基于機(jī)載激光雷達(dá)的樹木倒伏隱患分析

崔健

（中國南方電網(wǎng)有限公司超高壓輸電公司貴陽局，貴陽 550000）

引言

樹木倒伏指的是在外力作用下，樹木發(fā)生樹干彎曲情況，其彎曲程度超越樹干自身彈性極限的時(shí)候，承壓部位會(huì)產(chǎn)生蠕變，導(dǎo)致樹干發(fā)生斷裂[1]。在倒伏時(shí)，首先從外部產(chǎn)生纖維擠壓現(xiàn)象，隨著載荷的持續(xù)增加，樹干會(huì)產(chǎn)生擠壓條紋，它們能夠?qū)簯?yīng)力進(jìn)行吸收，然而隨著拉力極限的到達(dá)，樹干會(huì)在不發(fā)生分層的情況下直接斷裂。樹木倒伏的原因有很多，首要原因就是風(fēng)、雪等各種自然災(zāi)害[2]。風(fēng)、雪等各種自然災(zāi)害的發(fā)生會(huì)導(dǎo)致大量樹木發(fā)生倒伏現(xiàn)象，造成林業(yè)生產(chǎn)的巨大損失。我國由于地域十分廣闊，橫跨多個(gè)氣候帶，地形多變、氣候復(fù)雜，海岸線十分綿長，因此是世界上臺(tái)風(fēng)災(zāi)害發(fā)生最為頻繁的國家之一。我國平均每年會(huì)登錄8個(gè)臺(tái)風(fēng)，較多年份臺(tái)風(fēng)登錄數(shù)甚至高達(dá)14，內(nèi)陸也時(shí)常發(fā)生強(qiáng)風(fēng)。除此之外，早春與冬季的冰凍、大雪等持續(xù)性災(zāi)害也時(shí)有發(fā)生[3]。這些災(zāi)害都會(huì)導(dǎo)致樹木倒伏現(xiàn)象的發(fā)生，每年我國倒伏樹木的數(shù)量都十分驚人，為我國林業(yè)生產(chǎn)與森林生態(tài)帶來了巨大壓力。

樹木倒伏不僅發(fā)生在森林里，名木古樹與行道樹也會(huì)發(fā)生倒伏現(xiàn)象，甚至更易發(fā)生樹木倒伏，威脅游客與行人的財(cái)產(chǎn)生命安全。這是由于景區(qū)的名木古樹與人行道上的行道樹會(huì)受到人類活動(dòng)的影響，一方面，城市的改造與擴(kuò)建會(huì)改變樹木原本的生長環(huán)境，另一方面，全球變暖等因素也會(huì)改變樹木原本的生長環(huán)境。這就導(dǎo)致樹木在自身生長過程中需要不斷努力適應(yīng)生長環(huán)境的變化，這個(gè)過程會(huì)造成樹木能量的大量消耗，降低其自身抵抗力，造成樹木存在安全隱患，在遭遇各種惡劣氣候時(shí)，這些樹木便極易發(fā)生倒伏現(xiàn)象。樹木倒伏不僅會(huì)造成各種損失，還會(huì)留下很大的隱患，影響社會(huì)運(yùn)轉(zhuǎn)，因此提出一種基于機(jī)載激光雷達(dá)的樹木倒伏隱患分析方法。

1 設(shè)計(jì)基于機(jī)載激光雷達(dá)的樹木倒伏隱患分析方法

1.1 樹木倒伏數(shù)據(jù)獲取

利用機(jī)載激光雷達(dá)進(jìn)行樹木倒伏施測，獲取樹木倒伏雷達(dá)點(diǎn)云數(shù)據(jù)，包括定位點(diǎn)、樹木倒伏實(shí)測以及雷達(dá)飛行數(shù)據(jù)。首先確定樹木倒伏處的地理位置，接著利用機(jī)載激光雷達(dá)實(shí)施施測，選取的機(jī)載激光雷達(dá)系統(tǒng)為小腳印 Mapper Lite 6500系統(tǒng)，具體參數(shù)如表1所示[4]。

對樹木倒伏區(qū)域?qū)嵤┲貜?fù)飛行，共飛行七次，飛行后可以獲取航帶數(shù)據(jù)共七條，數(shù)據(jù)的旁向重疊率約為0.9。所獲的樹木倒伏雷達(dá)點(diǎn)云數(shù)據(jù)記錄形式為北半球投影UTM 6 度分帶、SWG48坐標(biāo)系的第四十八帶。樹木倒伏雷達(dá)點(diǎn)云數(shù)據(jù)的點(diǎn)平均間隔為0.54 m。對這些樹木倒伏雷達(dá)點(diǎn)云數(shù)據(jù)實(shí)施高程著色，著色頻率為每隔一百個(gè)數(shù)據(jù)對一個(gè)點(diǎn)進(jìn)行讀取[5]。獲取施測地區(qū)的水平分布與高程狀況。高程以米為單位，邊緣的多個(gè)輪廓線是多次飛行所獲取的實(shí)際數(shù)據(jù)范圍，也就是該圖為航帶數(shù)據(jù)重疊獲得。具體如圖1所示。

施測的時(shí)候機(jī)載激光雷達(dá)的平均飛行高度約為海拔3 650 m，距離地面的實(shí)際飛行高度為750 m。施測的具體參數(shù)如表2所示[6]。

獲取的樹木倒伏雷達(dá)點(diǎn)云數(shù)據(jù)共有三種形狀特征，定位點(diǎn)數(shù)據(jù)的形狀特征為Z字型；樹木倒伏實(shí)測數(shù)據(jù)的形狀特征為平行線；雷達(dá)飛行數(shù)據(jù)的形狀特征為橢圓形，具體如圖2所示[7]。

圖中箭頭指向?yàn)轱w行方向，實(shí)線則是數(shù)據(jù)點(diǎn)具體狀態(tài)。

表1 機(jī)載激光雷達(dá)系統(tǒng)具體參數(shù)

圖1 高程著色

1.2 樹木倒伏數(shù)據(jù)處理

獲取的樹木倒伏雷達(dá)點(diǎn)云數(shù)據(jù)共分為七個(gè)數(shù)據(jù)激光文件，對其進(jìn)行數(shù)據(jù)處理以便實(shí)施樹木倒伏隱患分析，包括重采樣處理與濾波處理[8]。其中重采樣處理的處理步驟如下：

1）對網(wǎng)格尺寸進(jìn)行計(jì)算；

2）歷遍樹木倒伏雷達(dá)點(diǎn)云數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)點(diǎn)，對各點(diǎn)網(wǎng)格進(jìn)行計(jì)算；

3）對各個(gè)網(wǎng)格按順序進(jìn)行掃描，對各個(gè)網(wǎng)格的具體重采樣高程進(jìn)行計(jì)算。

為了方便后期進(jìn)行處理，選擇正方形格網(wǎng)。對網(wǎng)格尺寸進(jìn)行計(jì)算時(shí)需要保證各格網(wǎng)中只有一個(gè)點(diǎn)落入，格網(wǎng)的具體尺寸為比平均點(diǎn)間距稍小的距離[9]。完成格網(wǎng)化之后，各格網(wǎng)中包含的點(diǎn)數(shù)將會(huì)產(chǎn)生差異，具體如圖3所示。

當(dāng)點(diǎn)只有一個(gè)時(shí)，利用格網(wǎng)內(nèi)部點(diǎn)的具體高程值代表其重采樣之后的格網(wǎng)高程值；當(dāng)點(diǎn)超過一個(gè)，利用最低點(diǎn)的具體高程值代表其重采樣之后的格網(wǎng)高程值；當(dāng)沒有點(diǎn)時(shí)，對其領(lǐng)域的八個(gè)格網(wǎng)進(jìn)行搜索，選擇與中心距離最近的那點(diǎn)的具體高程值代表其重采樣之后的格網(wǎng)高程值[10]。重采樣后網(wǎng)格的平面坐標(biāo)即為其重心坐標(biāo)。

濾波處理中采用形態(tài)學(xué)濾波，首先對離散點(diǎn)云實(shí)施灰度腐蝕處理，也就是通過結(jié)構(gòu)元素對原始圖像實(shí)施灰度腐蝕，具體公式如下：

式中：

f?g—灰度腐蝕處理；

g—結(jié)構(gòu)元素；

f—原始圖像；

x、y—離散點(diǎn)云的左右坐標(biāo)；

s、t—原始圖像的左右坐標(biāo)；

Df—f的定義域；

Dg—g的定義域。

接著對里散步點(diǎn)云實(shí)施膨脹處理，也就是通過結(jié)構(gòu)元素對原始圖像實(shí)施灰度膨脹，具體公式如下：

式中：

f⊕g—灰度膨脹處理。

表2 施測的具體參數(shù)

圖2 樹木倒伏點(diǎn)云雷達(dá)數(shù)據(jù)形狀特征

圖3 格網(wǎng)化處理

1.3 樹木倒伏隱患分析

利用處理后的樹木倒伏數(shù)據(jù)，構(gòu)建樹木倒伏隱患分析模型，對樹木倒伏隱患進(jìn)行分析。構(gòu)建的樹木倒伏隱患分析模型主要通過對倒伏樹干強(qiáng)度進(jìn)行評(píng)估，判斷倒伏后樹木樹干的具體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度可否再次承受其他沖擊荷載以及獲取其邊材腐朽情況來實(shí)現(xiàn)樹木倒伏的隱患分析。模型分為兩部分，一部分是樹木倒伏健康材具體強(qiáng)度評(píng)估模塊，另一部分是樹木倒伏狀況強(qiáng)度評(píng)估模塊[11]。比較樹木倒伏健康材具體強(qiáng)度與樹木倒伏狀況強(qiáng)度，獲取樹干整體強(qiáng)度的具體損失程度，對樹木倒伏隱患進(jìn)行分析。

其中樹木倒伏健康材具體強(qiáng)度評(píng)估模塊的評(píng)估流程如下：

首先根據(jù)處理后的樹木倒伏數(shù)據(jù)計(jì)算倒伏樹木的樹干彎曲應(yīng)力，具體計(jì)算公式如下：

式中：

s—倒伏樹木的樹干彎曲應(yīng)力；

M—彎曲瞬間力矩；

p—外部樹干纖維的彎曲最大應(yīng)力；

R—倒伏樹干半徑。

然后通過倒伏樹木的樹干彎曲應(yīng)力對其荷載沖擊承受力進(jìn)行評(píng)估實(shí)施樹木倒伏隱患分析[12]。

樹木倒伏狀況強(qiáng)度評(píng)估模塊首先需要計(jì)算倒伏樹木的慣性矩，具體計(jì)算公式如下：

式中：

I—倒伏樹木的慣性矩；

a —b的垂直半徑；

b—倒伏樹木荷載平行半徑。

然后通過倒伏樹木的慣性矩對其荷載沖擊承受力進(jìn)行評(píng)估，并綜合倒伏樹木邊材腐朽情況實(shí)施樹木倒伏隱患分析。

2 實(shí)驗(yàn)方法與結(jié)果分析

2.1 設(shè)計(jì)對比實(shí)驗(yàn)

利用基于機(jī)載激光雷達(dá)的樹木倒伏隱患分析方法進(jìn)行樹木倒伏隱患分析實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)地區(qū)是一個(gè)由于遭遇臺(tái)風(fēng)而產(chǎn)生樹木倒伏現(xiàn)象的地區(qū)，對實(shí)驗(yàn)地區(qū)進(jìn)行區(qū)域劃分，并針對該地區(qū)的樹木倒伏情況進(jìn)行隱患分析。利用機(jī)載激光雷達(dá)獲取實(shí)驗(yàn)地區(qū)的具體數(shù)據(jù)，如表3所示。

對該地區(qū)進(jìn)行樹木倒伏隱患分析實(shí)驗(yàn)，為了保證本次實(shí)驗(yàn)的結(jié)果具備對比性，將原有樹木倒伏隱患分析方法與本文設(shè)計(jì)的基于機(jī)載激光雷達(dá)的樹木倒伏隱患分析方法進(jìn)行對比實(shí)驗(yàn)。原有樹木倒伏隱患分析方法包括基于離散模型的樹木倒伏隱患分析方法與基于數(shù)據(jù)頻度曲線的樹木倒伏隱患分析方法。比較各種樹木倒伏隱患分析方法的參數(shù)估計(jì)性能。參數(shù)估計(jì)性能的判斷方法是比較其參數(shù)估計(jì)準(zhǔn)確率，參數(shù)估計(jì)準(zhǔn)確率越高，證明參數(shù)估計(jì)性能越好。

2.2 分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果

原有樹木倒伏隱患分析方法的參數(shù)估計(jì)性能實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖4所示。

基于機(jī)載激光雷達(dá)的樹木倒伏隱患分析方法的參數(shù)估計(jì)性能實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖5所示。

表3 實(shí)驗(yàn)地區(qū)的具體數(shù)據(jù)

根據(jù)圖4、圖5 的參數(shù)估計(jì)性能實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，基于離散模型的樹木倒伏隱患分析方法的參數(shù)估計(jì)準(zhǔn)確率較高，即該方法的參數(shù)估計(jì)性能較強(qiáng)；基于數(shù)據(jù)頻度曲線的樹木倒伏隱患分析方法的參數(shù)估計(jì)準(zhǔn)確率最低，即該方法的參數(shù)估計(jì)性能在幾種實(shí)驗(yàn)方法中最差；基于機(jī)載激光雷達(dá)的樹木倒伏隱患分析方法的參數(shù)估計(jì)準(zhǔn)確率最高，即該方法的參數(shù)估計(jì)性能在幾種實(shí)驗(yàn)方法中最好。綜上所述，基于機(jī)載激光雷達(dá)的樹木倒伏隱患分析方法參數(shù)估計(jì)性能優(yōu)于原有樹木倒伏隱患分析方法。

圖4 原有方法的參數(shù)估計(jì)性能實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖5 本文設(shè)計(jì)方法的參數(shù)估計(jì)性能實(shí)驗(yàn)結(jié)果

3 結(jié)束語

基于機(jī)載激光雷達(dá)的樹木倒伏隱患分析方法通過機(jī)載激光雷達(dá)的使用，提升了采集的樹木倒伏隱患數(shù)據(jù)的精度，從而實(shí)現(xiàn)了參數(shù)估計(jì)性能的提升，對樹木倒伏隱患的發(fā)現(xiàn)與處理都有很大意義。引入機(jī)載激光雷達(dá)后，不僅提升了數(shù)據(jù)精度，還大大提升了分析面積，是一種適用于各種環(huán)境的分析方法。