庄永健;冯仲科;李亚藏;杨立岩;张力;孙梦营
【摘 要】高密度激光雷达(LiDAR)测量技术是一种先进的主动遥感测量技术,可以高效而准确地获取被测目标物的高密度三维点云信息,具有快速,准确,非接触式等显著优点.介绍了激光雷达的测树原理以及3种测量扫描方式的特点,以实例分析了人工测量与三维激光扫描测量立木胸径和材积的精度差异,并对该技术的未来发展趋势作了展望.%High density LiDAR is an advanced active remote sensing technology that can obtain high density 3D point cloud information of the object efficiently and quickly with fast,accurate and non-contact advantages.This paper describes the measuring principle of High density LiDAR and the characteristics of 3 kinds of scanning methods.Analysis was conducted on the accuracy difference between artificial precision measurement and 3D laser scanning measurement of tree DBH and volume by experiment.Finally,this paper discusses the future development trend of this technology.线粒体基因组测序
【期刊名称】《林业资源管理》
【年(卷),期】红外感应水龙头2016(000)006
【总页数】4页(P116-119)
【关键词】激光雷达;森林资源调查;测树
恒温酒窖【作 者】庄永健;冯仲科;李亚藏;杨立岩;张力;孙梦营
【作者单位】将乐县林业局,福建 将乐 353300;北京林业大学 精准林业北京市重点实验室,北京 100083;北京林业大学 精准林业北京市重点实验室,北京 100083;北京林业大学 精准林业北京市重点实验室,北京 100083;北京林业大学 精准林业北京市重点实验室,北京 100083;北京林业大学 精准林业北京市重点实验室,北京 100083
【正文语种】合约众筹中 文
【中图分类】S758;TN958.98
高密度激光雷达(LiDAR)测量技术是一种先进的主动遥感测量技术,可以高效而准确地获取被测目标物的高密度三维点云信息,具有快速,准确,非接触式等显著优点,因而广泛地应用在
地表三维信息生成,物体表面模型重建等任务中。基于此特性,该技术逐渐在森林资源调查中取代人工测量。本文就激光雷达的测树原理及在森林资源调查中的应用和技术实现做一简要概述。
三维激光扫描技术是一种全自动高精度平面扫描技术,也称为“实景复制技术”。它采纳非接触式高速激光测量形式,能够深入到复杂的现场环境及空间中进行扫描操作,通过获取三维坐标数据和数码照片的形式快速获取大型实体或实景等目标的三维平面信息。利用逆向三维建模及重构技术构建其三维数据模型,再现客观事物真实的形态特性。目前,欧洲、澳大利亚、加拿大、美国、日本等很多公司展开了对三维激光扫描技术的研究和开发,已经形成了较大规模的产业,在产品操作、数据精度、扫描速度等方面都达到了较高的水平,并取得了一定的成果。作为一种主动遥测手段,机载LiDAR具有机动性较强,高效,作业范围广等优点,不易受到气候以及云层变化影响,分辨率高,不需要或很少需要人员进入测量现场,不需要大量地面标记点,对于危险地带的区域测量,其提供了一种直接高效的快速测量手段。 1.1 激光雷达扫描系统原理
三维激光雷达是一种主要由扫描仪器、计算机和电源供应系统三部分构成的三维建模系统。
三维激光扫描成像系统在工作中,需要对数据进行不断的采集和处理。它以扫描仪器为原点建立空间坐标系,空间坐标系里面的点云点来表达系统对目标物体表面的采样结果[1]。
三维激光扫描系统的原始观测数据主要是：
1) 2个连续转动的用来反射脉冲激光的反射镜的角度值,即水平方向值α和垂直距值θ；
2) 通过脉冲激光传播的时间计算得到的仪器到扫描点的距离值S；
3) 扫描点的反射强度。
数据(α,θ,S)用来计算扫描点的三维坐标值,扫描点的反射强度用来给反射点匹配颜。基于(α,θ,S)3种数据可求得扫描点的三维坐标[2-3]。
距离S一般由检测激光脉冲从发出到接受之间的时间延迟计算获得目标点P与扫描仪距离S为：
S=1/2Ct1
式中：T1为发射脉冲往返时间间隔；C为光速。
1.2 立木材积测量原理
首先根据待扫描树木的位置、大小形态和需要获取的控制点设计各扫描站和控制标靶的位置。然后启动扫描仪、对目标立木进行扫描。最后利用Cyclone软件提供的丰富的点云数据处理功能,通过获取、截取、围栏选定的点云数据匹配生成面和复杂形体表面的不规则三角网,建成立木的三维树干表面模型[4]。在已知三维树干表面模型后,可以将树干模拟为若干个圆柱或者圆台构成。然后根据软件计算出立木材积。
1.3 激光雷达测量扫面方式
在森林资源调查中,常见的方法是作业员在野外实地观测或则估计坡度、坡向、坡位及勾绘谷背线等地形因子,这种方法很难快速、科学、准确地调查大区域的地形因子,而且野外工作繁重。
与传统的方法相比,利用三维激光扫描技术重构林地的三维数据模型,完成对为满足伐区设计、造林设计、抚育采伐设计等而进行的森林的资源调查,不仅更容易实现对林地面积、木材蓄积量及森林覆盖率的资源调查,而且能够促进国内计算机视觉学科的发展与应用的推广。
激光雷达对森林植被的测量方式主要分为机载方式和地面静态扫描以及地面动态扫描方式3种。
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1.3.1 机载激光雷达扫描
机载LiDAR剖面测量系统在测量林下地形的同时,还可以测量植被的冠层高度,通过数据处理可以反演出树高,冠幅,胸径,森林边界等,可用于评价森林郁闭度,可以有效地对森林资源进行管理。但缺点是精度较差,点云较稀疏,不能很好地对单个树木进行建模,使得算法不能有效地对单棵树木细节特征进行分析和分类。图1(a)为机载激光雷达对树林区域100m×100m范围内进行扫描的图像[5],图1(b)为对应区域的数字图像。
1.3.2 地面静态激光雷达扫描
1) 由于机载激光雷达采集的数据较为稀疏,自上而下的空间采样方式并不能够获取树木的三维模型细节,而多应用于树木的较大面积范围的粗略特征。地面静态激光雷达可以通过对树干和枝条进行高密度采样覆盖来有效地解决这个问题,因而可以精准地对单木三维形态进行细节上的建模。
2) 三维重建的过程需要树木的点云数据作为输入,因此点云数据的获取及预处理过程包括利用激光扫描仪从不同方位角度对场景进行扫描,以获得比较完整的树木枝干表面数据；其后利用高反射率标靶等各种自然或人为的特征点,线或面,将不同站点获取的点云数据进行配准,使得它们处于同一坐标系内；点云的去噪,修补及简化等预处理都将对数据的质量产生影响。较高精度的数据对后续的树种分类和树木生长记录等细节数据处理都有更好地帮助。
3) 其特点是精度高,对一、二类调查样地的单棵树木的细节保留完好,方便后期进行数据处理和树木分类。但缺点是需要人工进行静态扫描设备架设和地面标记,效率较为低下。在有大量树木遮挡或地面起伏较大的地带,需要对目标样地进行多站架设扫描,较为耗时。
1.3.3 地面移动激光雷达扫描
地面移动激光雷达按扫描方式可分为手持式,车载式和背负式3种。
1) 在地面移动激光雷达系统中,手持式激光雷达最为轻便,但是由于其测距范围小,所以应用局限性较大,通常用于小型静态物体的3D建模。
2) 车载激光雷达测距范围最远,可以较快速地对大型建筑物和城市环境进行点云测量和建模,
但是其体积太大,在森林资源调查中无法深入林地进行点云采集。
3) 背负式激光雷达系统可以克服上述缺点,在获取较高精度的点云数据同时,可以灵活地在林地移动,但由于林地GPS信号较弱,所以传感器在林地的定位需要使用移动机器人的SLAM(同步定位于地图构建)技术来解决。由于定位精度将对点云模型的匹配与拼接产生巨大影响,所以SLAM问题也就成为了背负式激光雷达系统的核心问题。但是背负式移动测量由于其灵活,高精度的特性,将会逐渐成为未来室内或者林地移动测量的主要方式。
