基于三維激光掃描技術(shù)的樹木參數(shù)提取及可視化研究.pdf

1、樹木是生態(tài)環(huán)境中重要的組成部分，在維持碳氧平衡、保護(hù)生物多樣性、涵養(yǎng)水源等方面起著重要的作用。在生態(tài)學(xué)研究和城市景觀設(shè)計(jì)中，樹木的基本參數(shù)提取和三維可視化研究是非常重要的。近年來，隨著虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)和林業(yè)測繪技術(shù)的不斷發(fā)展，特別是地面三維激光掃描技術(shù)出現(xiàn)后，樹木參數(shù)提取以及三維可視化研究中存在的一系列問題得到了較好的解決。地面三維激光掃描技術(shù)作為一種新型的測繪技術(shù)，可以在不損傷樹木的前提下，準(zhǔn)確、快速、高效地獲取樹木的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)，為生物

2、多樣性研究、地上生物量測算、林業(yè)資源調(diào)查以及森林生態(tài)景觀三維重建提供了便利的手段。
　　本研究主要內(nèi)容包括：⑴提出一種自動(dòng)準(zhǔn)確無損獲取樹木胸徑的新方法。該方法以地面三維激光掃描技術(shù)獲取的樹木點(diǎn)云數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，提取1.3m高度處的截面點(diǎn)云數(shù)據(jù)，運(yùn)用蟻群算法對該截面數(shù)據(jù)進(jìn)行排序處理，利用B樣條曲線對排序后的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，結(jié)合周長計(jì)算公式，實(shí)現(xiàn)了樹木胸徑的自動(dòng)準(zhǔn)確提取。以Matlab為編程平臺(tái)，對試驗(yàn)區(qū)內(nèi)的9棵香樟樹木進(jìn)行測量計(jì)算，結(jié)

3、果表明:該方法能高精度的提取任意高度處的樹木直徑。利用本文方法提取樹木胸徑的均方根誤差為±0.19cm，平均絕對誤差為0.15cm，相對于基于點(diǎn)云的傳統(tǒng)算法提取精度提高了50％和60.7％。本文方法基于高精度點(diǎn)云數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)了樹木胸徑的無損自動(dòng)提取，可以為生物量的準(zhǔn)確計(jì)算和生態(tài)學(xué)基礎(chǔ)研究提供一種準(zhǔn)確快速的解決方法。⑵針對樹冠拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)復(fù)雜，現(xiàn)有方法提取精度差、自動(dòng)化程度低的問題，提出一種利用激光點(diǎn)云自動(dòng)獲取樹冠體積的新方法。以地面三維激光掃

4、描技術(shù)獲取的樹冠點(diǎn)云為基礎(chǔ)，運(yùn)用扇形面積逼近和不規(guī)則體切片分割累加算法，實(shí)現(xiàn)樹冠體積的自動(dòng)計(jì)算。以試驗(yàn)區(qū)內(nèi)的8棵香樟和雪松為例，利用編程軟件Matlab作為開發(fā)平臺(tái)進(jìn)行測量計(jì)算，同時(shí)與模擬規(guī)則體形狀方法和基于點(diǎn)云的手動(dòng)測量法分別進(jìn)行對比分析，結(jié)果表明:基于激光點(diǎn)云自動(dòng)計(jì)算樹冠體積的方法實(shí)現(xiàn)了單棵樹木樹冠的無損自動(dòng)計(jì)算，不但節(jié)省了人力，而且在計(jì)算精度方面提高了6.17％，可以為三維綠量、碳循環(huán)的測算以及樹冠結(jié)構(gòu)的研究提供參考。⑶針對樹木結(jié)

5、構(gòu)復(fù)雜，可視化困難的問題，可視化研究分為點(diǎn)云和模型展示兩部分。點(diǎn)云三維展示利用地面三維激光掃描技術(shù)獲取樹木點(diǎn)云，以Cyclone軟件為點(diǎn)云預(yù)處理平臺(tái)，經(jīng)過點(diǎn)云配準(zhǔn)、去除噪音等操作可以得到完整的樹木點(diǎn)云，對獲得的點(diǎn)云數(shù)據(jù)可以進(jìn)行著色、三維旋轉(zhuǎn)、立體量測等操作，是一種對現(xiàn)實(shí)樹木最直觀和精確的可視化方式之一;模型展示是將三維點(diǎn)云導(dǎo)入Geomagic studio軟件中，將完整的樹木枝干點(diǎn)云通過點(diǎn)云分割操作，分解成相互獨(dú)立的不同枝干，對每一部分