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基于TLS点云数据的林分调查因子测定及收获估计

梁子瑜  
【摘要】:在传统的森林资源调查中,人工提取林分调查因子需要进行大量的外业工作。在如今信息爆炸、效率优先的调查工作中,寻求准确而高效的林分调查方法具有重要的意义。随着科学技术的发展,电子计算机技术和“3S”技术等已广泛用于林分调查因子的提取,三维激光扫描与其成像系统已逐步进入森林资源调查与林分特征状态估计的工作之中。以Leica Scanstation C10为代表的地面激光三维扫描仪(Terrestrial Laser Scanning,简称TLS)融合数字处理技术,为开展该方面研究提供了较好的技术平台。本研究主要研究内容与结论如下:主要研究内容:1、林分调查方法标定。数据标定通过模拟林地内扫描场景,依据扫描特性设置标准地,标准地内放置圆柱形标杆模拟树干。对扫描获取的数据进行提取,获得模拟树干不同高度处的直径,旨在保证测量精度的前提下减小数据量并缩短扫描时间,为地面激光扫描用于森林资源调查制定参考标准,实现高精度、低时耗、自动化提取适用的林分生长参数,发挥该设备在林分调查中的优势,为进一步对树木进行干曲线反演、材种出材率估计提供依据。2、削度方程模型构建。在Cyclone中完成外业扫描点云数据的拼接,通过树干表皮的平坦度和法向量两个数据特征值对点云数据进行分类,使用分类后的树干点云数据对树干进行三维重建,提取样地内所有立木全树高、上部直径以及上部直径对应树高。选用Ormerod、孟宪宇、Kozak、严若海、Schumacher等人建立的削度方程作为备选模型,使用TLS数据获取的数据进行模型的回归并提取相应的参数,最后使用解析木数据对提取的削度方程参数进行检验和优化,完成相应树种削度方程模型的构建。3、材种出材率表编制。根据削度方程和单株立木带皮、去皮胸径转换式对研究区内所有样地进行理论造材,编制样地各径阶材种出材率表。使得本研究运用的激光点云数据编制材积表方法不仅节省人力物力同时也能符合精度标准,可以运用于生产实际。主要研究结论:1、使用TLS进行林分调查时,仪器自带的三种扫描精度设定对数据提取结果影响较小,扫描精度仅影响扫描时间和数据存储量;在仪器高度处数据提取结果最好,因此胸径处的数据提取精度最高;10m和15m半径样地大小均可以达到林分调查因子的精度要求,在实际运用中应根据林分的疏密度而定。2、通过传统解析木方法和点云数据反演方法建立削度方程,结果表明改进四参数Schumacher方程,相比较于其他方程有着更好的精度和拟合特性,符合江苏省杨树的生长规律。使用解析木数据对TLS建立的削度方程进行检验,结果表明TLS削度方程对材长和材种直径的估计达到精度要求,可以作为材种出材和生物量计算的基础。3、本研究依据TLS点云数据得到的削度方程,结合解析木数据得到的单株立木带皮、去皮胸径转换式,采用简化的经济材材种规格要求,建立削度——材长——材积方程系统,并对当前林分所有样地数据进行理论造材。研究结果表明,TLS数据建立的削度方程所编制的材种出材率表可以近似代替解析木数据建立的削度方程所编制的材种出材率表,精度和误差都在可接受范围内,可以应用于生产实际。使用TLS进行森林资源调查可以提取需要的林分调查因子,节约人力物力并减少耗时。在进行测量时对林分的破坏性降到最小,满足森林经营中生态可持续的基本要求。本研究建立了一套使用TLS进行林分调查的体系,为应用TLS对阔叶树树种进行林分调查制定了基本流程,为今后应用该技术进行林分调查奠定了基础。


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