一种基于三维激光扫描系统测量树冠体积方法的研究_以油松为例

1、第29卷增刊22007年8月北京林业大学学报JOURNALOFBEIJINGFORESTRYUNIVERSITYVol.29,Supp.2Aug.,2007一种基于三维激光扫描系统测量树冠体积方法的研究以油松为例熊妮娜王佳罗旭冯仲科韩光瞬23(1北京林业大学测绘与3S技术中心2中国计量科学研究院3北京市测绘设计研究院)摘要:树冠体积在林业及其他领域得到越来越广泛的应用.该文介绍了三维激光扫描系统的组成、工作原理及工作流程;探讨了应用三维激光扫描系统,通过扫描获取单株树木的三维空间点阵数据,将树冠近似为多个圆台体,求它们的体积之和来计算树冠体积的方法.并在甘肃省小陇山林业局党川林场以油松为例进行

2、了实验,而后对实测数据进行了精度分析,取得了较为满意的结果.研究表明,利用三维激光扫描系统测量树冠体积具有较强的实践意义和应用价值.关键词:三维激光扫描系统,点云数据,树冠体积,回归分析21522()增刊222中图分类号:S758文献标识码:A文章编号:10002XIONGNi2na;WANGJia;LUOXu;FENG2treecrown23volumebasedonthreedimensionlaserPinustabulaeformisasaTreecrownvolumeiswidelyappliedinforestryandotherfields.Thispaperintroduces

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

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

5、ssionanalysis树冠体积是指树冠所占空间的体积.现实生活2012215收稿日期:20072基金项目:国家自然科学基金项目(90302014).中将会是一个很大的突破.另外,树冠体积的大小会直接或间接地影响到生态环境,可以将其作为评价生态环境的一个指标.除此,在其他研究的很多基础问题上,都要用到树冠体积这个指标.例如树叶密度的计算、冠积指数的获得等都要用到树冠体积这个因子.因此提高树冠体积测值的精度在科学1领域中意义重大.树冠体积测量的传统方法是将树冠近似为一个规则的几何体.以把树冠假设为圆锥体为例,冠幅262391615Email:x-nina1261com第一作者:熊妮娜.主要研究

6、方向:地理信息系统、精准林业.电话:0102地址:100083北京林业大学402信箱.262337963Email:fengzhongke1261com地址:责任作者:冯仲科,博士,教授,博士生导师.主要研究方向:3S技术应用.电话:0102100083北京林业大学111信箱.62北京林业大学学报第29卷面积为这个圆锥体的底面积,树高与枝下高的差值三维激光扫描系统通过内置伺服驱动马达系统精密控制多面反射棱镜的转动,使脉冲激光束沿横轴方向和纵轴方向快速扫描.三维激光扫描仪所得到的原始观测数据主要包括:1)两个连续转动的用来反射脉冲激光的镜子的角度值,据此可得到激光束的水平方向值和竖直方向值;2)

7、脉冲激光传播的时间,据此可计算得到仪器到扫描点的距离值;3)扫描点的反射强度等.前两种数据用来计算扫描点的三维坐标值,扫描5点的反射强度则用来给反射点匹配颜色(图2).1,其工作目标就是快速、间三维模型,以便对模型进行进一步地分析和数据处理.该系统具有扫描范围大、速度快、精度高和易于建模等优点.目前三维激光扫描系统在工程上主要应用于建筑物和构筑物的三维建模、小范围的数字地面模型、独立物体的三维模型、大比例尺GIS系2422统和数据库数据更新等方面.111三维激光扫描仪工作原理扫描仪的发射器通过激光二极管向物体发射近红外波长的激光束,激光经过目标物体的漫反射,部分反射信号被接收器接收.通过测量激

8、光在仪器和目标物体表面的往返时间,计算仪器中心和目标点间的距离(图1).图2三维激光扫描测量原理FIGURE2Principleofthreedimensionalmeasurementbylaserscanning2三维激光扫描系统测量树冠体积的方法及数学模型通过三维激光扫描系统我们可以获得树木的点云数据.但由于树冠没有一个稳定的树体外形,它不像树干是一个填充的实体,树冠有很多的空隙,激光束可能通过这些空隙穿透树冠的树叶或树枝上进行了反射,这样得到的点云数据并不完全是树冠外层的空间点数据.我们得到的树冠的点云数据既包括了树冠的最外层能描述树冠空间大小的表面点数据,同时也包含了树冠内部的很多点

9、数据.这些树冠内部的点云数据影响了树冠表面积点的判读,因此我们要得到树冠的实体三维模型,可以采用以下方法:将一立木沿水平方向分割成若干等长的区分段,这样把单木的整个树冠看成由顶端的一个小圆锥和下面n个圆台组成的立体(图3).假设n趋于无穷大,单个圆台(圆锥)的高度hi无穷小,树冠体积即为这一圆锥和n个圆台体体积之和.树冠模型里的横截面积是通过对树冠部分点数据进行测量获得的,人工手动地选择一个横断面上8个方向上的树冠表面点云数据点,作为测量冠幅的控制点.通过软件量测出树冠横截面8个方向的冠幅,这8个方向冠幅的平均值作为一个圆台(或圆锥)的底面平均直径.如果树冠横断面的形状本身接近于圆形,我们只需

10、测一个树冠横断面的东西、南北方向上的图1脉冲激光测距原理图FIGURE1Schematicdiagramofrangemeasurementbypulselaser112原始观测数据的获取三维激光扫描系统的工作过程是一个不断重复的数据采集和处理过程,它采用仪器坐标系下的三维空间点组成的点云图来表达对目标采样的结果.增刊2熊妮娜等:一种基于三维激光扫描系统测量树冠体积方法的研究以油松为例63冠幅求平均即可,这个平均值为圆台(或圆锥)的底面直径.以下为体积模型建立的具体过程:图3三维激光扫描方法测量树冠体积方法的模拟图FIGURE3Simulatingpictureofmeasuringtreec

11、rownvolumeby3DlaserscanningmethodSi为树冠横断面的面积,S0为树冠最底端的横断面,S1、S2、Sn依次为第2个、第3个、第n+1个树冠横断面的面积.:(ShV圆台=:(+S1+S0S1)h1V1=30同理,第二个圆台的体积:(S+S2+S1S2)h2V2=31这样将n个圆台体相加最后得到树冠的体积:n(V=SSShn-1+Sn+n-1Sn)hn+3i3nn+1=1(1)仪器的姿态.将扫描仪和笔记本使用网线连接,打开扫描仪的电源.启动Cyclone软件,建立笔记本与扫描仪的通讯,扫描过程由Cyclone软件控制,通过集成的数码相机拍摄扫描对象的影像,在影像上选取

12、扫描区域.扫描仪根据软件环境中设置的参数(行、列数和扫描的分辨率等)自动进行扫描.4)控制标靶中心的获取每测站完成扫描后,均需要对控制标靶进行精细扫描.该扫描过程通过选取控制标靶区域内的点,为每个标靶设置唯一的标识,然后通过精细扫描该区域确定控制标靶的中心点.相同的控制标靶在不同测站中的标识必须相同,否则无法将各扫描站的点云数据统一到一个坐标系统下.5)坐标配准坐标配准的基本方法有3种:配对方式、全局方式、绝对方式.前两种属于相对方式,其他各站的.这两种方式,所设置的控制.而第3种方式,.在处理扫描数据时,各测站都需要转换到控制点所在的坐标系中.一般说来,前两种方式的处理,其相邻测站间往往需要

13、部分重叠,而最后一种方式的处理,则不一定需要测站间的重叠.工程应用中常用的坐标配准方法为配对方式.6)样木的三维建模利用Cyclone软件提供的丰富的点云数据处理功能,通过选取、截取、围栏选定的点云数据匹配生成面和复杂形体表面的不规则21562(图4).三角网,建成样木的三维模型3三维激光扫描系统测量树冠体积的步骤以油松为例311利用三维激光扫描系统测量树冠的步骤1)选择样地2004年78月在小陇山林业局党川林场选择样地.根据要求,选择林相相对整齐,具有一定代表性的地段作为样地.根据各种林分所2占比例和树种情况,布设了大小为0106hm的正方形样地38块,选择了13个树种(主要树种8个,杂木林

14、树种5个,总计102棵树)进行精准扫描量测.2)测站设计根据扫描树木的位置、大小形态和需要获取的控制点设计各扫描站和控制标靶(控制标靶的中心是直径为2mm的特殊材质的激光反射点)的位置.要求每站之间至少有3个控制标靶重合,通过控制点的强制符合,以确定两个测站点云数据符合所需的7个自由度,使点云数据最终能够统一到一个仪器坐标系统下.3)扫描在选定的测站上架设扫描仪,调整好图4样木三维模型的平视图(A)和俯视面(B)FIGURE4Threedimensionalmodelpicturesbyhorizontalangle(A)andverticalangle(B)forasampletree64北

15、京林业大学学报第29卷312三维激光扫描系统实验的数据分析与模型建立模型为:V=-751652+131973h利用三维激光扫描系统在甘肃省小陇山林业局党川林场选择样地测得树木的点云数据,其中包括15株油松,表1为实测得到的油松的林分因子数据及根据公式(1)计算得到的树冠体积数据.表1油松树冠体积TABLE1CrownvolumeofP.tabulaeformis编号yousong01yousong02yousong03yousong04yousong05yousong06yousong07(3)式中,h表示树高.表3树高与树冠体积的方差分析TABLE3Varianceanalysisofthe

16、relationsbetweentreecrownvolumeandheight变差来源离差平方和自由度回归188541001剩余7691109111总和2654510912均方均方比F261965F0105胸径m树高m冠幅东m冠幅南m树冠体积m34184通过表3可以得出此回归模型的复相关系数R2为01843,模型的决定系数R为01710,调整后的模2型决定系数AdjustedR为01684,且在置信度为95%时,F大于F0105.31213冠幅与树冠体积关系的回归模型3yousong08yousong09yousong10yousong113yousong12yousong13yousong

17、14yousong15在13组数据当中,南北:(4)-111650+251790x1-151476x2式中,x1表示东西冠幅,x2表示南北冠幅.表4冠幅与树冠体积的方差分析TABLE4Varianceanalysisoftherelationsbetweentreecrownvolumeandcrownwidth变差来源离差平方和自由度回归208841572剩余5660152110总和2654510912均方均方比F181448F.本文为了研究林分因子中胸径、树高、冠幅与树冠体积的关系,将树冠体积作为因变量,而其他林分因子作为自变量,建立了各自的回归模型及所有因子的多元回归模型.31211胸径

18、与树冠体积关系的回归模型通过比较胸径与树冠体积之间的多种回归模型,一元线性回归模型最优.在这15株油松中数据yousong08、yousong12由于偏离其他数据太远,被判断为错误数据而剔除.对余下的13株样木做回归分析,得到回归模型为:(2)V=31920+3241933d式中,V表示树冠体积,d表示胸径.表2胸径与树冠体积的方差分析TABLE2Varianceanalysisoftherelationsbetweentreecrownvolumeandbreastdiameter变差来源离差平方和自由度回归140331981剩余1251112011总和2654510912均方均方比F121

19、339F01053189通过表4可以得出此回归模型的复相关系数R2为01887,模型的决定系数R为01787,调整后的模2型决定系数AdjustedR为01744,且在置信度为95%时,F大于F0105.31214胸径、树高、冠幅与树冠体积关系的回归模型V=-381686-2451671d+41737h+311829x1-171133x2表5胸径、树高、冠幅与树冠体积的方差分析TABLE5Varianceanalysisoftherelationsbetweentree(5)crownvolumeandbreastdiameter,heightaswellascrownwidth418变差来源

20、离差平方和自由度回归228251364剩余371917378总和2654510912均方均方比F121273F3184通过表2可以得出此回归模型的复相关系数R2为01727,模型的决定系数R为01529,调整后的模2型决定系数AdjustedR为01486,且在置信度为95%时,F大于F0105.31212树高与树冠体积关系的回归模型通过表5可以得出此回归模型的复相关系数R2为01927,模型的决定系数R为01860,调整后的模2型决定系数AdjustedR为01790,且在置信度为95%时,F大于F0105.从以上结果与分析中可以看出,所建立的4个回归模型在置信度为95%时都能通过检验,以胸

21、径、树高、冠幅与树冠体积的综合回归分析模型为最同以上分析一样,以13株油松样木数据为基础,做树高与树冠体积之间的回归分析,得出的回归增刊2熊妮娜等:一种基于三维激光扫描系统测量树冠体积方法的研究以油松为例65佳.树冠体积不单与胸径、树高、冠幅中的某一因子有着相关关系,它受着胸径、树高、冠幅这3个因子的共同影响,而其中受冠幅因子的影响为最大,所以将胸径、树高、冠幅3个因子都引入树冠体积模型的建立中,得到的树冠体积模型拟合效果最好.5范海英,杨伦,邢志辉,等.Cyra三维激光扫描系统的工程应2181用研究J.矿山测量,2004(3):162FANHY,YANGL,XINGZH,etal.Appli

22、cationof3DlaserscanningsysteminengineeringprojectionJ.MineSurvey,20042181(3):1626张远智,胡广洋,刘玉彤,等.基于工程应用的3维激光扫描4结论1)传统测量树冠体积过程中,测量冠幅时是利2361系统J.测绘通报,2002,12(1):342ZHANGYZ,HUGY,LIUYT,etal.Applicationof3DlaserscanningsysteminengineeringprojectionJ.BulletinofSurveying2361andMapping,2002,12(1):3427中华人民共和国林业

23、部.林业专业调查主要技术规定M.用目视树冠最外枝叶投影在地面上的点作为控制点来测量,由于目视本身存在一定误差,所以各方向的冠幅也受这个因素影响,同时计算树冠体积时将树冠近似为标准几何体求体积.此种方法人为因素影响大,对树冠形状考虑较少,所得到的结果误差较大,精度较差.本文采用三维激光扫描系统方法,通过扫描获取单株树木的三维空间点阵数据,将树冠近似为多个圆台体(圆锥体),求它们的体积之和来计算树冠体积,可以在一定程度上减少人为因素的影响,提高测量树冠体积的精度.2)本文以油松为例,得油松的胸径、树高、冠幅、型,、树高、冠.3)利用三维激光扫描系统进行树冠体积的测量,通过得到的点云数据,建立树木的

24、三维模型,模拟树木的冠形是对于树冠体积测量方法的一种崭新的尝试.但由于三维激光扫描系统属高精密仪器,造价昂贵,目前只在项目研究中试用,与在林业调查部门普及尚有一定距离.相信随着时代的发展、科学的进步及仪器设备成本的不断降低,三维激光扫描系统在林业中将会得到更为广泛的应用.参考文献1陈东来,刘丽华,张景兰.林分密度的新指标冠积指数21021北京:中国林业出版社,1990:1002forestsurveyM.Beijing:ChinaForestryPublishingHouse,1990:2102110028孟宪宇.测树学M.2版.北京:中国林业出版社,19991MENGXY.Forestmea

25、surementM.2nded.Beijing:ChinaForestryPublishingHouse,199919冯仲科,郭清文,张彦林.2131与分析J,(增刊2):92NGZUOQConandanalysisofmofJ.Journalof2131,27(Supp.2):92,.角规三维点抽样估测林分蓄积的形点法冠2J.北京林业大学学报,2005,27(增刊2):142201FENGZK,XUZX.Under2crowntaperequationofformpointmethodincombinationwiththreedimensionalpointsamplingwithangl

26、egaugeforstandvolumeestimationJ.JournalofBeijing2201ForestryUniversity,2005,27(Supp.2):14211冯仲科,王仲锋,罗旭.小陇山10个树种林木生物学特征系2231数的研究J.北京林业大学学报,2005,27(增刊2):212FENGZK,WANGZF,LUOX.BiologycharacteristiccoeffientoftentreesspeciesinXiaolongMountain,WestChinaJ.Journalof2231BeijingForestryUniversity,2005,27(Sup

27、p.2):21212邓向瑞,冯仲科,罗旭.三维激光扫描系统在林业中的应用研2471究J.北京林业大学学报,2005,27(增刊2):432DENGXR,FENGZK,LUOX.Applicationofthree2dimensionlaserscanningsysteminforestJ.JournalofBeijingForestry2471University,2005,27(Supp.2):43213冯仲科,刘永霞.森林生物量测定精度分析J.北京林业大2171J.东北林业大学学报,2003,31(5):152CHENDL,LIULH,ZHANGJL.Anewindexofstanddensity21111学学报,2005,27(增刊2):1082FENGZK,LIUYX.PrecisionanalysisofforestbiomassmeasuringJ.JournalofBeijingForestryUniversity,2005,27(Supp.2):thecrownvolumeindexJ.JournalofNortheastFore