陜西工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 王寧

機載三維激光掃描儀在農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用

陜西工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 王寧

三維激光掃描技術(shù)具有高精度、強實時性和主動性、全數(shù)字化并能對任何物體進(jìn)行掃描，不受氣候，地域等影響的特點，是一種新型的測量技術(shù)，而機載三維激光掃描儀為此技術(shù)中的一個新發(fā)展，在各個領(lǐng)域的應(yīng)用也越來越深入。本文主要介紹機載三維激光掃描儀的工作背景及其在農(nóng)業(yè)上的應(yīng)用及展望。

機載三維激光掃描儀；農(nóng)業(yè)；應(yīng)用

1 前言

機載三維激光掃描技術(shù)是一種可采用無接觸方式直接掃描復(fù)雜的現(xiàn)場環(huán)境及空間的現(xiàn)代高精度傳感技術(shù)，并可直接獲取各種實際物體或?qū)嶋H景色的三維數(shù)據(jù)，具有許多常規(guī)測繪儀器無可比擬的優(yōu)勢，有著較廣泛的應(yīng)用范圍，并且隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，機載三維激光掃描儀的性能也將得到大大提升。隨著經(jīng)濟的發(fā)展，農(nóng)業(yè)對農(nóng)機具的要求也越來越高，而機載三維激光掃描儀在農(nóng)業(yè)中的廣泛應(yīng)用將使我國的農(nóng)業(yè)發(fā)展水平大大提高，有利于農(nóng)業(yè)機械化、信息化，有利于促進(jìn)實現(xiàn)小康社會的偉大目標(biāo)。

2 背景

我國的機載三維激光掃描技術(shù)起步較晚，20世紀(jì)60年代激光技術(shù)開始出現(xiàn)，到20世紀(jì)80年代，歐美發(fā)達(dá)國家開展了機載三維激光掃描技術(shù)的研究，并于1990年由德國艾克曼恩教授領(lǐng)銜研制世界第一激光斷面測量系統(tǒng)。在20世紀(jì)激光技術(shù)以其單一性和高聚積度的特點獲得巨大發(fā)展。目前與國外相比，我國的研究成果還有較大差距。

在過去的十幾年中，機載三維激光掃描儀得到了一定的發(fā)展，它憑借其能夠準(zhǔn)確、快速獲得地面三維數(shù)據(jù)的技術(shù)特點已在眾多行業(yè)領(lǐng)域得到廣泛運用。其中，在農(nóng)業(yè)方面，種植業(yè)中機載三維激光掃描儀已被應(yīng)用于作物掃描后三維建模、作物生長周期分析和對比，作物估產(chǎn)的研究。林業(yè)中用于獲取樹木參數(shù)、森林結(jié)構(gòu)研究、樹木三維模型構(gòu)建等方面，并取得了一定成果。但在農(nóng)業(yè)其他領(lǐng)域應(yīng)用尚未廣泛。

3 應(yīng)用

3.1 種植方面應(yīng)用

3.1.1 作物生長動態(tài)監(jiān)控

不同的作物有不同生長周期，不同地區(qū)作物的生長周期不同，相同作物在不同區(qū)域的生長周期也不盡相同，作物的生長受氣候、地形、土壤、水分、陽光等因素的影響。有新物種出現(xiàn)時，作物的生長周期也有可能發(fā)生變化。通過機載三維激光掃描儀對作物進(jìn)行動態(tài)監(jiān)測，了解作物從發(fā)芽到成熟各階段的發(fā)育狀況，從而知道作物生長周期的變化。尋找規(guī)律，以便更好地進(jìn)行田間管理，防止蟲害，使作物增產(chǎn)。

3.1.2 作物三維理想建模

植物是虛擬現(xiàn)實領(lǐng)域的重要建模對象之一，特別是在虛擬農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用中，對植物對象的真實感建模提出了更高的要求。由于植物形態(tài)具有多樣性和復(fù)雜性的特點，通過機載三維激光掃描儀直接獲取的點云數(shù)據(jù)或通過立體視覺技術(shù)從圖像序列恢復(fù)的植物三維網(wǎng)格模型中。作物三維建模的研究對象為作物的根、莖、枝、葉和果實等各器官的組分，通過機載三維激光掃描儀的精確掃描，研究作物各階段的生長發(fā)育狀況和植株三維建模。因此，機載三維激光掃描儀對作物的三維建模，為研究作物的栽培、發(fā)育、性能和結(jié)構(gòu)等提供了一種全新有效的方法。

國內(nèi)外許多教授利用機載三維激光掃描儀對作物進(jìn)行掃描建模，與通過基于手工測量數(shù)據(jù)和數(shù)字設(shè)計的手段對作物建模相比，發(fā)現(xiàn)前者較理想。高質(zhì)量的作物三維模型能確保作物的真實感，對研究虛擬農(nóng)業(yè)具有重要意義。

3.2 林業(yè)方面應(yīng)用

3.2.1 結(jié)構(gòu)參數(shù)批量提取

測量樣方內(nèi)單株木的樹種、位置、高度株木的樹種、位置、高度冠幅和樣方的植株密度、胸高斷面積等是森林資源調(diào)查的重要內(nèi)容之一，這些都可用機載三維激光掃描儀來完成的。

與普通的測量方法相比，機載三維激光掃描儀測量法具有突出的特點———高點位密度和高精度。因為其掃描方式是“自下而上”的，所以林冠下層部分(如樹干、枝葉)能夠被清晰地記錄下來，更加適合地面森林調(diào)查工作。在記錄森林垂直結(jié)構(gòu)特征、提取冠層結(jié)構(gòu)參數(shù)方面擁有巨大的潛力和優(yōu)勢?？梢哉f，生成了一個現(xiàn)實世界的“模型”，應(yīng)用到林學(xué)與生態(tài)學(xué)中則是一個可以測量的真實三維群落。若能夠從點云數(shù)據(jù)中精確地分割出每一棵樹，那么這一技術(shù)將極大地革新傳統(tǒng)森林資源調(diào)查方法并細(xì)化生態(tài)模型輸入?yún)?shù)內(nèi)容，從而實現(xiàn)結(jié)構(gòu)參數(shù)批量生產(chǎn)。

4 展望

與國外相比，目前，我國機載三維激光掃描儀在農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用尚不廣泛，但是它的前景十分廣闊，機載三維激光掃描儀軟件系統(tǒng)關(guān)鍵位點云數(shù)據(jù)讀取、數(shù)據(jù)分析處理及場景重建，而當(dāng)前首要解決的是如何快速地對大量點云數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，以及如何快速從點云數(shù)據(jù)中提取出所需的數(shù)據(jù)信息和簡化模型的問題。這對于研究作物生長發(fā)育機理與產(chǎn)量之間關(guān)系具有重要的現(xiàn)實意義。為縮短與國外的差距，應(yīng)積極學(xué)習(xí)引進(jìn)國外技術(shù)，促進(jìn)農(nóng)業(yè)機械化、信息化，使農(nóng)業(yè)發(fā)展與經(jīng)濟發(fā)展相適應(yīng)。

[1]魏學(xué)禮,肖伯祥,郭新宇等.三維激光掃描技術(shù)在植物掃描中的應(yīng)用分析[J].中國農(nóng)學(xué)通報,2012(08)：373-377.

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王寧，男，1987年出生，河北安新人，碩士，助教，研究方向：測繪技術(shù)應(yīng)用。