三維激光掃描儀在林木材積測定中的應用研究

武越 崔世雄 徐繼文 龐憲群 陳璐

林木材積是盜伐、濫伐林木等涉林案件定性處罰和森林火災案件損失評估的依據，而林木直徑則是計算材積的重要數據，運用三維激光掃描儀可以全自動高精度地立體掃描，這種方法工作效率高、不破壞樹木，對于建立新型材積模型具有普遍意義。

近年來國內外出現了一種三維激光掃描技術，三維激光掃描技術不同于傳統高精度測繪技術，其用于高精度逆向三維建模及重構。運用三維激光掃描儀可以全自動高精度地立體掃描，能夠有效對立木作出數據采集和模型重構，不用進行實物表面處理，相比于傳統方法，在立木直徑與材積測定上更為高效。這種方法工作效率高、不破壞樹木，對于建立新型材積模型具有普遍意義。

一、林木直徑材積測定的傳統方法

森林通常分布在較為偏遠的地方，林木盜伐、森林火災案件發生后不能及時發現，當發現后涉案林木往往不在現場，需要利用被盜伐濫伐林木周圍生長條件、年齡、起源一致的立木材積，近似推算被伐木或燒毀木材積。立木處于直立于地面的狀態，就不能像伐倒木那樣直接測定立木任意部位的直徑和高度;同時，測定工作的效率和方法又受到立木生長環境的限制，因此，立木材積測定需推測的因子多，測量的精度就要降低。

以前所用測立木材積以接觸式測量為主，并用到了光學與機械原理，通過圍尺、皮尺以及測高器等作出人工測量。采用“實驗形數法”進行計算，見公式（1），

V=g1.3（H+3）fэ

但是此方式缺點較多，體現在作業周期過長，工作效率較低，勞動強度較大，得到的數據也很單一，測量精度偏低，在模型構建和其他分析中局限性較大，為林業資源測定結果可靠性與準確度帶來了較大影響。而在進行林木材積的計算過程中使用三維激光掃描技術來進行處理的話效果會事半功倍。

二、三維激光掃描儀測定林木材積的方法

使用三維激光掃描儀時，先劃定測定林木的面積，然后作出踏勘，明確掃描的測站點、所需的測站數、掃描的路線以及標靶安放的位置，用三維激光掃描儀直接對所測林木的點云數據進行獲取。具體提取流程包括以下5點：

1.對部分點云進行分離。點云中需要有完整的樹木。

2.采取人工去噪方式。由于點云主要對空間進行顯示，因此利用Cyclone能夠在任意角度進行旋轉查看，同時隨意變換視角，實現對點云的去噪，能夠便利獲得相關單株樹木的點云數據。

3.胸徑提取。胸徑為樹木距地1.3m位置的直徑，利用點云對樹干與地面接觸位置進行查看，將最佳基準點確定下來，這樣可以明確胸徑位置。

4.樹高提取。在ModelSpace窗口的視圖模式中選擇正射視圖，在主視圖內將樹木最高點找到，結合最高點的基準形成參考平面。借助Cyclone軟件的量測功能，能夠獲得基準點與最高點的參考面距離，也就是高度。

5.根據上述數據，在excel表格中利用計算機編程公式：V=g1.3（H+3）fэ，采用實驗形數法即可算出每株林木的材積。

三、三維激光掃描技術與傳統方法測定林木材積的對比分析

筆者在南京森林警察學院（仙林校區）丁山以及南京森林警察學院（花園路校區）采用三維激光掃描系統測了40余株楊樹，采用抽樣的方法將其中10株楊樹的基本測樹因子和樣本材積精度的實測值和掃描值進行了比較，結果見表1。

由表1中的相關數據可知，胸徑相對誤差（（掃描值-實測值）/實測值×100%）最大8號樣木是1.33%，10株樹平均相對誤差是0.54%;樹高相對誤差最大是8號樣木1.79%，10株樹平均相對誤差是0.88%。從這里能夠得出，通過對三維激光掃描系統的應用，在基本測樹因子上實現了精度的大幅度提升，所以利用測定結果計算林木材積有著準確與高效的優點，也避免為林木帶來損害，讓林業資源調查工作能夠順利開展。

（作者單位：210023南京森林警察學院）