精准林业监测系统的设计与开发

王婷 张稷 张莲 张一茹 李达

摘 要：采用三维激光扫描系统进行精准林业监测，通过配套软件对冠下径、冠下高、冠长、胸径、任意处直径等林木测量参数进行测量，编程实现树冠体积和表面积、树干材积监测计算，对于精准林业监测具有重要参考意义。

关键词：三维激光扫描;点云;精准林业监测

1精准林业监测系统设计

本文主要研究应用三维激光扫描系统实现精准林业监测，技术路线如下：三维激光扫描系统设站、分站扫描目标树;进行点云匹配、剔除干扰点;利用三维激光扫描仪配套软件直接测量树高、树干直径和树冠冠长、冠幅、冠下径等测树参数;编程实现树干体积、树冠体积与表面积的自动监测计算。

2 树高、冠长、冠下高、冠下径、胸径、任意处直径等参数的监测

应用三维激光扫描系统扫描结束后，采用配套软件经过匹配的点云有很多干扰点，在对照草图的基础上剔除干扰点，得到树木点云数据。得到的树木点云图为仪器本身坐标系，需要转化为适合用户的用户坐标系。转化的方法为：应用配套软件在选图模式中在点云图上沿着树干选择三个点，然后建立用户坐标系，并且保存。要进行胸径，任意处直径，树高，冠长，冠幅，冠下高，冠下径等数据测量需要设立参考平面，参考平面为与树干相切的平面，它的原点在用户坐标系的原点，长度可以根据树高来设定。在参考平面上沿着树干绘制三维多断线，根据树高设置向上的距离。测量结果可以显示在模型空间中，也可以以文本文件输出。

3 树干材积监测

3.1树干材积监测模型设计

树干材积的计算可采用区分求积的方法。将树木根部到胸径处作为一段，材积按圆台体积公式计算。胸径（地面上1.3m处）以上按每2m或1m一段进行分段，体积按圆台体积计算公式计算，具体按多少长度进行分段视具体情况而定。不足2m或1m长的末端作为一段，体积按圆锥体体积计算公式计算。

3.2 树干材积监测计算

以径阶为12cm的油松为例，树高和直径已经在扫描的点云上直接量取，记入文本文件。首先按“打开文件”键，输入树高和直径数据，树干的示意图显示在窗体左侧，树高和直径数据显示在窗体右侧，其中也显示了梢头数据，然后按“树干的体积”键，树干的体积显示在窗体右侧，如图1所示。

4 树冠体积与表面积监测

4.1树冠体积与表面积监测模型设计

把树冠看成小圆台组成的立体，求出每个小圆台的体积和表面积，然后对它们求和，就可以计算出整个树冠的体积和表面积。采用的方法是在经过处理的点云图上测量单木任意一个剖面边缘的特征点的坐标，用三次样条法拟合这个剖面;然后在此剖面顺时针旋转一定角度的方向上再测量一个剖面的特征点的坐标，同样拟合剖面，一共测量6个剖面。

4.2树冠体积和表面积监测计算

图2是软件的主界面，在此软件中首先要按“插值”键，出现如图3的界面，在此界面中首先依次输入6个剖面的文件和此剖面要统一到一个坐标系统需要旋转的角度，并依次对此进行三次样条曲线模拟，模拟曲线以后，下面的一个剖面文件框会显示此剖面的文件路径和名称——只有框里出现剖面的文件路径和名称，才能说明此剖面已经拟合。而只有这6个剖面的文件全部打开并且都进行了曲线拟合，主界面中的“显示图形”键才能使用，也只有6个剖面进行了插值才能求出表面积和体积。这6个剖面虽然分别旋转一定的角度，但是这些角度值有一定的规律，依次递增。当6个剖面都拟合以后，就可以对剖面进行插值运算了。当插值运算完毕，分别点击此按钮得到此树的体积和表面积。

5 結论

本文研究三维激光扫描系统在林木测量中的应用，设计方案实现了基本林业参数的精准监测，对于林木测量的发展具有重要意义，得出如下结论：

1、利用三维激光扫描软件，直接在点云图上量测树高、冠长、冠下高、冠下径、胸径、任意处直径等林木测量参数。

2、实现了树干材积、树冠体积与表面积的监测计算。计算的树冠体积和表面积仍然会有误差，产生误差的主要原因是测量的剖面数量偏少，拟合的闭合曲线与现实中横截面截取的闭合曲线有差异，造成截面面积偏差。

参考文献

[1] 范海英等.三维激光扫描系统在精准林业测量中的应用[J].测绘通报，2010

[2] 刘德偲等.三维激光扫描系统在国家森林城市本溪市精准林木测量中的应用研究[J] .丝路视野，2017