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基于地面Lidar的樹冠體積和表面積測量方法研究

2015-12-21 13:35:24謝鴻宇趙耀龍楊木壯李長輝李展聰鄧潔茹
中南林業(yè)科技大學學報 2015年4期
關(guān)鍵詞:圓臺掃描儀多邊形

謝鴻宇 ,趙耀龍 ,楊木壯 ,李長輝 ,李展聰 ,宋 爽 ,鄧潔茹

(1.廣州大學 地理科學學院,廣東 廣州510006;2.華南師范大學 地理科學學院,廣東 廣州510631;3. 廣東省智慧國土工程技術(shù)研究中心,廣東 廣州510631;4.廣州市城市規(guī)劃勘測設(shè)計研究院,廣東 廣州 510023)

基于地面Lidar的樹冠體積和表面積測量方法研究

謝鴻宇1,3,趙耀龍2,3,楊木壯1,李長輝4,李展聰1,宋 爽1,鄧潔茹1

(1.廣州大學 地理科學學院,廣東 廣州510006;2.華南師范大學 地理科學學院,廣東 廣州510631;3. 廣東省智慧國土工程技術(shù)研究中心,廣東 廣州510631;4.廣州市城市規(guī)劃勘測設(shè)計研究院,廣東 廣州 510023)

樹冠體積和表面積是樹木生物量計算中非常重要的參數(shù)。本研究的目的在于找出一套基于地面三維激光掃描系統(tǒng)的樹木樹冠體積和表面積的高精度測量和計算方法。研究方法如下:首先,介紹了該方法的外業(yè)作業(yè)流程,主要有控制點布設(shè)、控制靶標布設(shè)、控制點和靶標的坐標測量、設(shè)站、掃描等。其次,描述了內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理流程,包括點云數(shù)據(jù)的配準、以1 cm為間隔分割點云、點云層表面點的篩選、內(nèi)部點的剔除、分層構(gòu)面等。然后,基于點云分層所構(gòu)多邊形,求算樹冠體積和表面積。最后,以廣州大學校園內(nèi)的8顆樣本樹為例,將計算結(jié)果與前人的研究結(jié)果進行了比較分析。研究結(jié)果表明,使用本研究方法所測得的樹冠體積和表面積計算結(jié)果更為合理、精度也更高。因此,本方法實現(xiàn)了高效、無損、精確的獲取樹冠的體積和表面積,具有較強的實踐意義和應(yīng)用價值。

樹冠體積;樹冠表面積;測量和計算方法;地面三維激光掃描系統(tǒng)

樹冠的體積和表面積與冠幅、冠高、冠積指數(shù)等因子一樣,都是描述樹冠的基本參數(shù)。在生物量調(diào)查中,樹冠體積、樹冠表面積等因子的引入,可以提高各分量生物量模型的擬合精度和預(yù)估精度,可以為建立更加精確的生物量模型奠定基礎(chǔ)[1]。另外,在樹葉密度的計算、冠積指數(shù)的獲得等方面,提高樹冠體積測量值的精度也具有研究價值[2]。

傳統(tǒng)測樹方法大多采用直接收獲法,即對立木伐倒后,打去枝椏,再對剩余的主干進行量測。一般通過計算胸徑、樹高、斷面直徑等因子來估算樹木的材積;通過收集樹葉來計算葉面積;通過測定各部分(樹干、枝、葉、果和根系等)的鮮重,并換算成干重來計算生物量[3]等。這樣的研究方法會對樹木本身造成較大的損傷,而且也無法獲取樹冠的體積和表面積。

為了獲取活立木的樹冠體積和表面積,本研究介紹一種利用三維激光掃描儀在城市綠地對活立木掃描以建立單木的樹冠數(shù)字表面模型進而求算樹冠體積和樹冠表面積的新方法。

1 研究現(xiàn)狀

近年來,隨著三維激光掃描儀的普及,已有一些將三維激光掃描儀用于測樹的研究。其中,用于測量樹冠體積和表面積的主要有馮仲科的“精準林業(yè)”[4]、“基于三維激光掃描成像系統(tǒng)的樹冠生物量研究”[1]和“基于三維激光掃描儀的喬木三維綠量測定方法”[5]、熊妮娜的“基于三維激光掃描系統(tǒng)測量樹冠體積方法的研究”[6]、鄧向瑞的“三維激光掃描系統(tǒng)在立木材積測定中的應(yīng)用”[7]、羅旭的“基于三維激光掃描測繪系統(tǒng)的森林計測學研究”[8]、唐雪海的“北京市城六區(qū)三維綠量估算與分析研究”[9]、謝鴻宇的“基于無棱鏡全站儀的樹冠體積算法”[10]和“無棱鏡全站儀測量樹高及樹冠的方法研究”[11]等。

上述研究技術(shù)路線基本一致,都是將樹冠分割為一個小圓錐和多個圓臺,如圖1所示,將這些圓臺圓錐的體積累加獲得樹冠體積。其中,唐雪海提出的用不規(guī)則底面面積充當圓臺底面面積的方法最為精確。他是將三維激光掃描儀獲得的單木點云數(shù)據(jù),沿豎直方向分割成若干等高的區(qū)分段,把單木的整個樹冠看成由頂端的一個小圓錐和下面n個圓臺組成的立方體。樹冠體積即為這一圓錐和n個圓臺體積之和。其中,圓錐和圓臺的底面面積獲取方法如下:

(1)將圓錐或圓臺所在部分的點云數(shù)據(jù)投影在XY坐標系平面上。

(2)用平行于Y軸垂直于X軸的豎直線將分割成n個等寬的區(qū)間段,如圖2所示。

(3)求取區(qū)間內(nèi)Y值的最大值和最小值,以二者差值作為底邊。

(4)將整個點云看作兩個三角形和n-2個梯形,基于此求算各部分底面積。體積公式和表面積公式見式(1)和式(2):

式(1)中,V為樹冠體積,n為圓臺和圓錐的數(shù)量,h為圓臺高度,S為截面底面積。式(2)中S為樹冠表面積,Si為樹冠截面面積且S0=Sn=0,h=0.01 m。

但是,基于多層圓臺圓錐模型的樹冠體積和表面積計算方法,其底面積計算方法不能排除位于樹冠內(nèi)部的掃描點的干擾,而且由于圓臺模型與真實樹冠的差距較大,不能準確的計算樹冠表面積。在此,本研究提出一種新方法以提高樹冠體積和表面積的計算精度。

圖1 圓臺體積計算Fig.1 Calculation of cone volume

圖2 樹冠截面面積方法Fig.2 Calculating method of crown section area

2 研究方法

研究所用的三維激光掃描儀為Faro Focus3D,最大水平和垂直角度步頻率為0.009°,最大掃描距離為120 m。本研究在掃描中設(shè)置掃描質(zhì)量為1/4,即水平和垂直步頻率為0.036 °。

2.1 外業(yè)作業(yè)

2.1.1 實驗樣本

本研究選取的測量樣本位于廣州市大學城廣州大學校園內(nèi),本次實驗按照樹冠形狀,選取了8棵樣本,涵蓋了實驗區(qū)域內(nèi)6種樹木樹冠類型。見圖3。

圖3 樣本樹樹冠類型Fig.3 Crown types of sample trees

2.1.2 外業(yè)掃描條件

為防止激光束照射在水滴上,光線被折射而無法獲得回波,以及防止強光照對激光測距的干擾,外業(yè)掃描需要選擇一個樹冠表面干燥,陽光不太強烈的時候進行。

2.1.3 測量控制點布設(shè)

如果需要將掃描的點云數(shù)據(jù)配準到現(xiàn)有坐標系下,則需要在掃描之前預(yù)先使用GPS-RTK布設(shè)測量控制點,再用全站儀加密,保證樣本樹周圍有充足的控制點。

2.1.4 靶標布設(shè)

控制靶標可以使用靶球或者標靶紙。靶球布設(shè)在目標樹周圍,要求良好的通視,距離保持在30 m以內(nèi),同時要保證不同掃描站至少能觀測到3顆公共靶球。從掃描開始到最后一個站掃描結(jié)束,靶球位置必需保持不變。如不需要配準到現(xiàn)有坐標系可以直接使用靶球進行多站拼接,或者使用標靶紙作為控制靶標。每個掃描站要布設(shè)至少3個標靶紙。標靶紙根據(jù)掃描站的位置而定,保證到掃描儀的距離足夠近并且從儀器掃描到標靶紙的入射角足夠小。每一站標靶紙布設(shè)完成后,利用控制點測出標靶紙中心點坐標。

2.1.5 分站掃描

設(shè)站掃描的選站方法決定了目標樹木點云數(shù)據(jù)是否完整,樹冠體積和表面積是否正確的關(guān)鍵點。本實驗的設(shè)站原則,每棵目標樹至少3個站獲取樹冠點云數(shù)據(jù),對于部分樹木在樹冠底部架設(shè)掃描站獲取樹冠底部數(shù)據(jù)。對于周圍有可以架站的建筑物的目標樹,設(shè)置頂部站獲取樹冠頂部數(shù)據(jù)。本實驗的掃描站如圖4所示,其中表示目標樹,表示掃面站,表示控制靶標。

三維激光掃描儀的采樣間距是按角度來計算,所以掃描站與目標樹木的距離對點云數(shù)量有很大的影響。本實驗使用的Faro Focus3D掃描儀的1/4掃描質(zhì)量模式,即角度步頻率為0.036 °。根據(jù)公式3可計算出掃描站到樹冠的最大距離:

圖4 掃描站與靶標Fig.4 Laser scanner and control targets

其中D為掃描站距離樹冠點的距離,i為所需的點云間隔,n為角度步頻率。為了保證獲得完整詳細的樹冠點云,設(shè)相鄰掃描點的最大間隔為0.01 m,計算得Dmax=15.91 m,所以地面掃描站與樹冠的最大距離必須小于15.91 m。由于地面掃描站和樹冠的最大距離不易測量,所以本研究通過控制掃描站的水平距離來控制掃面點的最大距離。首先估計樹高,再利用勾股定理計算最大水平距離。例如6號樣本樹估計樹高在6 m,那么HDmax=14.74 m。6號樣本樹的掃描站分布圖見圖5。

圖5 6號樣本樹設(shè)站位置Fig.5 Position of laser scanner of No.6 sample tree

掃描過程中,必須保證控制靶標不移動,而且掃描儀到靶標和被測樹冠之間不被遮擋。

2.2 內(nèi)業(yè)作業(yè)

2.2.1 點云配準和去噪

使用Faro三維激光掃描儀配套軟件Scene,根據(jù)外業(yè)測量獲得的標靶紙坐標數(shù)據(jù)與點云場景中相應(yīng)的標靶紙進行對應(yīng)。以此將點云數(shù)據(jù)配準到本實驗所使用的大地坐標系下。在激光掃描系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)的過程中,受樹木自身、儀器本身和周圍環(huán)境的影響,所采集的點云數(shù)據(jù)不可避免地會引入一定的噪聲,需首先對點云數(shù)據(jù)去除孤點和噪聲。

2.2.2 樹冠提取

在配準和去噪后的點云數(shù)據(jù)中尋找目標樹樹冠,對樹冠進行截取。利用軟件的裁切功能刪除單株喬木周圍的點云數(shù)據(jù),再在平視圖角度下把第一活枝處至樹木底部的點云數(shù)據(jù)刪除。提取后的樹冠可以使用Scene導(dǎo)出為.XYZ文本坐標文件。

2.2.3 建立樹冠數(shù)字表面模型

由于樹冠是非封閉可穿透的空間實體,點云中有很大一部分點都是樹冠內(nèi)部的點,為了準確求取體積和表面積,需要剔除這些內(nèi)部點,提取出點云的表面點構(gòu)建樹冠的數(shù)字表面模型,具體方法如下:

(1)將樹冠點云按照1 cm的高程間隔分層,將每層點云數(shù)據(jù)投影在XY坐標系平面上。

(2)用平行于Y軸垂直于X軸的豎直線將點云層分割成n個等寬的區(qū)間段,如圖6所示。

圖6 目標樹(左)和樹冠點云(右)Fig.6 Target tree (left) and point cloud of crown (right)

(3)求取區(qū)間內(nèi)Y值的最大值和最小值的點。篩選后點云對比如圖7所示。

圖7 篩選前(左)和篩選后(右)點云Fig.7 Point cloud of before (left) and after (right) selection

(4)由于存在內(nèi)部點,如直接將上一步所獲取的點進行構(gòu)面則會產(chǎn)生畸形面。因此,按照點云的X和Y的最大最小值生成矩形框,將點云以矩形中心為原點分為4個象限,在4個象限內(nèi)的點順序相連,再拼接構(gòu)面,如圖8所示。

圖8 順序構(gòu)面(左)和4象限構(gòu)面(右)Fig.8 Constructed polygons according to point sequence(left) and four quadrant (right)

(5)分4象限構(gòu)面中,仍會有少量的樹冠內(nèi)部點殘留。因此,需要再次對點云進行篩選,即從起點開始,計算與相鄰的下3個點的距離,并選擇距離最短的一個點,重復(fù)這樣的步驟直至末端。如圖9所示。

圖9 再次篩選后的構(gòu)成的多邊形Fig.9 Constructed polygons after secondly selected

(6)以各層多邊形為底面,生成1 cm高的多面體,擬合出樹冠的數(shù)字表面模型

2.2.4 樹冠體積和表面積的計算

根據(jù)樹冠的數(shù)字表面模型求取樹冠的體積和表面積。計算各層多邊形面積按照向量叉積的原理計算,公式見式(4);體積公式見式(5);

式(4)中S為多邊形面積,m為多邊形頂點個數(shù)。樹冠體積的計算公式為

式(5)中V為樹冠體積,n為樹冠數(shù)字表面模型包含多邊形層數(shù),S為多邊形面積,0.01是厘米與米的單位換算系數(shù)。

樹冠的表面積可以通過每個棱柱的側(cè)面積與上下面求和獲得,多棱柱的側(cè)面積為每層多邊形的邊長與1 cm高的積。表面積的計算公式為:

式(6)中Ssurface為樹冠表面積,n為樹冠數(shù)字表面模型包含多邊形層數(shù),C為多邊形周長,S為多邊形面積。

3 測量結(jié)果的比較分析

本研究構(gòu)建了8棵樹的數(shù)字表面模型,基于這些模型計算了這些樹的樹冠體積和表面積,并與唐雪海計算方法的結(jié)果進行對比。由于不清楚唐雪海法處理點云數(shù)據(jù)時所用的提取間隔,在此,設(shè)間隔為1 cm和10 cm,本研究的間隔均為1 cm,結(jié)果對比見表1、表2。

由表1可知,唐方法所求算得體積,如按10 cm間隔,與本研究結(jié)果的最小差異為-1.79%,最大差異為27.15%,1 cm間隔則差異在60%~80%之間。由表2可知,唐方法所求算的表面積無論是1 cm間隔還是10 cm間隔,與本研究結(jié)果的差異均波動都很大,1 cm間隔是-9.44%~88.8%,10 cm間隔則為2.36%~112.6%。

表1 兩種方法樹冠體積計算結(jié)果對比Table 1 Crown volume comparison of two calculation methods

唐方法與本研究方法計算體積和表面積均基于每層點云所構(gòu)成的多邊形的面積,以下是唐方法提取出的多邊形形狀與本研究方法提取結(jié)果比較,左列為唐方法1 cm間隔提取的多邊形形狀、中列為唐方法10 cm間隔提取的多邊形形狀、右列為本研究方法所提取多邊形形狀。

由圖10可知,本研究方法由于剔除了點云的內(nèi)部點影響,能較好地反映樹冠的形狀,因此計算結(jié)果較唐方法更為精確。

表2 兩種方法樹冠表面積計算結(jié)果對比Table 2 Tree crown surface area comparison of two calculation methods

圖10 唐方法與本研究方法每層點云提取多邊形比較Fig.10 Comparison of polygon constructed by point cloud slice between Tang’s method and author’s method

4 結(jié)論

本研究提出了利用三維激光掃描儀計算樹冠體積和表面積的新方法,可以無損、高效的檢測立木,并大大提高了測樹因子的測算精度,結(jié)論如下。

(1)本研究方法實現(xiàn)了不損傷樹木的情況下,獲取樹木的樹冠體積和表面積。

(2)與現(xiàn)有計算方法相比,本研究方法通過構(gòu)建與真實樹冠接近的數(shù)字表面模型提高了樹冠體積和表面積的計算精度。

(3)利用所測算的精確樹冠體積和表面積,可結(jié)合樹高、胸徑、冠幅等測樹因子建立更加精確的樹冠體積和表面積的回歸方程,用于野外林業(yè)調(diào)查,提高調(diào)查精度。

同時,本研究也有以下有待改進之處:

(1)三維激光掃描儀在進行野外掃描時選擇站點,控制點難度較大。同時由于相鄰樹木之間樹冠的重疊、遮蓋,難以獲得樹冠的完整點云數(shù)據(jù)。所以,本方法更適于對典型樣本樹的精確測量。

(2)利用三維激光掃描儀測量樹冠因子的作業(yè)時間過長(包括設(shè)置控制點,設(shè)站,掃描,后期處理等),野外作業(yè)方案有待優(yōu)化。

(3)由于實驗條件的限制,本研究掃描的樹木樣本過少,無法進行回歸分析建立精確的樹冠體積和表面積的估算模型。這些都有待于在今后的研究中改進。

[1] 馮仲科, 羅 旭, 馬欽彥,等. 基于三維激光掃描成像系統(tǒng)的樹冠生物量研究[J].北京林業(yè)大學學報, 2007,29(S2): 52-56.

[2] 陳東來,劉麗華,張景蘭.林分密度的新指標——冠積指數(shù)[J].東北林業(yè)大學學報,2003,31(05): 15-17.

[3] 孟憲宇.測樹學[M].北京:中國林業(yè)出版社, 2006. 301-307.

[4] 馮仲科,趙春江,聶玉藻,等.精準林業(yè)[M].北京:中國林業(yè)出版社,2002. 268-272.

[5] 馮仲科,唐雪海,姚 山,等.一種基于三維激光掃描儀的喬木三維綠量測定方法: 中國, 201110164655.9[P]. 2012-01-04.

[6] 熊妮娜,王 佳,羅 旭,等.一種基于三維激光掃描系統(tǒng)測量樹冠體積方法的研究——以油松為例[J].北京林業(yè)大學學報, 2007,29(S2): 61-65.

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[10] 謝鴻宇,趙耀龍,楊木壯,等.基于無棱鏡全站儀的樹冠體積算法[J].中南林業(yè)科技大學學報, 2014,34(1):12-17.

[11] 謝鴻宇,溫志慶,鐘世錦,等.無棱鏡全站儀測量樹高及樹冠的方法研究[J] .中南林業(yè)科技大學學報,2011,31(11):53-58.

Measurement and calculation methods of volume and surface area of tree crown based on terrestrial 3D laser scanning system

XIE Hong-yu1, ZHAO Yao-long2, YANG Mu-zhuang1, LI Chang-hui3, LI Zhan-cong1, SONG Shuang1, DENG Jie-ru1
(1.Geography School, Guangzhou University, Guangzhou 510006, China; 2. Geography School, South China Normal University,Guangzhou 510631, China; 3. Guangzhou Urban Planning Design Survey Research Institute. Guangzhou 510023, China)

Volume and surface area of tree crown are very important parameters in estimation of tree biomass. A new high-precision measurement and calculation method to survey and measure volume and surface area of tree crown on basis of terrestrial LiDAR were introduced. The fi eld working processes include: control point layout, laser target sign point layout, point coordination survey, setting station and scan tree etc.. The procedure of was described. The indoor data processing procedure include: point cloud data registration,divided point cloud in 1cm interval, selected surface point of point cloud layer, delete internal point of point cloud slice, constructed polygon according to surface point etc. And then, volume and surface area were calculated based on constructed polygons of every point cloud slice. By taking eight trees in Guangzhou university campus as the examples, the calculated results were compared and analyzed with the previous people’s studying results. The results show that the calculated results are more reasonable and precise than the previous researches. It is concluded that this method can measure and calculate volume and surface area of tree crown effectively, and is harmless and precise and have strong practical signif i cance and application value.

volume of tree crown;surface area of tree crown; measurement and calculation methods; terrestrial 3D laser scanning system

S758;P235.1

A

1673-923X(2015)04-0001-06

10.14067/j.cnki.1673-923x.2015.04.001

2014-01-15

國家自然科學基金資助項目(41101152);廣州市產(chǎn)學研協(xié)同創(chuàng)新重大專項民生科技項目(2015-119);廣東省高等學校人才引進專項基金項目(2011-431-76);教育部留學回國人員科研啟動基金資助項目(2012-940);廣東省科技計劃項目(2012A031100011);教育部社科規(guī)劃課題(14YJA630083)

謝鴻宇,高級工程師,博士 通訊作者:趙耀龍,教授,博士;E-mail:yaolong@scnu.edu.cn

謝鴻宇, 趙耀龍, 楊木壯,等. 基于地面Lidar的樹冠體積和表面積測量方法研究[J].中南林業(yè)科技大學學報, 2015, 35(4):1-6, 13.

[本文編校:文鳳鳴]

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