摘要：

高密度激光雷達(dá)( ＬｉＤＡＲ)測(cè)量技術(shù)是一種先進(jìn)的主動(dòng)遙感測(cè)量技術(shù)，可以高效而準(zhǔn)確地獲取被測(cè)目標(biāo)物的高密度三維點(diǎn)云信息，具有快速，準(zhǔn)確，非接觸式等顯著優(yōu)點(diǎn)，廣泛地應(yīng)用在地表三維信息生成、物體表面模型重建等任務(wù)中，基于此特性，該技術(shù)逐漸在森林資源調(diào)查中取代人工測(cè)量。本文就激光雷達(dá)的測(cè)樹(shù)原理及在森林資源調(diào)查中的應(yīng)用和技術(shù)實(shí)現(xiàn)做一簡(jiǎn)要概述。

1.激光雷達(dá)測(cè)樹(shù)原理與方法

1.1激光雷達(dá)掃描系統(tǒng)原理

三維激光雷達(dá)是一種主要由掃描儀器、計(jì)算機(jī)和電源供應(yīng)系統(tǒng)三部分構(gòu)成的三維建模系統(tǒng)。三維激光掃描成像系統(tǒng)在工作中，需要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行不斷的采集和處理。它以掃描儀器為原點(diǎn)建立空間坐標(biāo)系，空間坐標(biāo)系里面的點(diǎn)云點(diǎn)來(lái)表達(dá)系統(tǒng)對(duì)目標(biāo)物體表面的采樣結(jié)果。

1.2立木材積測(cè)量原理

首先根據(jù)待掃描樹(shù)木的位置、大小形態(tài)和需要獲取的控制點(diǎn)設(shè)計(jì)各掃描站和控制標(biāo)靶的位置。然后啟動(dòng)掃描儀、對(duì)目標(biāo)立木進(jìn)行掃描。最后利用軟件進(jìn)行點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理建成立木的三維樹(shù)干表面模型。在已知三維樹(shù)干表面模型后，可以將樹(shù)干模擬為若干個(gè)圓柱或者圓臺(tái)構(gòu)成。然后根據(jù)軟件計(jì)算出立木材積。

1.3激光雷達(dá)測(cè)量掃描方式

三維激光掃描技術(shù)重構(gòu)林地的三維數(shù)據(jù)模型，完成森林的資源調(diào)查，可以更容易實(shí)現(xiàn)對(duì)林地面積、木材蓄積量及森林覆蓋率的資源調(diào)查，而且能夠促進(jìn)國(guó)內(nèi)計(jì)算機(jī)視覺(jué)學(xué)科的發(fā)展與應(yīng)用的推廣。激光雷達(dá)對(duì)森林植被的測(cè)量方式有３種。

（1）機(jī)載激光雷達(dá)掃描

機(jī)載 ＬｉＤＡＲ通過(guò)數(shù)據(jù)處理可以反演出樹(shù)高，冠幅，胸徑，森林邊界等，可用于評(píng)價(jià)森林郁閉度，可以有效地對(duì)森林資源進(jìn)行管理。但缺點(diǎn)是精度較差，點(diǎn)云較稀疏，不能很好地對(duì)單個(gè)樹(shù)木進(jìn)行建模，使得算法不能有效地對(duì)單棵樹(shù)木細(xì)節(jié)特征進(jìn)行分析和分類。

圖 １（ａ）機(jī)載雷達(dá)數(shù)據(jù) （ｂ）對(duì)應(yīng)區(qū)域的數(shù)字圖像

圖 １（ａ）為機(jī)載激光雷達(dá)對(duì)樹(shù)林區(qū)域 １００ｍ×１００ｍ范圍內(nèi)進(jìn)行掃描的圖像，圖 １（ｂ）為對(duì)應(yīng)區(qū)域的數(shù)字圖像。

（2）地面靜態(tài)激光雷達(dá)掃描

地面靜態(tài)激光雷達(dá)可以通過(guò)對(duì)樹(shù)干和枝條進(jìn)行高密度采樣覆蓋來(lái)有效地解決了機(jī)載激光雷達(dá)不能夠獲取樹(shù)木的三維模型細(xì)節(jié)的問(wèn)題，可以精準(zhǔn)地對(duì)單木三維形態(tài)進(jìn)行細(xì)節(jié)上的建模。

其特點(diǎn)是精度高，對(duì)一、二類調(diào)查樣地的單棵樹(shù)木的細(xì)節(jié)保留完好，方便后期進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和樹(shù)木分類。但缺點(diǎn)是需要人工進(jìn)行靜態(tài)掃描設(shè)備架設(shè)和地面標(biāo)記，效率較為低下。在有大量樹(shù)木遮擋或地面起伏較大的地帶，需要對(duì)目標(biāo)樣地進(jìn)行多站架設(shè)掃描，較為耗時(shí)。

（3）地面移動(dòng)激光雷達(dá)掃描

地面移動(dòng)激光雷達(dá)按掃描方式可分為手持式，車載式和背負(fù)式３種。

手持式激光雷達(dá)最為輕便，但是其測(cè)距范圍小，應(yīng)用局限性較大，通常用于小型靜態(tài)物體的３Ｄ建模。

車載激光雷達(dá)測(cè)距范圍最遠(yuǎn)，可以較快速地對(duì)大型建筑物和城市環(huán)境進(jìn)行點(diǎn)云測(cè)量和建模，但是其體積太大，在森林資源調(diào)查中無(wú)法深入林地進(jìn)行點(diǎn)云采集。

背負(fù)式激光雷達(dá)系統(tǒng)可以克服上述缺點(diǎn)，在獲取較高精度點(diǎn)云數(shù)據(jù)的同時(shí)能靈活地在林地移動(dòng)，但由于林地ＧＰＳ信號(hào)較弱，傳感器在林地的定位需要使用移動(dòng)機(jī)器人的ＳＬＡＭ（同步定位于地圖構(gòu)建）技術(shù)來(lái)解決。由于定位精度將對(duì)點(diǎn)云模型的匹配與拼接產(chǎn)生巨大影響，所以ＳＬＡＭ問(wèn)題也就成為了背負(fù)式激光雷達(dá)系統(tǒng)的核心問(wèn)題。背負(fù)式移動(dòng)測(cè)量由于其靈活，高精度的特性，將會(huì)逐漸成為未來(lái)室內(nèi)或者林地移動(dòng)測(cè)量的主要方式。

２ 應(yīng)用實(shí)例

表１為人工現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量與三維激光掃描點(diǎn)云測(cè)量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比。

從表中可以看出，在測(cè)量胸徑方面，三維激光掃描儀獲取測(cè)量值與人工測(cè)量值差異不大；

在測(cè)量材積方面兩者測(cè)量結(jié)果存在一定誤差，人工測(cè)量使用的二元材積表不能準(zhǔn)確的反應(yīng)特定立木材積，缺乏個(gè)體實(shí)用性更適用于林分，而三維激光掃描儀測(cè)量方法顯得更為客觀。

３ 結(jié)論與討論

１）高密度激光雷達(dá)（ＬｉＤＡＲ）測(cè)量技術(shù)可以高效而準(zhǔn)確快速地獲取被測(cè)目標(biāo)物的高密度三維點(diǎn)云信息，具有快速，準(zhǔn)確，非接觸式等顯著優(yōu)點(diǎn)，廣泛地應(yīng)用在森林資源調(diào)查中。案例結(jié)果表明基于靜態(tài)激光掃描得到的點(diǎn)云數(shù)據(jù)具有較高的測(cè)量準(zhǔn)確度。

２）三維激光掃描所得到的點(diǎn)云數(shù)據(jù)具有信息量大、采集相對(duì)簡(jiǎn)單、快捷以及可表現(xiàn)豐富細(xì)節(jié)等優(yōu)點(diǎn)。因此，在大型復(fù)雜場(chǎng)景的點(diǎn)云數(shù)據(jù)中，針對(duì)掃描儀的作業(yè)方法、數(shù)據(jù)配準(zhǔn)、精度控制、優(yōu)化壓縮、曲面重建等方面的研究都是近年來(lái)三維數(shù)據(jù)處理方面具有挑戰(zhàn)性的研究課題。

３）三維激光掃描技術(shù)在森林資源的調(diào)查結(jié)果符合一般生長(zhǎng)規(guī)律，且精度比較高。這表明三維激光掃描技術(shù)在森林資源調(diào)查中有很大的前景。

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