一種基于三維激光掃描系統(tǒng)測量樹冠體積方法的研究_以油松為例

1、第29卷增刊22007年8月北京林業(yè)大學(xué)學(xué)報JOURNALOFBEIJINGFORESTRYUNIVERSITYVol.29,Supp.2Aug.,2007一種基于三維激光掃描系統(tǒng)測量樹冠體積方法的研究以油松為例熊妮娜王佳羅旭馮仲科韓光瞬23(1北京林業(yè)大學(xué)測繪與3S技術(shù)中心2中國計量科學(xué)研究院3北京市測繪設(shè)計研究院)摘要:樹冠體積在林業(yè)及其他領(lǐng)域得到越來越廣泛的應(yīng)用.該文介紹了三維激光掃描系統(tǒng)的組成、工作原理及工作流程;探討了應(yīng)用三維激光掃描系統(tǒng),通過掃描獲取單株樹木的三維空間點陣數(shù)據(jù),將樹冠近似為多個圓臺體,求它們的體積之和來計算樹冠體積的方法.并在甘肅省小隴山林業(yè)局黨川林場以油松為例進(jìn)行

2、了實驗,而后對實測數(shù)據(jù)進(jìn)行了精度分析,取得了較為滿意的結(jié)果.研究表明,利用三維激光掃描系統(tǒng)測量樹冠體積具有較強的實踐意義和應(yīng)用價值.關(guān)鍵詞:三維激光掃描系統(tǒng),點云數(shù)據(jù),樹冠體積,回歸分析21522()增刊222中圖分類號:S758文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A文章編號:10002XIONGNi2na;WANGJia;LUOXu;FENG2treecrown23volumebasedonthreedimensionlaserPinustabulaeformisasaTreecrownvolumeiswidelyappliedinforestryandotherfields.Thispaperintroduces

3、thetheory,performance,characteristicsandsurveyingprocessofthreedimensionlaserscanningandmappingsystem,anddiscussestheapplicationofthissysteminmeasuringcrownvolume,whichregardingatreecrownasacombinationofagreatmanycirculartruncatedcones.BasedontheexperimentinXiaolongMountainofGansuProvince,takingPinu

4、stabulaeformisasacase,theauthorssetupamulti2regressionmodelandobtainedcomparativelysatisfiedresults.Itshowsthatusingthethreedimensionlaserscanningandmappingsystemformeasuringtreecrownvolumeispracticalandapplicable.Keywordsthreedimensionlaserscanningandmappingsystem,scanningdata,treecrownvolume,regre

5、ssionanalysis樹冠體積是指樹冠所占空間的體積.現(xiàn)實生活2012215收稿日期:20072基金項目:國家自然科學(xué)基金項目(90302014).中將會是一個很大的突破.另外,樹冠體積的大小會直接或間接地影響到生態(tài)環(huán)境,可以將其作為評價生態(tài)環(huán)境的一個指標(biāo).除此,在其他研究的很多基礎(chǔ)問題上,都要用到樹冠體積這個指標(biāo).例如樹葉密度的計算、冠積指數(shù)的獲得等都要用到樹冠體積這個因子.因此提高樹冠體積測值的精度在科學(xué)1領(lǐng)域中意義重大.樹冠體積測量的傳統(tǒng)方法是將樹冠近似為一個規(guī)則的幾何體.以把樹冠假設(shè)為圓錐體為例,冠幅262391615Email:x-nina1261com第一作者:熊妮娜.主要研究

6、方向:地理信息系統(tǒng)、精準(zhǔn)林業(yè).電話:0102地址:100083北京林業(yè)大學(xué)402信箱.262337963Email:fengzhongke1261com地址:責(zé)任作者:馮仲科,博士,教授,博士生導(dǎo)師.主要研究方向:3S技術(shù)應(yīng)用.電話:0102100083北京林業(yè)大學(xué)111信箱.62北京林業(yè)大學(xué)學(xué)報第29卷面積為這個圓錐體的底面積,樹高與枝下高的差值三維激光掃描系統(tǒng)通過內(nèi)置伺服驅(qū)動馬達(dá)系統(tǒng)精密控制多面反射棱鏡的轉(zhuǎn)動,使脈沖激光束沿橫軸方向和縱軸方向快速掃描.三維激光掃描儀所得到的原始觀測數(shù)據(jù)主要包括:1)兩個連續(xù)轉(zhuǎn)動的用來反射脈沖激光的鏡子的角度值,據(jù)此可得到激光束的水平方向值和豎直方向值;2)

7、脈沖激光傳播的時間,據(jù)此可計算得到儀器到掃描點的距離值;3)掃描點的反射強度等.前兩種數(shù)據(jù)用來計算掃描點的三維坐標(biāo)值,掃描5點的反射強度則用來給反射點匹配顏色(圖2).1,其工作目標(biāo)就是快速、間三維模型,以便對模型進(jìn)行進(jìn)一步地分析和數(shù)據(jù)處理.該系統(tǒng)具有掃描范圍大、速度快、精度高和易于建模等優(yōu)點.目前三維激光掃描系統(tǒng)在工程上主要應(yīng)用于建筑物和構(gòu)筑物的三維建模、小范圍的數(shù)字地面模型、獨立物體的三維模型、大比例尺GIS系2422統(tǒng)和數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)更新等方面.111三維激光掃描儀工作原理掃描儀的發(fā)射器通過激光二極管向物體發(fā)射近紅外波長的激光束,激光經(jīng)過目標(biāo)物體的漫反射,部分反射信號被接收器接收.通過測量激

8、光在儀器和目標(biāo)物體表面的往返時間,計算儀器中心和目標(biāo)點間的距離(圖1).圖2三維激光掃描測量原理FIGURE2Principleofthreedimensionalmeasurementbylaserscanning2三維激光掃描系統(tǒng)測量樹冠體積的方法及數(shù)學(xué)模型通過三維激光掃描系統(tǒng)我們可以獲得樹木的點云數(shù)據(jù).但由于樹冠沒有一個穩(wěn)定的樹體外形,它不像樹干是一個填充的實體,樹冠有很多的空隙,激光束可能通過這些空隙穿透樹冠的樹葉或樹枝上進(jìn)行了反射,這樣得到的點云數(shù)據(jù)并不完全是樹冠外層的空間點數(shù)據(jù).我們得到的樹冠的點云數(shù)據(jù)既包括了樹冠的最外層能描述樹冠空間大小的表面點數(shù)據(jù),同時也包含了樹冠內(nèi)部的很多點

9、數(shù)據(jù).這些樹冠內(nèi)部的點云數(shù)據(jù)影響了樹冠表面積點的判讀,因此我們要得到樹冠的實體三維模型,可以采用以下方法:將一立木沿水平方向分割成若干等長的區(qū)分段,這樣把單木的整個樹冠看成由頂端的一個小圓錐和下面n個圓臺組成的立體(圖3).假設(shè)n趨于無窮大,單個圓臺(圓錐)的高度hi無窮小,樹冠體積即為這一圓錐和n個圓臺體體積之和.樹冠模型里的橫截面積是通過對樹冠部分點數(shù)據(jù)進(jìn)行測量獲得的,人工手動地選擇一個橫斷面上8個方向上的樹冠表面點云數(shù)據(jù)點,作為測量冠幅的控制點.通過軟件量測出樹冠橫截面8個方向的冠幅,這8個方向冠幅的平均值作為一個圓臺(或圓錐)的底面平均直徑.如果樹冠橫斷面的形狀本身接近于圓形,我們只需

10、測一個樹冠橫斷面的東西、南北方向上的圖1脈沖激光測距原理圖FIGURE1Schematicdiagramofrangemeasurementbypulselaser112原始觀測數(shù)據(jù)的獲取三維激光掃描系統(tǒng)的工作過程是一個不斷重復(fù)的數(shù)據(jù)采集和處理過程,它采用儀器坐標(biāo)系下的三維空間點組成的點云圖來表達(dá)對目標(biāo)采樣的結(jié)果.增刊2熊妮娜等:一種基于三維激光掃描系統(tǒng)測量樹冠體積方法的研究以油松為例63冠幅求平均即可,這個平均值為圓臺(或圓錐)的底面直徑.以下為體積模型建立的具體過程:圖3三維激光掃描方法測量樹冠體積方法的模擬圖FIGURE3Simulatingpictureofmeasuringtreec

11、rownvolumeby3DlaserscanningmethodSi為樹冠橫斷面的面積,S0為樹冠最底端的橫斷面,S1、S2、Sn依次為第2個、第3個、第n+1個樹冠橫斷面的面積.:(ShV圓臺=:(+S1+S0S1)h1V1=30同理,第二個圓臺的體積:(S+S2+S1S2)h2V2=31這樣將n個圓臺體相加最后得到樹冠的體積:n(V=SSShn-1+Sn+n-1Sn)hn+3i3nn+1=1(1)儀器的姿態(tài).將掃描儀和筆記本使用網(wǎng)線連接,打開掃描儀的電源.啟動Cyclone軟件,建立筆記本與掃描儀的通訊,掃描過程由Cyclone軟件控制,通過集成的數(shù)碼相機拍攝掃描對象的影像,在影像上選取

12、掃描區(qū)域.掃描儀根據(jù)軟件環(huán)境中設(shè)置的參數(shù)(行、列數(shù)和掃描的分辨率等)自動進(jìn)行掃描.4)控制標(biāo)靶中心的獲取每測站完成掃描后,均需要對控制標(biāo)靶進(jìn)行精細(xì)掃描.該掃描過程通過選取控制標(biāo)靶區(qū)域內(nèi)的點,為每個標(biāo)靶設(shè)置唯一的標(biāo)識,然后通過精細(xì)掃描該區(qū)域確定控制標(biāo)靶的中心點.相同的控制標(biāo)靶在不同測站中的標(biāo)識必須相同,否則無法將各掃描站的點云數(shù)據(jù)統(tǒng)一到一個坐標(biāo)系統(tǒng)下.5)坐標(biāo)配準(zhǔn)坐標(biāo)配準(zhǔn)的基本方法有3種:配對方式、全局方式、絕對方式.前兩種屬于相對方式,其他各站的.這兩種方式,所設(shè)置的控制.而第3種方式,.在處理掃描數(shù)據(jù)時,各測站都需要轉(zhuǎn)換到控制點所在的坐標(biāo)系中.一般說來,前兩種方式的處理,其相鄰測站間往往需要

13、部分重疊,而最后一種方式的處理,則不一定需要測站間的重疊.工程應(yīng)用中常用的坐標(biāo)配準(zhǔn)方法為配對方式.6)樣木的三維建模利用Cyclone軟件提供的豐富的點云數(shù)據(jù)處理功能,通過選取、截取、圍欄選定的點云數(shù)據(jù)匹配生成面和復(fù)雜形體表面的不規(guī)則21562(圖4).三角網(wǎng),建成樣木的三維模型3三維激光掃描系統(tǒng)測量樹冠體積的步驟以油松為例311利用三維激光掃描系統(tǒng)測量樹冠的步驟1)選擇樣地2004年78月在小隴山林業(yè)局黨川林場選擇樣地.根據(jù)要求,選擇林相相對整齊,具有一定代表性的地段作為樣地.根據(jù)各種林分所2占比例和樹種情況,布設(shè)了大小為0106hm的正方形樣地38塊,選擇了13個樹種(主要樹種8個,雜木林

14、樹種5個,總計102棵樹)進(jìn)行精準(zhǔn)掃描量測.2)測站設(shè)計根據(jù)掃描樹木的位置、大小形態(tài)和需要獲取的控制點設(shè)計各掃描站和控制標(biāo)靶(控制標(biāo)靶的中心是直徑為2mm的特殊材質(zhì)的激光反射點)的位置.要求每站之間至少有3個控制標(biāo)靶重合,通過控制點的強制符合,以確定兩個測站點云數(shù)據(jù)符合所需的7個自由度,使點云數(shù)據(jù)最終能夠統(tǒng)一到一個儀器坐標(biāo)系統(tǒng)下.3)掃描在選定的測站上架設(shè)掃描儀,調(diào)整好圖4樣木三維模型的平視圖(A)和俯視面(B)FIGURE4Threedimensionalmodelpicturesbyhorizontalangle(A)andverticalangle(B)forasampletree64北

15、京林業(yè)大學(xué)學(xué)報第29卷312三維激光掃描系統(tǒng)實驗的數(shù)據(jù)分析與模型建立模型為:V=-751652+131973h利用三維激光掃描系統(tǒng)在甘肅省小隴山林業(yè)局黨川林場選擇樣地測得樹木的點云數(shù)據(jù),其中包括15株油松,表1為實測得到的油松的林分因子數(shù)據(jù)及根據(jù)公式(1)計算得到的樹冠體積數(shù)據(jù).表1油松樹冠體積TABLE1CrownvolumeofP.tabulaeformis編號yousong01yousong02yousong03yousong04yousong05yousong06yousong07(3)式中,h表示樹高.表3樹高與樹冠體積的方差分析TABLE3Varianceanalysisofthe

16、relationsbetweentreecrownvolumeandheight變差來源離差平方和自由度回歸188541001剩余7691109111總和2654510912均方均方比F261965F0105胸徑m樹高m冠幅東m冠幅南m樹冠體積m34184通過表3可以得出此回歸模型的復(fù)相關(guān)系數(shù)R2為01843,模型的決定系數(shù)R為01710,調(diào)整后的模2型決定系數(shù)AdjustedR為01684,且在置信度為95%時,F大于F0105.31213冠幅與樹冠體積關(guān)系的回歸模型3yousong08yousong09yousong10yousong113yousong12yousong13yousong

17、14yousong15在13組數(shù)據(jù)當(dāng)中,南北:(4)-111650+251790x1-151476x2式中,x1表示東西冠幅,x2表示南北冠幅.表4冠幅與樹冠體積的方差分析TABLE4Varianceanalysisoftherelationsbetweentreecrownvolumeandcrownwidth變差來源離差平方和自由度回歸208841572剩余5660152110總和2654510912均方均方比F181448F.本文為了研究林分因子中胸徑、樹高、冠幅與樹冠體積的關(guān)系,將樹冠體積作為因變量,而其他林分因子作為自變量,建立了各自的回歸模型及所有因子的多元回歸模型.31211胸徑

18、與樹冠體積關(guān)系的回歸模型通過比較胸徑與樹冠體積之間的多種回歸模型,一元線性回歸模型最優(yōu).在這15株油松中數(shù)據(jù)yousong08、yousong12由于偏離其他數(shù)據(jù)太遠(yuǎn),被判斷為錯誤數(shù)據(jù)而剔除.對余下的13株樣木做回歸分析,得到回歸模型為:(2)V=31920+3241933d式中,V表示樹冠體積,d表示胸徑.表2胸徑與樹冠體積的方差分析TABLE2Varianceanalysisoftherelationsbetweentreecrownvolumeandbreastdiameter變差來源離差平方和自由度回歸140331981剩余1251112011總和2654510912均方均方比F121

19、339F01053189通過表4可以得出此回歸模型的復(fù)相關(guān)系數(shù)R2為01887,模型的決定系數(shù)R為01787,調(diào)整后的模2型決定系數(shù)AdjustedR為01744,且在置信度為95%時,F大于F0105.31214胸徑、樹高、冠幅與樹冠體積關(guān)系的回歸模型V=-381686-2451671d+41737h+311829x1-171133x2表5胸徑、樹高、冠幅與樹冠體積的方差分析TABLE5Varianceanalysisoftherelationsbetweentree(5)crownvolumeandbreastdiameter,heightaswellascrownwidth418變差來源

20、離差平方和自由度回歸228251364剩余371917378總和2654510912均方均方比F121273F3184通過表2可以得出此回歸模型的復(fù)相關(guān)系數(shù)R2為01727,模型的決定系數(shù)R為01529,調(diào)整后的模2型決定系數(shù)AdjustedR為01486,且在置信度為95%時,F大于F0105.31212樹高與樹冠體積關(guān)系的回歸模型通過表5可以得出此回歸模型的復(fù)相關(guān)系數(shù)R2為01927,模型的決定系數(shù)R為01860,調(diào)整后的模2型決定系數(shù)AdjustedR為01790,且在置信度為95%時,F大于F0105.從以上結(jié)果與分析中可以看出,所建立的4個回歸模型在置信度為95%時都能通過檢驗,以胸

21、徑、樹高、冠幅與樹冠體積的綜合回歸分析模型為最同以上分析一樣,以13株油松樣木數(shù)據(jù)為基礎(chǔ),做樹高與樹冠體積之間的回歸分析,得出的回歸增刊2熊妮娜等:一種基于三維激光掃描系統(tǒng)測量樹冠體積方法的研究以油松為例65佳.樹冠體積不單與胸徑、樹高、冠幅中的某一因子有著相關(guān)關(guān)系,它受著胸徑、樹高、冠幅這3個因子的共同影響,而其中受冠幅因子的影響為最大,所以將胸徑、樹高、冠幅3個因子都引入樹冠體積模型的建立中,得到的樹冠體積模型擬合效果最好.5范海英,楊倫,邢志輝,等.Cyra三維激光掃描系統(tǒng)的工程應(yīng)2181用研究J.礦山測量,2004(3):162FANHY,YANGL,XINGZH,etal.Appli

22、cationof3DlaserscanningsysteminengineeringprojectionJ.MineSurvey,20042181(3):1626張遠(yuǎn)智,胡廣洋,劉玉彤,等.基于工程應(yīng)用的3維激光掃描4結(jié)論1)傳統(tǒng)測量樹冠體積過程中,測量冠幅時是利2361系統(tǒng)J.測繪通報,2002,12(1):342ZHANGYZ,HUGY,LIUYT,etal.Applicationof3DlaserscanningsysteminengineeringprojectionJ.BulletinofSurveying2361andMapping,2002,12(1):3427中華人民共和國林業(yè)

23、部.林業(yè)專業(yè)調(diào)查主要技術(shù)規(guī)定M.用目視樹冠最外枝葉投影在地面上的點作為控制點來測量,由于目視本身存在一定誤差,所以各方向的冠幅也受這個因素影響,同時計算樹冠體積時將樹冠近似為標(biāo)準(zhǔn)幾何體求體積.此種方法人為因素影響大,對樹冠形狀考慮較少,所得到的結(jié)果誤差較大,精度較差.本文采用三維激光掃描系統(tǒng)方法,通過掃描獲取單株樹木的三維空間點陣數(shù)據(jù),將樹冠近似為多個圓臺體(圓錐體),求它們的體積之和來計算樹冠體積,可以在一定程度上減少人為因素的影響,提高測量樹冠體積的精度.2)本文以油松為例,得油松的胸徑、樹高、冠幅、型,、樹高、冠.3)利用三維激光掃描系統(tǒng)進(jìn)行樹冠體積的測量,通過得到的點云數(shù)據(jù),建立樹木的

24、三維模型,模擬樹木的冠形是對于樹冠體積測量方法的一種嶄新的嘗試.但由于三維激光掃描系統(tǒng)屬高精密儀器,造價昂貴,目前只在項目研究中試用,與在林業(yè)調(diào)查部門普及尚有一定距離.相信隨著時代的發(fā)展、科學(xué)的進(jìn)步及儀器設(shè)備成本的不斷降低,三維激光掃描系統(tǒng)在林業(yè)中將會得到更為廣泛的應(yīng)用.參考文獻(xiàn)1陳東來,劉麗華,張景蘭.林分密度的新指標(biāo)冠積指數(shù)21021北京:中國林業(yè)出版社,1990:1002forestsurveyM.Beijing:ChinaForestryPublishingHouse,1990:2102110028孟憲宇.測樹學(xué)M.2版.北京:中國林業(yè)出版社,19991MENGXY.Forestmea

25、surementM.2nded.Beijing:ChinaForestryPublishingHouse,199919馮仲科,郭清文,張彥林.2131與分析J,(增刊2):92NGZUOQConandanalysisofmofJ.Journalof2131,27(Supp.2):92,.角規(guī)三維點抽樣估測林分蓄積的形點法冠2J.北京林業(yè)大學(xué)學(xué)報,2005,27(增刊2):142201FENGZK,XUZX.Under2crowntaperequationofformpointmethodincombinationwiththreedimensionalpointsamplingwithangl

26、egaugeforstandvolumeestimationJ.JournalofBeijing2201ForestryUniversity,2005,27(Supp.2):14211馮仲科,王仲鋒,羅旭.小隴山10個樹種林木生物學(xué)特征系2231數(shù)的研究J.北京林業(yè)大學(xué)學(xué)報,2005,27(增刊2):212FENGZK,WANGZF,LUOX.BiologycharacteristiccoeffientoftentreesspeciesinXiaolongMountain,WestChinaJ.Journalof2231BeijingForestryUniversity,2005,27(Sup

27、p.2):21212鄧向瑞,馮仲科,羅旭.三維激光掃描系統(tǒng)在林業(yè)中的應(yīng)用研2471究J.北京林業(yè)大學(xué)學(xué)報,2005,27(增刊2):432DENGXR,FENGZK,LUOX.Applicationofthree2dimensionlaserscanningsysteminforestJ.JournalofBeijingForestry2471University,2005,27(Supp.2):43213馮仲科,劉永霞.森林生物量測定精度分析J.北京林業(yè)大2171J.東北林業(yè)大學(xué)學(xué)報,2003,31(5):152CHENDL,LIULH,ZHANGJL.Anewindexofstanddensity21111學(xué)學(xué)報,2005,27(增刊2):1082FENGZK,LIUYX.PrecisionanalysisofforestbiomassmeasuringJ.JournalofBeijingForestryUniversity,2005,27(Supp.2):thecrownvolumeindexJ.JournalofNortheastFore