CN103206944A - 一种基于三维激光点云数据的树冠体积与表面积计测方法 - Google Patents

一种基于三维激光点云数据的树冠体积与表面积计测方法 Download PDF

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冯仲科
樊仲谋
胡戎
高祥
黄晓磊
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Abstract

本发明公开了一种基于三维激光扫描数据计算树冠体积和面积的方法。以三维激光扫描仪为工具，通过三维激光扫描仪获取的树木完整扫描信息的基础上利用曲面方程进行树冠体积及面积的求解。计算出每个曲面中树冠的体积及面积，相加即可得到所求树冠面积及体积，充分利用了三维激光扫描仪灵活以及高效率的特点，降低了外业调查的成本，提高了树冠的体积及面积外业操作和内业处理的效率和精度；克服了以往方法对森林造成的损伤大及成本高的特点。

Description

一种基于三维激光点云数据的树冠体积与表面积计测方法
一、技术领域
本发明是关于森林资源调查的方法，特别是关于一种基于三维激光扫描数据计算树冠体积和面积的方法。 
二、技术背景
树冠作为树木生产力的重要基础因子，其表面积和体积的大小直接影响树木的养分吸收、光合作用、保水功能并反映出树木的健康状况，是衡量树冠生物学特性及生态功能等的最重要因子之一。 
但是目前国内外对树冠表面积和体积时，多采用传统的方法，即砍伐大量的立木作为样木，利用伐倒木区分求积式计算材积，实践中也常用到枝解析样木的方法，通过大量的野外调查建立反演模型进行求解。但上述方法在外业调查实际操作过程中，存在很多不足： 
①方法成本高； 
②对森林造成的损伤大； 
③反演模型往往因树种和地域的不同具有局限性，降低了了树冠计测技术的可靠性。 
以上的缺陷都是由于树冠表面积与树冠体积的基本内涵与调查方法未受到足够的重视，并存在着概念模糊、测算方法粗放的问题，难以满足标准日益提高的林业生产与生态建设的需要。为提高调查质量，就需要使用一种新的方法来测算树冠表面积与树冠体积，既不需要复杂的方法步骤，又能保证树冠表面积与树冠体积测算的精度。使用三维激光扫描数据计算树冠体积和面积就是在这样的背景下产生的。 
三、发明内容
本发明的目的是提供一种基于三维激光扫描数据计算树冠体积和面积的方法，它是在用三维激光扫描仪获取的树木完整扫描信息的基础上利用曲面方程进行树冠体积及面积的求解。 
本发明的目的是这样实现的：将三维激光扫描仪获取的树木完整扫描信息，以树冠最高点Hm和树冠最低点Hn的连线为Z轴，以垂直Z轴且面积最大的冠径平面为XOY平面建立 空间坐标系XYZ，用数模Z＝ax2+by2+cx+dy+exy+f(a、b、c、d、e、f为参数)在八个卦限中建立八个树冠表面曲面方程，利用八个曲面方程求解树冠体积及面积。 
其中建立树冠表面曲面方程的方法是：首先，作
Figure BSA00000856403400021
Figure BSA00000856403400022
Figure BSA00000856403400023
Figure BSA00000856403400024
四个平面在第一卦限的每个平面与曲面的切线上随机取6个点记录坐标，共计24个坐标。 
其次，将24个坐标及最高点Hm的坐标利用最小二乘法原则计算得到数模Z＝ax2+by2+cx+dy+exy+f。 
在其他7个卦限中重复求解得到7个数模，在后4个卦限中使用的平面为
Figure BSA00000856403400025
Figure BSA00000856403400026
Figure BSA00000856403400027
Figure BSA00000856403400028
四个平面最后，利用曲面方程及积分V＝∫∫sZdxdy， 
Figure BSA00000856403400029
计算出八个卦限中树冠的体积及面积，相加即可得到所求树冠面积及体积。 
本发明具有以下优点： 
①方法成本低，可以通过合理布设测站实现多株树木的测量； 
②实现了对树木的无损测量； 
③计算精度高，数据可靠性强。 
四、具体实施方式：
使用三维激光扫描数据计算树冠体积和面积的方法与传统方法有很大不同，具体实施步骤如下： 
1.使用三维激光扫描仪获取待测树木树冠完整点云信息，保存并记录。 
2.将保存的数据导入geometric软件，分析获取树冠点云信息并保存，通过边缘性分析获取树冠表面点云数据。 
3.建立切平面，与树冠表面相切，在切线上获取点云坐标并保存。 
4.将保存的点云坐标导入SPSS数据处理软件，进行回归分析求出曲面方程的数学模型。 
5.利用重积分求出曲面方程的体积及面积。 

Claims (3)

1.一种基于三维激光点云数据的树冠体积与表面积计测方法，其特征是：利用三维激光扫描仪获取树木点云数据，构建立木三维模型，以树冠最高点Hm和树冠最低点Hn的连线为Z轴，以垂直Z轴且面积最大的冠径平面为XOY平面建立空间直角坐标系XYZ，利用数模Z＝ax2+by2+cx+dy+exy+f在空间直角坐标系XYZ的每个卦限中各建立一个树冠表面曲面方程，计测树冠体积与表面积。 
2.根据权利要求1中所述的一种基于三维激光点云数据的树冠体积与表面积计测方法，其特征是：其中树冠表面曲面方程的建立方法如下：①在空间直角坐标系XYZ中作
Figure FSA00000856403300012
Figure FSA00000856403300013
四个平面，在第I、第II、第III、第IV卦限中分别与树冠曲面相交；②在第I卦限的每个平面与树冠曲面的交线上随机选取6个点，记录坐标，共记24个坐标点；③将24个坐标及最高点Hm的坐标利用最小二乘法原则计算得到数模Z＝ax2+by2+cx+dy+exy+f；④在第II、第III、第IV卦限中，重复第②、③步骤；⑤在空间直角坐标系XYZ中作
Figure FSA00000856403300015
Figure FSA00000856403300016
Figure FSA00000856403300017
四个平面在第V、第VI、第VII、第VIII卦限中分别与树冠曲面相交；⑥在第V卦限的每个平面与树冠曲面的交线上随机选取6个点，记录坐标，共记24个坐标点；⑦将24个坐标及最低点Hn的坐标利用最小二乘法原则计算得到数模Z＝ax2+by2+cx+dy+exy+f；⑧在第VI、第VII、第VIII卦限中，重复第⑥、⑦步骤。 
3.根据权利要求1中所述的一种基于三维激光点云数据的树冠体积与表面积计测方法，其特征是：其中计测树冠体积与表面积的方法如下：利用曲面方程及积分V＝∫∫S Zdxdy， 
Figure FSA00000856403300019
计算出第I、第II、第III、第IV、第V、第VI、第VII、第VIII卦限中树冠的体积及面积，相加即可得到所求树冠面积及体积。 
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