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基于三维激光扫描技术的树木参数提取及可视化研究

王祺  
【摘要】:树木是生态环境中重要的组成部分,在维持碳氧平衡、保护生物多样性、涵养水源等方面起着重要的作用。在生态学研究和城市景观设计中,树木的基本参数提取和三维可视化研究是非常重要的。近年来,随着虚拟现实技术和林业测绘技术的不断发展,特别是地面三维激光扫描技术出现后,树木参数提取以及三维可视化研究中存在的一系列问题得到了较好的解决。地面三维激光扫描技术作为一种新型的测绘技术,可以在不损伤树木的前提下,准确、快速、高效地获取树木的三维点云数据,为生物多样性研究、地上生物量测算、林业资源调查以及森林生态景观三维重建提供了便利的手段。针对传统林业资源调查方法中存在的工作效率低、劳动强度大、可视化困难等问题,本文以地面三维激光扫描仪为载体,采用了算法理论、程序编译与实例相结合的方法,实现了胸径、树冠体积两个基本参数的提取以及树木的可视化,主要研究内容及成果如下:(1)胸径是树木的基本参数之一,在生物量测算和林木生长状况评价方面具有重要作用。接触式人工测量方法自动化程度低、受外界环境因素影响大,现有算法提取树木胸径精度不高。针对上述问题,本文提出一种自动准确无损获取树木胸径的新方法。该方法以地面三维激光扫描技术获取的树木点云数据为基础,提取1.3m高度处的截面点云数据,运用蚁群算法对该截面数据进行排序处理,利用B样条曲线对排序后的点云数据进行拟合,结合周长计算公式,实现了树木胸径的自动准确提取。以Matlab为编程平台,对试验区内的9棵香樟树木进行测量计算,结果表明:该方法能高精度的提取任意高度处的树木直径。利用本文方法提取树木胸径的均方根误差为± 0.19cm,平均绝对误差为0.15cm,相对于基于点云的传统算法提取精度提高了 50%和60.7%。本文方法基于高精度点云数据,实现了树木胸径的无损自动提取,可以为生物量的准确计算和生态学基础研究提供一种准确快速的解决方法。(2)树冠体积对生物量、三维绿量的测算具有重要意义。本文针对树冠拓扑结构复杂,现有方法提取精度差、自动化程度低的问题,提出一种利用激光点云自动获取树冠体积的新方法。以地面三维激光扫描技术获取的树冠点云为基础,运用扇形面积逼近和不规则体切片分割累加算法,实现树冠体积的自动计算。以试验区内的8棵香樟和雪松为例,利用编程软件Matlab作为开发平台进行测量计算,同时与模拟规则体形状方法和基于点云的手动测量法分别进行对比分析,结果表明:基于激光点云自动计算树冠体积的方法实现了单棵树木树冠的无损自动计算,不但节省了人力,而且在计算精度方面提高了 6.17%,可以为三维绿量、碳循环的测算以及树冠结构的研究提供参考。(3)针对树木结构复杂,可视化困难的问题,本文可视化研究分为点云和模型展示两部分。点云三维展示利用地面三维激光扫描技术获取树木点云,以Cyclone软件为点云预处理平台,经过点云配准、去除噪音等操作可以得到完整的树木点云,对获得的点云数据可以进行着色、三维旋转、立体量测等操作,是一种对现实树木最直观和精确的可视化方式之一;模型展示是将三维点云导入Geomagic studio软件中,将完整的树木枝干点云通过点云分割操作,分解成相互独立的不同枝干,对每一部分点云进行封装,构建出枝干三角网模型,然后完成整个树木的合并,将完整的树木模型导入3dsMAX中进行纹理映射和贴图处理,最终得到树木的真三维模型,从而实现树木的可视化。本文方法借助高精度的树木点云数据,实现树木模型的可视化表达,可以为生态学和林业科学研究提供详实的基础数据,为模型可视化研究提供一定的参考。地面三维激光扫描技术应用于树木参数提取和可视化研究,是对生态学和林业研究的一种创新和拓展。本文研究结果表明,利用地面三维激光扫描技术,设计相关算法,可以在不损伤树木和节约人力资源的前提下,准确、快速、高效的提取树木胸径、树冠体积等基本参数。研究成果在生态学基础研究和林业研究中具有重要的科学意义和推广前景。


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