機載三維激光掃描儀在農業中的應用

陜西工業職業技術學院 王寧

機載三維激光掃描儀在農業中的應用

陜西工業職業技術學院 王寧

三維激光掃描技術具有高精度、強實時性和主動性、全數字化并能對任何物體進行掃描，不受氣候，地域等影響的特點，是一種新型的測量技術，而機載三維激光掃描儀為此技術中的一個新發展，在各個領域的應用也越來越深入。本文主要介紹機載三維激光掃描儀的工作背景及其在農業上的應用及展望。

機載三維激光掃描儀；農業；應用

1 前言

機載三維激光掃描技術是一種可采用無接觸方式直接掃描復雜的現場環境及空間的現代高精度傳感技術，并可直接獲取各種實際物體或實際景色的三維數據，具有許多常規測繪儀器無可比擬的優勢，有著較廣泛的應用范圍，并且隨著科學技術的發展，機載三維激光掃描儀的性能也將得到大大提升。隨著經濟的發展，農業對農機具的要求也越來越高，而機載三維激光掃描儀在農業中的廣泛應用將使我國的農業發展水平大大提高，有利于農業機械化、信息化，有利于促進實現小康社會的偉大目標。

2 背景

我國的機載三維激光掃描技術起步較晚，20世紀60年代激光技術開始出現，到20世紀80年代，歐美發達國家開展了機載三維激光掃描技術的研究，并于1990年由德國艾克曼恩教授領銜研制世界第一激光斷面測量系統。在20世紀激光技術以其單一性和高聚積度的特點獲得巨大發展。目前與國外相比，我國的研究成果還有較大差距。

在過去的十幾年中，機載三維激光掃描儀得到了一定的發展，它憑借其能夠準確、快速獲得地面三維數據的技術特點已在眾多行業領域得到廣泛運用。其中，在農業方面，種植業中機載三維激光掃描儀已被應用于作物掃描后三維建模、作物生長周期分析和對比，作物估產的研究。林業中用于獲取樹木參數、森林結構研究、樹木三維模型構建等方面，并取得了一定成果。但在農業其他領域應用尚未廣泛。

3 應用

3.1 種植方面應用

3.1.1 作物生長動態監控

不同的作物有不同生長周期，不同地區作物的生長周期不同，相同作物在不同區域的生長周期也不盡相同，作物的生長受氣候、地形、土壤、水分、陽光等因素的影響。有新物種出現時，作物的生長周期也有可能發生變化。通過機載三維激光掃描儀對作物進行動態監測，了解作物從發芽到成熟各階段的發育狀況，從而知道作物生長周期的變化。尋找規律，以便更好地進行田間管理，防止蟲害，使作物增產。

3.1.2 作物三維理想建模

植物是虛擬現實領域的重要建模對象之一，特別是在虛擬農業領域的應用中，對植物對象的真實感建模提出了更高的要求。由于植物形態具有多樣性和復雜性的特點，通過機載三維激光掃描儀直接獲取的點云數據或通過立體視覺技術從圖像序列恢復的植物三維網格模型中。作物三維建模的研究對象為作物的根、莖、枝、葉和果實等各器官的組分，通過機載三維激光掃描儀的精確掃描，研究作物各階段的生長發育狀況和植株三維建模。因此，機載三維激光掃描儀對作物的三維建模，為研究作物的栽培、發育、性能和結構等提供了一種全新有效的方法。

國內外許多教授利用機載三維激光掃描儀對作物進行掃描建模，與通過基于手工測量數據和數字設計的手段對作物建模相比，發現前者較理想。高質量的作物三維模型能確保作物的真實感，對研究虛擬農業具有重要意義。

3.2 林業方面應用

3.2.1 結構參數批量提取

測量樣方內單株木的樹種、位置、高度株木的樹種、位置、高度冠幅和樣方的植株密度、胸高斷面積等是森林資源調查的重要內容之一，這些都可用機載三維激光掃描儀來完成的。

與普通的測量方法相比，機載三維激光掃描儀測量法具有突出的特點———高點位密度和高精度。因為其掃描方式是“自下而上”的，所以林冠下層部分(如樹干、枝葉)能夠被清晰地記錄下來，更加適合地面森林調查工作。在記錄森林垂直結構特征、提取冠層結構參數方面擁有巨大的潛力和優勢。可以說，生成了一個現實世界的“模型”，應用到林學與生態學中則是一個可以測量的真實三維群落。若能夠從點云數據中精確地分割出每一棵樹，那么這一技術將極大地革新傳統森林資源調查方法并細化生態模型輸入參數內容，從而實現結構參數批量生產。

4 展望

與國外相比，目前，我國機載三維激光掃描儀在農業中的應用尚不廣泛，但是它的前景十分廣闊，機載三維激光掃描儀軟件系統關鍵位點云數據讀取、數據分析處理及場景重建，而當前首要解決的是如何快速地對大量點云數據進行處理，以及如何快速從點云數據中提取出所需的數據信息和簡化模型的問題。這對于研究作物生長發育機理與產量之間關系具有重要的現實意義。為縮短與國外的差距，應積極學習引進國外技術，促進農業機械化、信息化，使農業發展與經濟發展相適應。

[1]魏學禮,肖伯祥,郭新宇等.三維激光掃描技術在植物掃描中的應用分析[J].中國農學通報,2012(08)：373-377.

[2]顏艷,舒田,李裕榮.三維激光掃描技術在農業中應用現狀與前景展望[J].三農視野,2014(03)：151-153.

[3]郭慶華,劉瑾,陶勝利等.激光雷達在森林生態系統監測模擬中的應用現狀與展望[J].中國科學,2014(01)：463.

[4]陳濤.機載激光雷達技術在構造地貌定量化研究中的應用[J].國際地震動態,2015(06)：44.

[5]方芳.機載LIDAR技術現狀及發展方向[J].軍事科學,2013 (09)：86.

[6]鐘棉卿.機載激光雷達系統初步方案研究[J].中國科學, 2014(05)：132-134.

王寧，男，1987年出生，河北安新人，碩士，助教，研究方向：測繪技術應用。