王朝輝 李廣偉 郭震冬

（江蘇省測(cè)繪工程院，江蘇南京 210013）

城市園林是城市中重要的自然生態(tài)資源，在改善城市環(huán)境質(zhì)量、美化城市景觀方面具有不可替代的作用。城市園林分布與數(shù)量是衡量區(qū)域自然生態(tài)環(huán)境是否宜居的重要指標(biāo)，我國(guó)已將園林綠化作為重要指標(biāo)納入“國(guó)家智慧城市試點(diǎn)”工作考核指標(biāo)體系中。通過(guò)園林綠化數(shù)據(jù)調(diào)查，為城市綠地系統(tǒng)規(guī)劃與綠地管理工作提供科學(xué)依據(jù)，有助于城市發(fā)展規(guī)劃的決策和城市的可持續(xù)發(fā)展。近幾年，江陰圍繞建設(shè)“綠色江陰”、打造生態(tài)家園的目標(biāo)，積極推進(jìn)綠化造林工作，為了準(zhǔn)確掌握江陰建成區(qū)范圍內(nèi)綠地生態(tài)、古樹(shù)名木等動(dòng)態(tài)信息，達(dá)到精細(xì)化管理水平，構(gòu)建了園林綠化管理系統(tǒng)，該系統(tǒng)借助GIS技術(shù)、激光點(diǎn)云技術(shù)，提取園林專(zhuān)題數(shù)據(jù)，為園林局等相關(guān)部門(mén)提供管理輔助決策工具。

激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)一般采用車(chē)載移動(dòng)測(cè)量車(chē)或背包SLAM技術(shù)獲取，車(chē)載移動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)可以快速地獲取沿道路的地物數(shù)據(jù)[1-3]。背包設(shè)備可以進(jìn)入園林內(nèi)部進(jìn)行精細(xì)采集，兩者結(jié)合確保了獲取完整的測(cè)區(qū)點(diǎn)云數(shù)據(jù)。

1 技術(shù)路線

使用車(chē)載移動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)采集沿道路的樹(shù)木等信息、使用背包SLAM設(shè)備進(jìn)入公園內(nèi)部數(shù)據(jù)采集，兩者數(shù)據(jù)采用統(tǒng)一坐標(biāo)系。

道路矢量數(shù)據(jù)的加入可以進(jìn)一步縮小數(shù)據(jù)處理范圍，通過(guò)道路矢量判斷無(wú)效區(qū)域，在數(shù)據(jù)處理后及綠化數(shù)據(jù)提取時(shí)減少數(shù)據(jù)處理的工作量，提高數(shù)據(jù)處理效率。胸徑定義為距離地面1.3 m高處的樹(shù)木直徑大小，經(jīng)實(shí)地測(cè)量發(fā)現(xiàn)，灌木樹(shù)在距離地面1.2～1.4 m之間，直徑尺寸變化在容許誤差范圍內(nèi)，采用統(tǒng)計(jì)圓柱體直徑的方式計(jì)算樹(shù)木的胸徑尺寸。

內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)信息提取采用半自動(dòng)化的方式，即先自動(dòng)化提取，再人工目視檢查并直接在點(diǎn)云數(shù)據(jù)上采用人工測(cè)量的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)補(bǔ)充測(cè)量。獲取的點(diǎn)云數(shù)據(jù)如果存在遮擋，需要外業(yè)人員實(shí)地進(jìn)行補(bǔ)測(cè)完善。

技術(shù)流程如圖1所示。

圖1 技術(shù)流程

1.1 外業(yè)采集

外業(yè)采集設(shè)備三維激光掃描儀的安裝工位角度與水平面呈約45°夾角。假設(shè)在道路起伏處于平緩的情況下，掃描線間不存在重復(fù)疊加，獲取的樹(shù)干單條掃描線數(shù)據(jù)始終小于樹(shù)木周長(zhǎng)的50%，掃描線也是與水平面呈約45°夾角。

外業(yè)采集時(shí)，為了采集盡可能多的樹(shù)干數(shù)據(jù)，設(shè)定道路采集時(shí)行車(chē)速度為30 km/h以下；基于背包SLAM的公園數(shù)據(jù)采集因本身移動(dòng)速度較慢，不需要額外限制采集速度。

因?yàn)樽鳂I(yè)道路涉及城區(qū)范圍，根據(jù)道路擁堵時(shí)間分布情況，制定了夜晚對(duì)擁堵道路進(jìn)行數(shù)據(jù)采集的方案，減少了外業(yè)作業(yè)時(shí)間和采集到的數(shù)據(jù)量。公園部分使用背包SLAM設(shè)備進(jìn)行采集，可以反復(fù)多次在園林內(nèi)部穿插采集，無(wú)須沿道路采集，采用最有效的路線進(jìn)行作業(yè)。

1.2 自動(dòng)提取

數(shù)據(jù)內(nèi)業(yè)解算使用自架站GPS基站數(shù)據(jù)進(jìn)行差分處理，坐標(biāo)系統(tǒng)一為CGCS2000，經(jīng)處理后得到的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)即絕對(duì)坐標(biāo)值。

數(shù)據(jù)提取采用自動(dòng)化的方式進(jìn)行提取[4]，人工干預(yù)修編，采用投影分割等方式進(jìn)行分類(lèi)提取，去除原始數(shù)據(jù)的地面干擾數(shù)據(jù)，提取樹(shù)木位置信息，根據(jù)分類(lèi)后的樹(shù)木點(diǎn)云數(shù)據(jù)提取其胸徑、高度等信息。

位置信息提取是自動(dòng)提取的第一步操作，從雜亂無(wú)章的點(diǎn)云數(shù)據(jù)中提取出所有樹(shù)木的位置信息，根據(jù)每個(gè)位置對(duì)應(yīng)的樹(shù)木點(diǎn)云數(shù)據(jù)計(jì)算胸高、樹(shù)高等信息。

胸徑的自動(dòng)提取使用計(jì)算相互交叉重疊的固定高度的圓筒點(diǎn)云直徑的平均值作為胸徑。

胸徑圓筒分割如圖2所示。

圖2 胸徑圓筒分割示意圖

2 應(yīng)用試驗(yàn)

2.1 測(cè)區(qū)介紹

試驗(yàn)測(cè)區(qū)位于江陰市大橋公園內(nèi)，該公園樹(shù)木較大且分布較廣，南北方向跨度達(dá)4 km，公園內(nèi)地勢(shì)整體平坦，部分綠化樹(shù)木較集中，內(nèi)部通行情況較差，非常適合采用背包式設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。

公園內(nèi)部及四周均有道路通行，車(chē)載移動(dòng)測(cè)量設(shè)置可以沿道路進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，可以快速獲取公園整體的高精度三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)，并且可以通過(guò)反復(fù)往返掃描提高點(diǎn)云密度，整體公園可以通過(guò)車(chē)載移動(dòng)測(cè)量設(shè)備和背包式測(cè)量設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)外業(yè)的數(shù)據(jù)獲取。

2.2 數(shù)據(jù)采集

試驗(yàn)使用的設(shè)備如圖3所示。

圖3 使用的設(shè)備

以江陰某園林綠化項(xiàng)目為依托，進(jìn)行實(shí)際生產(chǎn)試驗(yàn)，使用移動(dòng)測(cè)量采集可以通行的外圍及內(nèi)部道路，使背包采集內(nèi)部無(wú)法通行的內(nèi)部區(qū)域，獲取測(cè)區(qū)內(nèi)園林的激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)解算采用CGCS2000坐標(biāo)系，背包SLAM數(shù)據(jù)使用同名點(diǎn)計(jì)算轉(zhuǎn)換至CGCS2000系。共計(jì)采集3 km2的園林?jǐn)?shù)據(jù)，外業(yè)采集及內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理共計(jì)投入2人，外業(yè)采集耗時(shí)3 d。

數(shù)據(jù)效果如圖4所示。

圖4 采集的點(diǎn)云數(shù)據(jù)

2.3 數(shù)據(jù)處理

內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理解算及樹(shù)木等的信息提取耗時(shí)10 d時(shí)間，要素信息提取采用自動(dòng)化的方式進(jìn)行提取，自動(dòng)化提取前需要去除地面點(diǎn)云數(shù)據(jù)，以便減少提取過(guò)程中計(jì)算量，提高自動(dòng)化提取的效率。地面點(diǎn)云數(shù)據(jù)作為樹(shù)木底部的起算點(diǎn)，計(jì)算其上1.3 m高處的樹(shù)木胸徑，部分樹(shù)木樹(shù)干較細(xì)且密度較大的地方存在提取遺漏問(wèn)題。針對(duì)遺漏部分采用人工目視檢查的方式進(jìn)行檢查，對(duì)自動(dòng)提取中遺漏的進(jìn)行人工補(bǔ)測(cè)，通過(guò)人工的方式從點(diǎn)云數(shù)據(jù)中量取樹(shù)木的坐標(biāo)位置及胸徑尺寸等信息。

將提取的數(shù)據(jù)入庫(kù)，精度檢測(cè)使用實(shí)地測(cè)量的方式獲取樹(shù)木的測(cè)量信息作為真值，樹(shù)干平均點(diǎn)位誤差為±0.27 m，胸徑中誤差為±0.04 m。由檢測(cè)結(jié)果可知，此次基于點(diǎn)云數(shù)生產(chǎn)的園林普查數(shù)據(jù)滿(mǎn)足設(shè)計(jì)的精度要求。

3 結(jié)語(yǔ)

點(diǎn)云數(shù)據(jù)在園林綠化普查項(xiàng)目中起到了重要作用，保證了生產(chǎn)的外業(yè)安全性和數(shù)據(jù)的完整準(zhǔn)確性。根據(jù)項(xiàng)目試驗(yàn)結(jié)果分析，使用點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行園林綠化普查可以大幅度提高獲取樹(shù)木點(diǎn)位及胸徑、樹(shù)高、樹(shù)冠等信息的效率，節(jié)省外業(yè)普查時(shí)間，特別是在樹(shù)高、樹(shù)冠信息的獲取優(yōu)勢(shì)較大。采用人工外業(yè)實(shí)地采集，耗費(fèi)時(shí)間和精力，且無(wú)法保證人員的安全性，通過(guò)點(diǎn)云數(shù)據(jù)還可以判斷樹(shù)木等的長(zhǎng)勢(shì)情況，通過(guò)不同年份的點(diǎn)云疊加對(duì)比分析還可以判斷生長(zhǎng)情況。文章為激光點(diǎn)云在類(lèi)似項(xiàng)目中的推廣應(yīng)用提供了參考，后續(xù)研究中還應(yīng)考慮增加樹(shù)種的自動(dòng)識(shí)別功能。