精準林業監測系統的設計與開發

王婷 張稷 張蓮 張一茹 李達

摘 要：采用三維激光掃描系統進行精準林業監測，通過配套軟件對冠下徑、冠下高、冠長、胸徑、任意處直徑等林木測量參數進行測量，編程實現樹冠體積和表面積、樹干材積監測計算，對于精準林業監測具有重要參考意義。

關鍵詞：三維激光掃描;點云;精準林業監測

1精準林業監測系統設計

本文主要研究應用三維激光掃描系統實現精準林業監測，技術路線如下：三維激光掃描系統設站、分站掃描目標樹;進行點云匹配、剔除干擾點;利用三維激光掃描儀配套軟件直接測量樹高、樹干直徑和樹冠冠長、冠幅、冠下徑等測樹參數;編程實現樹干體積、樹冠體積與表面積的自動監測計算。

2 樹高、冠長、冠下高、冠下徑、胸徑、任意處直徑等參數的監測

應用三維激光掃描系統掃描結束后，采用配套軟件經過匹配的點云有很多干擾點，在對照草圖的基礎上剔除干擾點，得到樹木點云數據。得到的樹木點云圖為儀器本身坐標系，需要轉化為適合用戶的用戶坐標系。轉化的方法為：應用配套軟件在選圖模式中在點云圖上沿著樹干選擇三個點，然后建立用戶坐標系，并且保存。要進行胸徑，任意處直徑，樹高，冠長，冠幅，冠下高，冠下徑等數據測量需要設立參考平面，參考平面為與樹干相切的平面，它的原點在用戶坐標系的原點，長度可以根據樹高來設定。在參考平面上沿著樹干繪制三維多斷線，根據樹高設置向上的距離。測量結果可以顯示在模型空間中，也可以以文本文件輸出。

3 樹干材積監測

3.1樹干材積監測模型設計

樹干材積的計算可采用區分求積的方法。將樹木根部到胸徑處作為一段，材積按圓臺體積公式計算。胸徑（地面上1.3m處）以上按每2m或1m一段進行分段，體積按圓臺體積計算公式計算，具體按多少長度進行分段視具體情況而定。不足2m或1m長的末端作為一段，體積按圓錐體體積計算公式計算。

3.2 樹干材積監測計算

以徑階為12cm的油松為例，樹高和直徑已經在掃描的點云上直接量取，記入文本文件。首先按“打開文件”鍵，輸入樹高和直徑數據，樹干的示意圖顯示在窗體左側，樹高和直徑數據顯示在窗體右側，其中也顯示了梢頭數據，然后按“樹干的體積”鍵，樹干的體積顯示在窗體右側，如圖1所示。

4 樹冠體積與表面積監測

4.1樹冠體積與表面積監測模型設計

把樹冠看成小圓臺組成的立體，求出每個小圓臺的體積和表面積，然后對它們求和，就可以計算出整個樹冠的體積和表面積。采用的方法是在經過處理的點云圖上測量單木任意一個剖面邊緣的特征點的坐標，用三次樣條法擬合這個剖面;然后在此剖面順時針旋轉一定角度的方向上再測量一個剖面的特征點的坐標，同樣擬合剖面，一共測量6個剖面。

4.2樹冠體積和表面積監測計算

圖2是軟件的主界面，在此軟件中首先要按“插值”鍵，出現如圖3的界面，在此界面中首先依次輸入6個剖面的文件和此剖面要統一到一個坐標系統需要旋轉的角度，并依次對此進行三次樣條曲線模擬，模擬曲線以后，下面的一個剖面文件框會顯示此剖面的文件路徑和名稱——只有框里出現剖面的文件路徑和名稱，才能說明此剖面已經擬合。而只有這6個剖面的文件全部打開并且都進行了曲線擬合，主界面中的“顯示圖形”鍵才能使用，也只有6個剖面進行了插值才能求出表面積和體積。這6個剖面雖然分別旋轉一定的角度，但是這些角度值有一定的規律，依次遞增。當6個剖面都擬合以后，就可以對剖面進行插值運算了。當插值運算完畢，分別點擊此按鈕得到此樹的體積和表面積。

5 結論

本文研究三維激光掃描系統在林木測量中的應用，設計方案實現了基本林業參數的精準監測，對于林木測量的發展具有重要意義，得出如下結論：

1、利用三維激光掃描軟件，直接在點云圖上量測樹高、冠長、冠下高、冠下徑、胸徑、任意處直徑等林木測量參數。

2、實現了樹干材積、樹冠體積與表面積的監測計算。計算的樹冠體積和表面積仍然會有誤差，產生誤差的主要原因是測量的剖面數量偏少，擬合的閉合曲線與現實中橫截面截取的閉合曲線有差異，造成截面面積偏差。

參考文獻

[1] 范海英等.三維激光掃描系統在精準林業測量中的應用[J].測繪通報，2010

[2] 劉德偲等.三維激光掃描系統在國家森林城市本溪市精準林木測量中的應用研究[J] .絲路視野，2017