基于地面激光掃描點云數據測定樹木三維綠量

賀 鵬，易正暉，王 佳

(1.河北九華勘查測繪有限責任公司，河北 保定071051;2.天津城市建設學院，天津300384;3.北京林業大學測繪與3S技術中心，北京100083)

一、引 言

“綠量”最早是作為量化植被的生態效應而提出的，是從生態學的能量轉換和植物莖葉的生理功能出發的;葉片越多、冠幅越大，其植株進行光合作用的幾率越大，其生態效應越高。綠量最早是作為城市園林綠化水平而提出的，稱為“綠化三維量”，指綠色植物莖葉所占據的空間體積，以單位m3計算［1-2］。發展到后期便有從二維的葉面積指數與三維的三維綠量兩個方面來研究植被綠量。從量測方法而言，葉面積指數獲取有兩種方法:直接收獲法和瞬間拍攝法。直接收獲法具有破壞性，無法廣泛執行;瞬間拍攝法指用魚眼鏡頭拍攝植被的垂直投影的影像，再由軟件推估葉面積指數。而三維綠量的量測主要是將樹冠模擬成球面體進行估算，此法在后期的研究較多。從量測的手段上，為了大面積測定城區內三維綠量，航空遙感技術被引入，有3種方法測定三維綠量值:平面量模擬立體量［3］、立體量推算立體量［4］、平面量推算平面量［5］。平面量模擬立體量是從航空二維平面的樹冠影像通過冠幅估測冠高，再推導出樹冠體積;立體量推算立體量是由相鄰兩航片的左右視差確定植被高度，在航片上測出該植被的面積，再根據一定的計算經驗公式計算三維綠量值;平面量推算平面量是由樹冠影像直接推導二維的葉面積指數，此法簡化了測定過程，所得結果已不是三維綠量的值。

不管從二維還是三維的角度量測綠量都有一定局限性，二維的葉面積指數忽略了葉片空間結構，且不利于大面積測量;三維的綠量將樹冠模擬成幾何體，但幾何體內葉片所占空間密度被忽略。兩種局限性都主要是因為量測手段的限制。而隨著測量技術的不斷更新，精確測量樹冠的體積已完全可以實現，有學者將地面激光掃描系統引入到林業測樹研究中，獲得了高精度的樹木枝干葉參數［6-8］。本文提出用地面激光掃描系統測定樹木的三維綠量，在計算植被的體積時將引入綠視率(指眼睛看到綠化的面積占整個圓形面積的百分數)［9］作為葉片所占空間幾何體的密度研究綠量，旨在提高單木三維綠量模型估計的精度。

二、試驗方法與數據

樹木三維綠量的測定實質上是樹冠體積的測定，其根本出發點是樹冠越大，葉面積越大，生態效益相對越好。然而樹冠千差萬別，由于樹冠不像樹干有一個穩定的實體外形，樹冠有很多空隙，具有大致相同樹冠體積大小的兩棵樹，葉片空間密度不同，因此若以體積統計計算三維綠量就會造成結果的不準確。本試驗設計在地面激光掃描系統測定樹冠體積的基礎上，從各個掃描角度所成的二維圖像上計算樹冠的綠視率，三維綠量將等于模擬的體積乘以平均的綠視率，最后對比兩種方法的不同。

1.樹冠體積估測方法

地面激光掃描成像系統可以獲取樹木的點云數據，樹冠不像樹干有一個穩定的實體外形，樹冠有很多的空隙，激光束可能穿透樹冠在樹冠內進行了反射，所以得到的點云數據并不能完全反映樹冠外層的空間特征。

要想得到樹冠的實體三維模型，可通過兩種方法實現。一是對獲得的數據進行預處理，通過在Cyclone中對點云數據進行旋轉、縮放，人工判讀沒有在樹冠表面的點，進行剔除;然后根據剩余的數據建立空間的TIN網，根據空間幾何方法計算TIN模型的體積近似為樹冠的體積。二是把單木的整個樹冠看成是由單個的小的圓臺組成的立體，通過對樹冠部分點數據進行量測，求出每個小圓臺的體積，然后對它們求和，就可以算出整個樹冠在空間所占有的體積。每個小圓臺的低面圓也有兩種取值方法，一種是最大半徑圓，另一種為實際斷面圓。實際計算與模擬中，后者較前者用的多。一般樹冠測量方法如圖1所示。

以上兩種方法都會將三維綠量計算得比實際值要大。如圖2所示，對于葉片空間密度較大的模擬樹而言，實際值為100%，則第1種體積近似多面體模擬的體積將為110%左右，第2種圓臺分段模擬的體積將為120%左右。在實際計算中，第1種方法實現比較困難，因為必須通過近似多面體估算體積，多面體越多精度越高;而且軟件在模擬物體時，能以多面網格精確地逼近物體表面，但計算體積必須是實體，多面網格與實體的轉化還沒有比較成熟的模塊實現。

圖1 一般樹冠測量方法

圖2 兩種方法對比示意圖

2.綠視率及空間均勻度估算樹木三維綠量

通過以上分析，試驗將選取不同樹種若干地面激光掃描數據，計算每棵樹圖模型的前視圖、側視圖與俯視圖;二維圖片中葉片所占面積的百分比即綠視率，三維綠量值將等于用圓臺分段模擬體積模型與不同視圖綠視率的連續乘積;最后分析不同樹種之間圓臺模型與綠視率圓臺模型之間的差異。

在計算單木的三維綠量時，本文將談論三維綠量是否受葉片空間分布的影響。葉片空間分布將影響樹冠體積的大小，即直接對以體積為量綱的三維綠量產生影響。葉片的空間分布將以空間分布均勻度為測定指標。試驗將討論樹種、空間分布均勻度、綠視率對計算三維綠量的影響。樹種選擇將分為針葉、闊葉樹兩種;空間分布均勻度考慮將樹冠從垂直方向、水平方向各劃分為N1、N2的網格(網格為正方形，維數根據冠幅的長寬而定)，每個網格記錄含有的葉片投影面積所占的百分比(以十進制計算)，結果將得到兩個N1×N2的數組。統計各個等級投影密度的個數，并對各等級賦予不同的權重。如密度為1的權重為0，密度為0的權重為1。計算加權平均和，值越大說明空間中葉片分布越不均勻。空間分布均勻度以一個立方體為單位，考察樹冠的空間分布主要因為在測量手段上難以用樹冠擬合的幾何體為單位研究分布的均勻性。如圖3所示。

圖3 遼東櫟32號樹前視、側視、俯視與全景圖及前視、側視空間均勻度的計算表

對13棵樹進行處理，計算結果見表1。

表1 地面激光掃描樹冠體積與三維綠量計算對比表

從表1可以看出，所計算的三維綠量值比樹冠的體積要小，主要原因是因為引入了前視圖與側視圖的綠視率。綠視率是以計算樹冠體積的圓臺范圍為界，計算葉片所占的密度。從以上數據得出，銳刺櫟32與油松18模擬的樹冠體積比較接近;但實際中油松18的樹冠有很多的空隙，直接造成綠視率偏小，樹冠的體積并不是接近模擬的樹冠圓臺。因此三維綠量值比樹冠體積更能準確地反映植被空間體積量。

對比闊葉樹與針葉樹的綠視率，得出闊葉樹的平均綠視率(即前視圖與側視圖的平均值)比針葉樹的高，從而闊葉樹的三維綠量值比針葉樹的偏大。從綠量的含義而言，即希望表征植被進行生理光合作用能力的強弱，闊葉樹的光合作用能力普遍比針葉樹強，若以樹冠體積直接代替三維綠量，計算的結果將有悖于綠量的含義。但同時可以看出，即使引入了綠視率，也并非能真正地表征植被的光合作用能力，因為此生理過程還與植被的健康狀況、環境等因素相關。

本文所提出的空間分布均勻度目的是研究樹冠空間分布的特點是否對三維綠量有影響。從定義可以看出，空間中沒有葉片的區域越多，權重賦予越大值，最后加權平均值越大，說明空間分布越不均勻。從分析數據表明，空間分布均勻度與三維綠量的關系并不明顯，相關系數為0.075。分析原因是三維綠量受樹高、樹冠各模擬圓臺半徑值、各視角綠視率的影響，與葉片的空間分布沒有發現必然關系。同時比較冠幅與空間分布均勻度的意義，冠幅分東西、南北量測是為了獲取樹冠粗略的三維信息，而空間分布均勻度從定義本身而言，用兩個N1×N2的數組量化樹冠的空間分布，對數組進行統計分析，理論上可行。此方法建立在可以精確獲取樹冠點云的量測方法上，將更準確地反映樹冠的空間分布。對比闊葉樹與針葉樹的空間分布均勻度發現，闊葉樹分布均勻度的平均值比針葉樹要大，說明闊葉樹種的葉片在空間中的分布比較均勻，樹冠形狀比較舒展。若研究每種樹種的空間分布規律，還需要更多的掃描數據。

三、結束語

綜上所述，采用精確的地面激光掃描系統獲取精確測樹因子數據，并在此基礎上計算三維綠量值的方法，相比大致樹冠模擬綠量值法更科學、更準確。在利用地面激光掃描系數測定樹木的綠量過程中，若直接采用圓臺模擬樹冠體積將造成計算的結果并不能準確地反映三維綠量的含義。本文提出引入綠視率的定義計算三維綠量，使計算結果有別于樹冠體積，更符合綠量的含義。同時，提出樹冠空間分布均勻度的概念，結果表明與綠量的相關性不高，而深入的研究將需要更多的掃描樣本數據。

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