測(cè)量方法，具有效率高、精度高的優(yōu)勢(shì)，是無(wú)合作目標(biāo)激光測(cè)距與角度測(cè)量結(jié)合的自動(dòng)化快速測(cè)量系統(tǒng)，在復(fù)雜空間對(duì)被測(cè)物體進(jìn)行快速掃描測(cè)量，直接獲得激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)、顏色、反射強(qiáng)度等信息，并進(jìn)行自動(dòng)存儲(chǔ)計(jì)算[8]。

三維激光掃描儀采用系統(tǒng)局部坐標(biāo)系，激光束發(fā)射點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)，X、Y軸位于激光橫向掃描方向，Z軸位于激光縱向掃描方向[8]，如圖1所示。

圖1 三維激光掃描坐標(biāo)測(cè)量示意圖

任意一個(gè)掃描點(diǎn)P的三維坐標(biāo)(X，Y，Z)為：

(1)

1.2 三維激光掃描技術(shù)適用范圍

三維激光掃描技術(shù)不斷發(fā)展，日漸成熟，其巨大優(yōu)勢(shì)在于可以快速掃描被測(cè)物體，直接獲取高精度的掃描點(diǎn)云數(shù)據(jù)，高效地對(duì)真實(shí)世界進(jìn)行三維建模和虛擬重現(xiàn)。

目前，三維激光掃描技術(shù)在土木工程、工業(yè)測(cè)量、災(zāi)害調(diào)查、數(shù)字城市、城鄉(xiāng)規(guī)劃及以下領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用：(1)測(cè)繪工程領(lǐng)域：地形測(cè)量、道路測(cè)繪、河道測(cè)繪、橋梁建筑物測(cè)繪、變形監(jiān)測(cè)、管道測(cè)量等。(2)結(jié)構(gòu)測(cè)量方面：橋梁改擴(kuò)建工程、結(jié)構(gòu)檢測(cè)、幾何尺寸測(cè)量、面積、體積測(cè)量、大型內(nèi)部設(shè)備測(cè)量、機(jī)械制造安裝等。(3)建筑、古跡測(cè)量方面：古跡的保護(hù)測(cè)量、文物修復(fù)，資料保存等，遺址測(cè)繪、現(xiàn)場(chǎng)虛擬模型與影像記錄。(4)緊急服務(wù)業(yè)：反恐怖主義、移動(dòng)偵察、災(zāi)害估計(jì)、交通事故、犯罪現(xiàn)場(chǎng)正射圖，森林火災(zāi)監(jiān)控，災(zāi)害預(yù)警等。(5)娛樂(lè)業(yè)：電影產(chǎn)品設(shè)計(jì)、場(chǎng)景設(shè)計(jì)、3D游戲開發(fā)，虛擬博物館，虛擬旅游等。(6)采礦業(yè):礦山測(cè)量作業(yè)，危險(xiǎn)區(qū)域人員不方便到達(dá)的區(qū)域，如：塌陷、懸崖、溶洞等。

1.3 三維激光掃描技術(shù)的優(yōu)勢(shì)分析

相比于常用的遙感(Remote Sensing，簡(jiǎn)稱RS)監(jiān)測(cè)手段，在碳儲(chǔ)量估算方面，三維激光掃描技術(shù)(LS)有其優(yōu)勢(shì)之處，具體如表1所示。

2 樹木點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集與處理

本次實(shí)驗(yàn)采用Z+F掃描儀，以單棵懸鈴木樹為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，通過(guò)實(shí)地踏勘后，共掃描6站，獲得點(diǎn)云556 431個(gè)，如圖2所示為原始點(diǎn)云。由于掃描儀各站采用的是獨(dú)立坐標(biāo)系，因此需要進(jìn)行坐標(biāo)系拼接，即配準(zhǔn)工作，配準(zhǔn)后結(jié)果如圖3所示；配準(zhǔn)后存在大量冗余或噪聲數(shù)據(jù)，因此需要進(jìn)行去噪工作，去噪后效果如圖4所示；為提高計(jì)算效率，在保證樹木特征不丟失的前提下，進(jìn)行了相應(yīng)的海量點(diǎn)云壓縮工作，壓縮效果如圖5所示，壓縮后點(diǎn)云86 354個(gè)。這些前期工作本次均采用相應(yīng)的處理軟件，人工完成，其中配準(zhǔn)使用的是Z+F配套軟件，去噪與壓縮則采用的是Geomagic Studio軟件。

表1 三維激光掃描技術(shù)與遙感技術(shù)比較

圖2 處理前原始點(diǎn)云

圖3 配準(zhǔn)后

3 樹木模型重建及參數(shù)獲取

(1)樹木三維建模

基于樹木點(diǎn)云數(shù)據(jù)的建模與優(yōu)化在3D Max中完成，主要包括樹干、樹枝及樹葉部分,其中樹干部分是重點(diǎn)，需要精細(xì)建模，渲染工作則通過(guò)lumion完成。

圖4 去噪后

圖5 壓縮后

圖6 樹木模型重建

(2)樹木參數(shù)獲取

模型重建完成后，需要用點(diǎn)云數(shù)據(jù)得到的模型進(jìn)行各項(xiàng)參數(shù)的量算，主要參數(shù)有樹高(H)、胸徑(D)、樹冠體積(V)等。

樹高指樹木從底部的根莖的最低端到樹冠最頂部之間的距離。胸徑是立木測(cè)定中的基本因子之一，指樹木的主體枝干距離地面1.3 m處的胸高處的直徑，當(dāng)該斷面為畸形斷面時(shí)，則量取其最小值和最大值然后取平均值[9]。樹高和胸徑的量取需要將模型在CAD中完成精確量取。

基于傳統(tǒng)方法的樹冠體積量測(cè)不僅自動(dòng)化程度低而且提取精度較差。以地面三維激光掃描技術(shù)獲取的點(diǎn)云數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，在點(diǎn)云數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上進(jìn)行模型重建，從重建后的模型中利用剖面提取的方法得到樹木的樹冠，對(duì)樹冠進(jìn)行構(gòu)網(wǎng)并量測(cè)即可獲得樹冠體積[10-12]。

準(zhǔn)真值量測(cè)時(shí)，用卷尺對(duì)樹木的胸徑進(jìn)行量測(cè)，利用全站儀對(duì)所測(cè)單木的樹高進(jìn)行測(cè)量，分別用全站儀測(cè)出樹木最高點(diǎn)和最低點(diǎn)的高程最高點(diǎn)與最低點(diǎn)的差即為所測(cè)單木的樹高的值。利用該種方法無(wú)法獲取樹冠體積的準(zhǔn)真值，所以不對(duì)其進(jìn)行量測(cè)。

表2 樹木主要參數(shù)

從表2可看出，通過(guò)點(diǎn)云模型獲取的樹高與準(zhǔn)真值差值為2 cm左右，胸徑差值為0.04 cm左右，說(shuō)明三維激光掃描方式獲取的樹木參數(shù)精度較高。

4 碳儲(chǔ)量計(jì)算

樹木的碳儲(chǔ)量指樹木體內(nèi)所積累的生物量與含碳系數(shù)的乘積，也代表樹木固定碳的能力[1-2]。不同種類的樹木以及樹的不同器官含碳系數(shù)不同。對(duì)于不同地域或者不同樹種的碳儲(chǔ)量計(jì)算方法也是不同的，通常采用的計(jì)算方法主要包括樣地清查法、微氣象學(xué)法、箱式法、模型模擬估算法、遙感估算法五種基本方法。本次實(shí)驗(yàn)采用樣地清查法中的平均生物量法、蓄積量法、生物量清單法，分別運(yùn)用三種方法計(jì)算出碳儲(chǔ)量，對(duì)所得結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析得到最精確的碳儲(chǔ)量結(jié)果，各模型所需要的樹高和胸徑等參數(shù)已在第三部分獲取。

(1)平均生物量法

實(shí)驗(yàn)樹種懸鈴木屬于喬木，參照闊葉樹生物量計(jì)算經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，如?所示。

表3 闊葉樹生物量回歸方程

代入表2中的參數(shù)，運(yùn)用生物量回歸模型計(jì)算其生物量，干、枝、葉、根的生物量分別為：

干：W=0.045 2(D2H)0.874 1=25.47 kg

枝：W=0.020 1(D2H)0.838 9=9.78 kg

葉：W=0.010 1(D2H)0.780 1=2.88 kg

根：W=0.009 1(D2H)0.974 0=10.58 kg

運(yùn)用該方法計(jì)算得出的生物量與碳含量的乘積，就是該單木的碳儲(chǔ)量。本研究采用的生物量對(duì)碳儲(chǔ)量的轉(zhuǎn)化系數(shù)為0.5，計(jì)算得到的該單木的碳儲(chǔ)量為：

(25.47+9.78+2.88+10.58)×0.5=24.355 kg

(2)蓄積量法

基于蓄積量法的碳儲(chǔ)量計(jì)算需要先計(jì)算出總生物量，然后乘以含碳系數(shù)即為碳儲(chǔ)量。其總生物量計(jì)算公式為：

總生物量=單位蓄積生物量×樹木占地面積

(2)

蓄積量指立木所占的空間體積，以m3為單位。計(jì)算樹木蓄積量的二元立木材積式為：

V=aDbHC

(3)

式中，樹高H=5.13 m；胸徑D=16.54 cm。

懸鈴木二元立木材積的參數(shù)a=0.000 052 750 716，b=1.915 032 4，c=0.938 853 30，可由文獻(xiàn)[13]中的各樹種二元立木材積表查得，計(jì)算可得該株樹的二元立木材積即蓄積量V=5.741 m3。在模型中量測(cè)樹木占地面積為8.026 m3,所以該株樹的總生物量為46.082 kg，生物量對(duì)碳儲(chǔ)量的轉(zhuǎn)化系數(shù)為0.5，可得出運(yùn)用蓄積量法計(jì)算得到的該株樹木的碳儲(chǔ)量為23.041 kg。

(3)生物量清單法

生物量清單法是將樹干密度與蓄積量相乘得到樹干部分的生物量，然后與含碳系數(shù)相乘可得到單位面積的碳儲(chǔ)量，再乘以總面積可得到總的碳儲(chǔ)量。該方法對(duì)樹木的主要儲(chǔ)碳器官樹干進(jìn)行估算，除此之外還應(yīng)對(duì)樹枝、樹葉、樹根的碳儲(chǔ)量進(jìn)行計(jì)算。樹干密度的定義公式為：

d=m/v

(4)

式中,d為密度；m為干物質(zhì)重；v為體積。若已知d求m，則將上式變化為：m=dv,寫成一般統(tǒng)計(jì)模型：

y=bx+e

(5)

式中，y為干重;x為體積；b為待估系數(shù)，即密度；e為誤差。

b值可由文獻(xiàn)[14]查得，可得出懸鈴木的干材密度為0.526，樹皮密度為0.447，在蓄積量法中計(jì)算得到樹木的蓄積量為5.741 m3，可計(jì)算得到樹干部分的碳儲(chǔ)量為12.69 kg，樹枝、樹葉、樹根部分的碳儲(chǔ)量運(yùn)用平均生物量法計(jì)算得到，分別為4.39 kg，1.44 kg，5.29 kg，所以運(yùn)用生物量清單法計(jì)算得到的該株樹的碳儲(chǔ)量為23.81 kg。

表4 碳儲(chǔ)量計(jì)算結(jié)果

(1)由表4可以得出，三種方法基于點(diǎn)云模型計(jì)算的碳儲(chǔ)量相差不大，按從大到小的順序排列依次為：平均生物量法>生物量清單法>蓄積量法。

(2)樹木不同器官的儲(chǔ)碳能力不同，其碳儲(chǔ)量按照由大到小的順序可依次排列為：樹干、樹根、樹枝、樹葉，并由此可得出樹木的主要儲(chǔ)碳的器官為樹干，其次是樹根，再次是樹枝，樹葉存儲(chǔ)碳的能力最弱。

5 結(jié) 論

將三維激光掃描技術(shù)應(yīng)用于生態(tài)林業(yè)，對(duì)目標(biāo)樹木進(jìn)行了三維模型重建以及樹木參數(shù)的提取，并結(jié)合多種碳儲(chǔ)量計(jì)算方法進(jìn)行了碳儲(chǔ)量估算，該方法對(duì)于森林生物量估算研究具有一定的參考意義。

目前三維激光掃描技術(shù)在生態(tài)林業(yè)中的應(yīng)用還處于探索階段，現(xiàn)存的一些問(wèn)題還有待于解決，如對(duì)于樹木遮擋引起的數(shù)據(jù)孔洞，造成冠形、樹高等的誤差較大；如何加以糾正樹木邊緣效應(yīng)造成的所掃描點(diǎn)云數(shù)據(jù)的系統(tǒng)性偏差等。