王 磊，徐 工，燕立爽，馬 林

(1.濟南市勘察測繪研究院，山東 濟南 250101;2.山東理工大學 建筑工程學院，山東 淄博 255000;3.濟南市土地儲備中心，山東 濟南 250099)

生態(tài)林業(yè)是我國林業(yè)發(fā)展的方向，是國家可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略以及全球環(huán)境發(fā)展的要求[1-3]。森林生物量是森林生態(tài)系統(tǒng)的最基本數(shù)量特征。1994年，聯(lián)合國糧農組織在“國際森林資源監(jiān)測大綱”中就明確規(guī)定：森林生物量是森林資源監(jiān)測中的一項重要內容[3]，碳儲量是森林生物量中最主要的一部分，其高效測算是目前生態(tài)林業(yè)發(fā)展中一項重要工作。目前碳儲量估算方法多是采用遙感監(jiān)測的方式，估算精度低，尤其是樹冠下部分。三維激光掃描技術近年來迅速成長，具有無接觸測量、數(shù)據(jù)成果豐富、精度高等優(yōu)勢[4-7]，為林業(yè)向科學管理的方向發(fā)展提供了有力的技術支撐，它能夠簡潔而又準確地對樹木表面的三維信息進行獲取，且不受林地多方面條件的制約。本文將研究三維激光掃描技術在生態(tài)林業(yè)中的應用，利用海量點云數(shù)據(jù)估算樹木碳儲量，以期提高碳儲量估算精度。

1 三維激光掃描技術簡述

1.1 三維激光掃描技術工作原理

三維激光掃描儀突破了傳統(tǒng)的單點測量方法，具有效率高、精度高的優(yōu)勢，是無合作目標激光測距與角度測量結合的自動化快速測量系統(tǒng)，在復雜空間對被測物體進行快速掃描測量，直接獲得激光點云數(shù)據(jù)、顏色、反射強度等信息，并進行自動存儲計算[8]。

三維激光掃描儀采用系統(tǒng)局部坐標系，激光束發(fā)射點為坐標原點，X、Y軸位于激光橫向掃描方向，Z軸位于激光縱向掃描方向[8]，如圖1所示。

圖1 三維激光掃描坐標測量示意圖

任意一個掃描點P的三維坐標(X，Y，Z)為：

(1)

1.2 三維激光掃描技術適用范圍

三維激光掃描技術不斷發(fā)展，日漸成熟，其巨大優(yōu)勢在于可以快速掃描被測物體，直接獲取高精度的掃描點云數(shù)據(jù)，高效地對真實世界進行三維建模和虛擬重現(xiàn)。

目前，三維激光掃描技術在土木工程、工業(yè)測量、災害調查、數(shù)字城市、城鄉(xiāng)規(guī)劃及以下領域有廣泛的應用：(1)測繪工程領域：地形測量、道路測繪、河道測繪、橋梁建筑物測繪、變形監(jiān)測、管道測量等。(2)結構測量方面：橋梁改擴建工程、結構檢測、幾何尺寸測量、面積、體積測量、大型內部設備測量、機械制造安裝等。(3)建筑、古跡測量方面：古跡的保護測量、文物修復，資料保存等，遺址測繪、現(xiàn)場虛擬模型與影像記錄。(4)緊急服務業(yè)：反恐怖主義、移動偵察、災害估計、交通事故、犯罪現(xiàn)場正射圖，森林火災監(jiān)控，災害預警等。(5)娛樂業(yè)：電影產品設計、場景設計、3D游戲開發(fā)，虛擬博物館，虛擬旅游等。(6)采礦業(yè):礦山測量作業(yè)，危險區(qū)域人員不方便到達的區(qū)域，如：塌陷、懸崖、溶洞等。

1.3 三維激光掃描技術的優(yōu)勢分析

相比于常用的遙感(Remote Sensing，簡稱RS)監(jiān)測手段，在碳儲量估算方面，三維激光掃描技術(LS)有其優(yōu)勢之處，具體如表1所示。

2 樹木點云數(shù)據(jù)采集與處理

本次實驗采用Z+F掃描儀，以單棵懸鈴木樹為實驗對象，通過實地踏勘后，共掃描6站，獲得點云556 431個，如圖2所示為原始點云。由于掃描儀各站采用的是獨立坐標系，因此需要進行坐標系拼接，即配準工作，配準后結果如圖3所示；配準后存在大量冗余或噪聲數(shù)據(jù)，因此需要進行去噪工作，去噪后效果如圖4所示；為提高計算效率，在保證樹木特征不丟失的前提下，進行了相應的海量點云壓縮工作，壓縮效果如圖5所示，壓縮后點云86 354個。這些前期工作本次均采用相應的處理軟件，人工完成，其中配準使用的是Z+F配套軟件，去噪與壓縮則采用的是Geomagic Studio軟件。

表1 三維激光掃描技術與遙感技術比較

圖2 處理前原始點云

圖3 配準后

3 樹木模型重建及參數(shù)獲取

(1)樹木三維建模

基于樹木點云數(shù)據(jù)的建模與優(yōu)化在3D Max中完成，主要包括樹干、樹枝及樹葉部分,其中樹干部分是重點，需要精細建模，渲染工作則通過lumion完成。

圖4 去噪后

圖5 壓縮后

圖6 樹木模型重建

(2)樹木參數(shù)獲取

模型重建完成后，需要用點云數(shù)據(jù)得到的模型進行各項參數(shù)的量算，主要參數(shù)有樹高(H)、胸徑(D)、樹冠體積(V)等。

樹高指樹木從底部的根莖的最低端到樹冠最頂部之間的距離。胸徑是立木測定中的基本因子之一，指樹木的主體枝干距離地面1.3 m處的胸高處的直徑，當該斷面為畸形斷面時，則量取其最小值和最大值然后取平均值[9]。樹高和胸徑的量取需要將模型在CAD中完成精確量取。

基于傳統(tǒng)方法的樹冠體積量測不僅自動化程度低而且提取精度較差。以地面三維激光掃描技術獲取的點云數(shù)據(jù)為基礎，在點云數(shù)據(jù)的基礎上進行模型重建，從重建后的模型中利用剖面提取的方法得到樹木的樹冠，對樹冠進行構網并量測即可獲得樹冠體積[10-12]。

準真值量測時，用卷尺對樹木的胸徑進行量測，利用全站儀對所測單木的樹高進行測量，分別用全站儀測出樹木最高點和最低點的高程最高點與最低點的差即為所測單木的樹高的值。利用該種方法無法獲取樹冠體積的準真值，所以不對其進行量測。

表2 樹木主要參數(shù)

從表2可看出，通過點云模型獲取的樹高與準真值差值為2 cm左右，胸徑差值為0.04 cm左右，說明三維激光掃描方式獲取的樹木參數(shù)精度較高。

4 碳儲量計算

樹木的碳儲量指樹木體內所積累的生物量與含碳系數(shù)的乘積，也代表樹木固定碳的能力[1-2]。不同種類的樹木以及樹的不同器官含碳系數(shù)不同。對于不同地域或者不同樹種的碳儲量計算方法也是不同的，通常采用的計算方法主要包括樣地清查法、微氣象學法、箱式法、模型模擬估算法、遙感估算法五種基本方法。本次實驗采用樣地清查法中的平均生物量法、蓄積量法、生物量清單法，分別運用三種方法計算出碳儲量，對所得結果進行對比分析得到最精確的碳儲量結果，各模型所需要的樹高和胸徑等參數(shù)已在第三部分獲取。

(1)平均生物量法

實驗樹種懸鈴木屬于喬木，參照闊葉樹生物量計算經驗模型，如表3所示。

表3 闊葉樹生物量回歸方程

代入表2中的參數(shù)，運用生物量回歸模型計算其生物量，干、枝、葉、根的生物量分別為：

干：W=0.045 2(D2H)0.874 1=25.47 kg

枝：W=0.020 1(D2H)0.838 9=9.78 kg

葉：W=0.010 1(D2H)0.780 1=2.88 kg

根：W=0.009 1(D2H)0.974 0=10.58 kg

運用該方法計算得出的生物量與碳含量的乘積，就是該單木的碳儲量。本研究采用的生物量對碳儲量的轉化系數(shù)為0.5，計算得到的該單木的碳儲量為：

(25.47+9.78+2.88+10.58)×0.5=24.355 kg

(2)蓄積量法

基于蓄積量法的碳儲量計算需要先計算出總生物量，然后乘以含碳系數(shù)即為碳儲量。其總生物量計算公式為：

總生物量=單位蓄積生物量×樹木占地面積

(2)

蓄積量指立木所占的空間體積，以m3為單位。計算樹木蓄積量的二元立木材積式為：

V=aDbHC

(3)

式中，樹高H=5.13 m；胸徑D=16.54 cm。

懸鈴木二元立木材積的參數(shù)a=0.000 052 750 716，b=1.915 032 4，c=0.938 853 30，可由文獻[13]中的各樹種二元立木材積表查得，計算可得該株樹的二元立木材積即蓄積量V=5.741 m3。在模型中量測樹木占地面積為8.026 m3,所以該株樹的總生物量為46.082 kg，生物量對碳儲量的轉化系數(shù)為0.5，可得出運用蓄積量法計算得到的該株樹木的碳儲量為23.041 kg。

(3)生物量清單法

生物量清單法是將樹干密度與蓄積量相乘得到樹干部分的生物量，然后與含碳系數(shù)相乘可得到單位面積的碳儲量，再乘以總面積可得到總的碳儲量。該方法對樹木的主要儲碳器官樹干進行估算，除此之外還應對樹枝、樹葉、樹根的碳儲量進行計算。樹干密度的定義公式為：

d=m/v

(4)

式中,d為密度；m為干物質重；v為體積。若已知d求m，則將上式變化為：m=dv,寫成一般統(tǒng)計模型：

y=bx+e

(5)

式中，y為干重;x為體積；b為待估系數(shù)，即密度；e為誤差。

b值可由文獻[14]查得，可得出懸鈴木的干材密度為0.526，樹皮密度為0.447，在蓄積量法中計算得到樹木的蓄積量為5.741 m3，可計算得到樹干部分的碳儲量為12.69 kg，樹枝、樹葉、樹根部分的碳儲量運用平均生物量法計算得到，分別為4.39 kg，1.44 kg，5.29 kg，所以運用生物量清單法計算得到的該株樹的碳儲量為23.81 kg。

表4 碳儲量計算結果

(1)由表4可以得出，三種方法基于點云模型計算的碳儲量相差不大，按從大到小的順序排列依次為：平均生物量法>生物量清單法>蓄積量法。

(2)樹木不同器官的儲碳能力不同，其碳儲量按照由大到小的順序可依次排列為：樹干、樹根、樹枝、樹葉，并由此可得出樹木的主要儲碳的器官為樹干，其次是樹根，再次是樹枝，樹葉存儲碳的能力最弱。

5 結 論

將三維激光掃描技術應用于生態(tài)林業(yè)，對目標樹木進行了三維模型重建以及樹木參數(shù)的提取，并結合多種碳儲量計算方法進行了碳儲量估算，該方法對于森林生物量估算研究具有一定的參考意義。

目前三維激光掃描技術在生態(tài)林業(yè)中的應用還處于探索階段，現(xiàn)存的一些問題還有待于解決，如對于樹木遮擋引起的數(shù)據(jù)孔洞，造成冠形、樹高等的誤差較大；如何加以糾正樹木邊緣效應造成的所掃描點云數(shù)據(jù)的系統(tǒng)性偏差等。