徠卡測量系統(tǒng)(上海)有限公司 李 超 程 浩

南京林業(yè)大學(xué)森林資源與環(huán)境學(xué)院 王 芳

徠卡測量新技術(shù)應(yīng)用專欄

三維激光掃描儀在林木測量方面的應(yīng)用

徠卡測量系統(tǒng)(上海)有限公司 李 超 程 浩

南京林業(yè)大學(xué)森林資源與環(huán)境學(xué)院 王 芳

一、引 言

自1995年瑞士徠卡公司推出世界上第一臺(tái)三維激光掃描儀的原型產(chǎn)品以來，三維激光掃描技術(shù)已經(jīng)走過了十幾年的歷程。它是繼GPS之后，測繪行業(yè)在技術(shù)上的又一次飛躍。

傳統(tǒng)的測量方式是單點(diǎn)測量，以獲取單點(diǎn)的三維空間坐標(biāo)，而三維激光掃描則自動(dòng)、連續(xù)、快速地獲取目標(biāo)物體表面的密集采樣點(diǎn)數(shù)據(jù)，即點(diǎn)云，實(shí)現(xiàn)了由傳統(tǒng)點(diǎn)測量到面測量的跨越，是一種質(zhì)的飛躍。同時(shí)，獲取信息量也從點(diǎn)的空間位置信息擴(kuò)展到目標(biāo)物的紋理信息和色彩信息。三維激光掃描技術(shù)擁有許多自己獨(dú)特的優(yōu)勢，如:① 數(shù)據(jù)獲取的速度快，實(shí)時(shí)性強(qiáng);②數(shù)據(jù)獲取全面，精度高;③全天候作業(yè)，不受光線的影響，主動(dòng)性強(qiáng);④數(shù)據(jù)表達(dá)清楚明了，表達(dá)非常簡單。

本文采用Leica ScanStation C10脈沖式三維激光掃描儀(如圖1所示)，結(jié)合三維激光掃描儀工作的基本原理，探討從數(shù)據(jù)獲取到成果得出的整個(gè)流程。

圖1 Leica ScanStation C10三維激光掃描儀

二、三維激光掃描的基本原理

三維激光掃描儀采用非接觸式高速激光測量的方法，以點(diǎn)云形式表現(xiàn)目標(biāo)物體表面的幾何特征。儀器自身發(fā)射激光束到旋轉(zhuǎn)式鏡頭中心，鏡頭通過快速而有序地旋轉(zhuǎn)將激光依次掃過被測區(qū)域，一旦接觸到物體，光束立刻被反射回掃描儀，內(nèi)部微電腦通過計(jì)算光束的飛行時(shí)間從而計(jì)算出激光光斑與掃描儀兩者之間的距離;與此同時(shí)，儀器通過內(nèi)置角度測量系統(tǒng)來量測每一激光束的水平角與豎直角，進(jìn)而獲得每一個(gè)掃描點(diǎn)在掃描儀所定義坐標(biāo)系內(nèi)的X、Y、Z坐標(biāo)值。三維激光掃描儀在記錄激光點(diǎn)三維坐標(biāo)的同時(shí)也會(huì)將激光點(diǎn)位置處物體的反射強(qiáng)度值記錄，并稱之為“反射率”。三維激光掃描原理如圖2所示。

圖2 三維激光掃描原理圖

內(nèi)置了數(shù)碼相機(jī)的掃描儀在進(jìn)行掃描的過程中可以方便、快速地獲取外界物體真實(shí)的色彩信息，在掃描、拍照完成后，不僅可以得到點(diǎn)的三維坐標(biāo)信息，也獲取了物體表面的反射率信息和色彩信息。所以包含在點(diǎn)云信息里的不僅有X、Y、Z和強(qiáng)度信息，還包含每個(gè)點(diǎn)的RGB數(shù)字信息。

三、應(yīng)用實(shí)例

本次研究是利用C10對南京林業(yè)大學(xué)試驗(yàn)林進(jìn)行掃描，并利用Leica Cyclone軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行提取、整理、計(jì)算。

1.掃描前的準(zhǔn)備工作

對試驗(yàn)林進(jìn)行踏勘，確定掃描的測站位置、所需的測站數(shù)、掃描的路線以及標(biāo)靶安放的位置。

2.掃描過程

利用C10進(jìn)行機(jī)載控制，直接對試驗(yàn)林的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行獲取。操作過程中采用中等掃描密度(10 m處點(diǎn)間距為1 cm×1 cm)進(jìn)行掃描，并利用掃描儀內(nèi)置數(shù)碼相機(jī)進(jìn)行拍照，為室內(nèi)研究提供更多的數(shù)據(jù)支持。

3.數(shù)據(jù)預(yù)處理

采用Cyclone軟件進(jìn)行內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)的拼接及信息的提取。將4站數(shù)據(jù)合為一體將會(huì)得到試驗(yàn)林的一個(gè)完整數(shù)據(jù)。此次研究，要求精度較高，而且要求速度要快，所以選擇了標(biāo)靶拼接模式。

4.研究數(shù)據(jù)的提取

對拼接完成的數(shù)據(jù)進(jìn)行去噪處理，提取需要進(jìn)行研究的區(qū)域。

(1)胸徑、樹高的提取方法

從樹林掃描數(shù)據(jù)中任意分割提取有限株單獨(dú)樹木，首先進(jìn)行人工去噪處理，然后利用Cyclone中的Survey模塊對單株樹木進(jìn)行胸徑、樹高以及樹冠投影面積等進(jìn)行計(jì)算提取。提取過程如下:

1)分割出一部分點(diǎn)云。此點(diǎn)云里必須包含至少一株完整的樹木。

2)進(jìn)行人工去噪處理。因?yàn)辄c(diǎn)云顯示的是空間，所以在Cyclone中可以進(jìn)行任意角度的旋轉(zhuǎn)查看，并通過不斷地變換視角，進(jìn)行點(diǎn)云的去噪，以此就可方便準(zhǔn)確地得到所需要的單株樹木的點(diǎn)云數(shù)據(jù)。

3)胸徑的提取。胸徑是指在樹木(林業(yè)上稱之為樣木)距地1.3 m處的直徑，稱之為胸徑。根據(jù)定義，可以通過點(diǎn)云，查看樹干與地面接觸的位置，從而確定一個(gè)最為合適的基準(zhǔn)點(diǎn)來確定胸徑的位置?？梢砸曰鶞?zhǔn)點(diǎn)所在水平面為基準(zhǔn)建立水平參考面，如圖3所示。

圖3 水平參考面的建立

在Z軸正方向按照1.3 m的間距對水平參考面進(jìn)行偏移，就得到了胸徑的位置所在。以水平參考面為基準(zhǔn)做厚度為0.1 cm的切片，根據(jù)點(diǎn)云做最佳擬合，可得到胸徑值=0.180×2=0.36 m。

4)樹高的提取。在ModelSpace窗口中的視圖模式選擇正射視圖，在主視圖中找到樹木的最高點(diǎn)，以最高點(diǎn)為基準(zhǔn)建立參考平面。利用Cyclone提供的量測功能就可以得到基準(zhǔn)點(diǎn)到最高點(diǎn)所在參考面的距離，即高度。

(2)樹林中單株樹木位置信息的提取

此次測量沒有將坐標(biāo)系統(tǒng)引入到已知大地坐標(biāo)系統(tǒng)中去，所以此次得出單株樹木的位置坐標(biāo)也只是其在測量時(shí)使用的假定坐標(biāo)系統(tǒng)中的坐標(biāo)，但這都不會(huì)對計(jì)算過程產(chǎn)生影響。

先確定要進(jìn)行單株樹木位置信息提取的區(qū)域，對所選取區(qū)域點(diǎn)云行去噪處理，得到一個(gè)比較完整的點(diǎn)云。再根據(jù)點(diǎn)云確定一個(gè)最接近地面的水平參考面，如果要求的誤差范圍較大，可以對整個(gè)區(qū)域的樹木確定一個(gè)水平參考;如果要求的精度高，就需要對單株樹木確定參考面的位置。以前一種情況為例，根據(jù)點(diǎn)云可以找到一個(gè)最切合4株樹木的參考面位置，如圖4所示。

圖4 參考面的確定

以水平參考面為基準(zhǔn)做厚度為0.1 cm的切片，得到了4株樹木參考面處的切片點(diǎn)云，再根據(jù)點(diǎn)云做最佳擬合，得到4個(gè)圓，找到每個(gè)圓的圓心位置并創(chuàng)建圓心點(diǎn)，并標(biāo)記每個(gè)圓心的平面坐標(biāo)。

綜上所述，利用三維激光掃描儀進(jìn)行林業(yè)的調(diào)查，不僅在外業(yè)掃描時(shí)節(jié)省了大量的人力、物力，減少了工作者外業(yè)作業(yè)時(shí)間，減輕了勞動(dòng)強(qiáng)度，而且內(nèi)業(yè)處理時(shí)可以根據(jù)真實(shí)的三維坐標(biāo)對單株樹木進(jìn)行胸徑、樹高以及位置信息的提取，而大量點(diǎn)云數(shù)據(jù)保證了數(shù)據(jù)的全面性，以及成果的準(zhǔn)確性。

四、結(jié)束語

地面三維激光掃描作為一種高新技術(shù)，在森林資源調(diào)查、林分結(jié)構(gòu)研究、單木三維建模等方面有著巨大的應(yīng)用潛力。一方面，其作為一種能快速、有效獲取測樹因子的新方法，在豐富現(xiàn)有林業(yè)資源調(diào)查手段的同時(shí)，拓展了測樹空間;另一方面，該技術(shù)能對反映林分實(shí)時(shí)、動(dòng)態(tài)變化的樹冠特征以及林分結(jié)構(gòu)等信息進(jìn)行有效捕捉，并能提供高分辨率的三維點(diǎn)云影像圖，進(jìn)而有助于構(gòu)建精準(zhǔn)的單木三維模型。本文通過利用徠卡三維激光掃描儀進(jìn)行數(shù)據(jù)獲取，并利用單個(gè)Cyclone軟件對掃描數(shù)據(jù)進(jìn)行后處理，詳細(xì)介紹了從數(shù)據(jù)去噪到最后成果的得出，以及有效信息提取的全過程。

三維激光掃描儀被廣泛應(yīng)用的同時(shí)還存在一定的局限性，比如儀器的價(jià)格偏高，應(yīng)用于樹木掃描時(shí)樹冠間有相互遮擋等，這都限制了掃描儀在林業(yè)方面的應(yīng)用。但是隨著社會(huì)的發(fā)展，科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，相信不遠(yuǎn)的將來三維激光掃描儀會(huì)被大眾所接受，同時(shí)也希望這次三維激光掃描儀的運(yùn)用能為林業(yè)工作者在以后的林業(yè)調(diào)查中提供一些新的思路。

(本專欄由徠卡測量系統(tǒng)和本刊編輯部共同主辦)