張民俠，張慧娟，高瑞金，王 瑞

(1. 南京森林警察學(xué)院，江蘇 南京 210023; 2. 北京麥格天渱科技發(fā)展有限公司，北京 100043; 3. 江蘇省南京工程高等職業(yè)學(xué)校，江蘇 南京 211135； 4. 中油(新疆)石油工程有限公司設(shè)計(jì)分公司，新疆 克拉瑪依 834000)

《國(guó)家林業(yè)局、公安部關(guān)于森林和陸生野生動(dòng)物刑事案件管轄及立案標(biāo)準(zhǔn)》《最高人民法院關(guān)于審理破壞森林資源刑事案件具體應(yīng)用法律若干問(wèn)題的解釋》等相關(guān)法律規(guī)定，林木材積是盜伐、濫伐林木等森林案件定性處罰的主要依據(jù)。

在森林案件現(xiàn)場(chǎng),被盜伐、濫伐林木多呈伐倒木狀態(tài),伐倒木材積計(jì)算公式較多,使用公式計(jì)算時(shí)，需要逐株測(cè)量相關(guān)因子，測(cè)量需要的時(shí)間較長(zhǎng)，個(gè)別公式的計(jì)算過(guò)程較煩瑣，影響了辦理案件的效率。探討應(yīng)用三維激光掃描方法測(cè)定涉案伐倒木的材積，對(duì)提高測(cè)定的精度和效率具有非常重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 三維激光掃描儀的工作原理

三維激光掃描儀是通過(guò)其新型的掃描技術(shù)實(shí)現(xiàn)非接觸式的快速測(cè)量方式，以其每秒高達(dá)百萬(wàn)點(diǎn)的速度快速獲取大空間內(nèi)場(chǎng)景數(shù)據(jù)[1-3]。三維激光掃描儀主要由掃描儀(如圖1所示)、控制器(計(jì)算機(jī))和電源供應(yīng)系統(tǒng)3部分組成。掃描儀主要由一臺(tái)快速準(zhǔn)確的激光測(cè)距儀加上一組可導(dǎo)引激光以等速度掃描的反射鏡及數(shù)碼相機(jī)組成。

圖1 Trimble TX8靜態(tài)三維激光掃描儀

在三維激光掃描儀內(nèi)，通過(guò)兩個(gè)同步反射鏡快速有序地旋轉(zhuǎn)將激光脈沖發(fā)生器發(fā)出的窄束激光脈沖依次掃過(guò)被測(cè)區(qū)域，測(cè)量每個(gè)激光脈沖從發(fā)出經(jīng)被測(cè)物表面再反射回儀器所經(jīng)過(guò)的時(shí)間(或相位差)來(lái)計(jì)算距離(如圖2所示)，同時(shí)掃描控制模塊控制和測(cè)量每個(gè)脈沖激光的角度，最后計(jì)算出激光點(diǎn)在被測(cè)物體上的三維坐標(biāo)。

2 外業(yè)采集與內(nèi)業(yè)處理結(jié)果分析

2.1 三維激光掃描儀法計(jì)算伐倒木材積的外業(yè)采集與處理分析

使用TrimbleTX8分別對(duì)室內(nèi)外的伐倒木進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)掃描如圖3、圖4所示。

在外業(yè)掃描的基礎(chǔ)上，獲得伐倒木室內(nèi)點(diǎn)云灰

色編碼顯示圖及室外點(diǎn)云色彩編碼顯示圖如圖5、圖6所示。

圖4 室外現(xiàn)場(chǎng)掃描圖像

圖5 室內(nèi)點(diǎn)云灰色編碼顯示

圖6 三維激光掃描由點(diǎn)云計(jì)算材積

對(duì)掃描結(jié)果進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，三維激光掃描由點(diǎn)云計(jì)算材積。

選取掃描效果較好的伐倒木計(jì)算材積，不同伐倒木材積測(cè)量結(jié)果見表1、表2。

表1 三維激光掃描測(cè)定伐倒木材積結(jié)果(室內(nèi)) m3

表2 三維激光掃描法測(cè)定伐倒木材積結(jié)果(室外) m3

2.2 三維激光掃描法計(jì)算的材積結(jié)果與常規(guī)公式法計(jì)算材積比較分析

對(duì)不同伐倒木材積公式計(jì)算的材積結(jié)果與三維激光掃描儀法計(jì)算的材積結(jié)果進(jìn)行比較如圖7、圖8所示。

從圖7、圖8可以看出，三維激光掃描法計(jì)算的結(jié)果接近于公式法計(jì)算的平均狀態(tài)，計(jì)算結(jié)果能滿足材積計(jì)算的結(jié)果要求[4]。

圖7 不同伐倒木材積公式計(jì)算結(jié)果與三維激光掃描法計(jì)算結(jié)果比較(室內(nèi))

圖8 不同伐倒木材積公式計(jì)算結(jié)果與三維激光掃描法計(jì)算結(jié)果比較(室外)

通過(guò)誤差研究分析，使用三維激光掃描法獲得的基本測(cè)樹因子具有很高的精度，獲得的材積可以代替伐倒木實(shí)測(cè)材積，可用于建立林木材積方程，相關(guān)軟件可以計(jì)算表面非常不規(guī)則幾何體的體積，獲得的材積比伐倒木區(qū)分求積獲得的材積更準(zhǔn)確[5-6]。

3 結(jié)論與討論

(1) 就伐倒木材積計(jì)算公式而言，區(qū)分求積的方法計(jì)算的結(jié)果精度高于近似求積式計(jì)算的結(jié)果，利用三維激光掃描儀計(jì)算材積時(shí)，同樣遵循了區(qū)分的方法，因此計(jì)算結(jié)果精度較高。從測(cè)量的數(shù)據(jù)也可以看出，三維激光掃描測(cè)定的伐倒木材積與公式法中區(qū)分的方法計(jì)算的結(jié)果更接近。

(2) 從理論推導(dǎo)，對(duì)于同一株樹干上，區(qū)分段越短，區(qū)分段干形越接近于立體幾何體，其計(jì)算材積越精確。但在實(shí)際工作中，考慮測(cè)量的工作量，一般區(qū)分段不少于5段即可，而使用三維激光掃描儀時(shí)，區(qū)分段數(shù)可以不受限制[7-8]。

(3) 通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)，利用三維激光掃描技術(shù)測(cè)

得的數(shù)據(jù)完全能夠滿足林業(yè)測(cè)量的精度要求。

(4) 利用三維激光掃描法計(jì)算伐倒木材積具有速度快、效率高的特點(diǎn)，可作為盜伐林木和濫伐林木等森林案件性處罰的主要依據(jù),以提高辦案效率。

(5) 三維激光掃描的特點(diǎn)是即見則即得，因此掃描時(shí)要保證最大限度地掃描伐倒木的全部，這樣計(jì)算的材積結(jié)果更精確。

(6) 掃描時(shí)要保證多方位、多角度地掃描，獲得更多的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，以提高計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確度。

總之，三維激光掃描儀完全可以應(yīng)用于林木材積的測(cè)定中，并且可以滿足測(cè)量精度的要求。三維激光掃描儀有許多優(yōu)點(diǎn)，其應(yīng)用是對(duì)傳統(tǒng)森林調(diào)查方法、技術(shù)手段和儀器使用的一次創(chuàng)新和嘗試，特別在森林案件現(xiàn)場(chǎng)復(fù)原、痕跡物證的提取和固定具有非常重要的作用，可以推廣使用，擴(kuò)大三維激光掃描儀的應(yīng)用范圍。