CN107869971B - 一种基于三维激光扫描数据计算树冠表面积的方法 - Google Patents

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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表面积的方法。利用三维激光扫描仪，将其获取的树木点云数据体元化。将体元投影到水平面上，通过统计所有层的独立边个数相加求和再与体元的面积相乘，即可得到所求树冠表面积。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

一种基于三维激光扫描数据计算树冠表面积的方法
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表面积的方法。
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，既不需要复杂的方法步骤，又能保证树冠表面积测算的精度。使用三维激光扫描数据计算树冠面积就是在这样的背景下产生的。
三、发明内容
本发明的目的是一种基于三维激光点云数据的树冠表面积计测方法，它将三维激光扫描仪获取的树木点云数据体元化，体元化即在空间中用一个个小的体元来模拟真实的物体。选择适合大小的体元就能很好的模拟出树冠，在提高效率的同时接近真实值。
本发明的目的是这样实现的：利用三维激光扫描仪获取树木的点云数据，构建一个空间直角坐标系xyz，以树冠最高点Hm和最低点Hn的连线为Z轴，垂直Z轴的冠径平面为XOY平面。分别计算XYZ方向上点云坐标最大值与最小值的差，根据这三个差值来确定建立体元的范围，使其能完整包含所有点云。设定体元的边长大小为a，则可有在垂直方向可以分为n＝Z/a层，将第i层体元投影到水平面上，首先建立该层每个正方形的拓扑关系，判断正方形间的关系，从头到尾遍历各个正方形记录当前正方形与其他正方形的邻接个数，如果与4个正方形邻接就说明有0条独立边，与3个正方形邻接就说明有1条独立边，与2个正方形相邻接则2条独立边，1个正方形邻接3条独立边，最后统计所有正方形的邻接个数得出每一层的独立边个数。设第i层独立边的个数为Ji，统计所有层的独立边的个数，则树冠表面积计算公式如下：
Figure BDA0001447945520000021
其中Surface为树冠表面积，a为体元的边长，此处为0.1m，Ji为第i层独立边的个数。将每一层独立边的个数相加求和再与a2相乘就可以求出树冠的表面积。
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。
④较好的剔除冠层中无效的空隙部分。
四、附图说明：
图1：冠层点云平面投影
图2：体元法模拟冠层示意图
五、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faro focus 3d 120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Faro scene软件进行数据预处理，生成txt格式文件。
3.将txt格式文件导入arcinfo中，编写相关程序。
4.通过公式计算得出表面积。

Claims (1)

1.一种基于三维激光点云数据的树冠表面积计测方法，所述计测方法基于体元法，其特征是：利用三维激光扫描仪获取树木的点云数据，构建一个空间直角坐标系O-XYZ，以树冠最高点Hm和最低点Hn的连线为Z轴，垂直Z轴的冠径平面为XOY平面，分别计算X、Y、Z方向上点云坐标最大值与最小值的差，分别记为Xmax、Ymax、Zmax，根据这三个差值来确定建立体元的范围，使其能完整包含所有点云，设定体元的边长大小为a，则在垂直方向可以分为n＝Zmax/a层,之后将每一层的正方形建立拓扑结构，统计独立边个数就可以求出树冠表面积；
其中拓扑结构的建立与判定如下：将第i层体元投影到水平面上，首先建立该层各个正方形的拓扑关系，判断正方形间的关系，从头到尾遍历各个正方形，记录当前正方形与其他正方形的邻接个数，如果与4个正方形邻接就说明有0条独立边，与3个正方形邻接就说明有1条独立边，与2个正方形相邻接则2条独立边，1个正方形邻接3条独立边，最后统计所有正方形的邻接个数得出每一层的独立边个数；
其中体元法计算树冠表面积的算法如下：将第i层体元投影到水平面，第i层独立边的个数为Ji，统计所有层的独立边的个数，则树冠表面积计算公式如下：
Figure FDA0002269291030000011
其中Surface为树冠表面积，a为体元的边长，此处为0.1m，Ji为第i层独立边的个数，将每一层独立边的个数相加求和再与a2相乘就可以求出树冠的表面积。
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