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1.前言
樹木作為生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分及重要的生產(chǎn)者，在生態(tài)圈承擔(dān)著不可或缺的作用。隨著測繪技術(shù)的進(jìn)步與發(fā)展，我國數(shù)字化林業(yè)建設(shè)進(jìn)程的不斷向前推進(jìn)。三維激光掃描作為一種可以快速獲取目標(biāo)的三維空間坐標(biāo)，并以點(diǎn)云的形式展現(xiàn)出物體表面真實(shí)結(jié)構(gòu)的新型測繪技術(shù)，已經(jīng)廣泛應(yīng)用林業(yè)資源調(diào)查、林分結(jié)構(gòu)研究以及單木三維重建等方面。通過三維激光掃描獲取的點(diǎn)云數(shù)據(jù)對(duì)樹木進(jìn)行三維重建，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)樹木形態(tài)、樹木胸徑、樹冠表面積、體積等參數(shù)的準(zhǔn)確獲取。為樹木生長趨勢、森林資源調(diào)查、生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)、名木古樹保護(hù)等研究提供了可信的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。
目前，獲取樹木的三維激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)主要采用地面式三維激光掃描儀與機(jī)載激光雷達(dá)系統(tǒng)。對(duì)于單株樹木的掃描工作，通常采用地面式三維激光掃描設(shè)備；對(duì)于大面積的樹木林地，使用機(jī)載激光雷達(dá)系統(tǒng)能夠更加快速、全面的獲取樹木的點(diǎn)云數(shù)據(jù)。然而，地面式三維激光掃描系統(tǒng)的架站受限于地形等因素，難以在坡度較大的山區(qū)林地開展工作；且單站掃描不能完全獲取樹木的全部點(diǎn)云，一般需兩站及以上的掃描站點(diǎn)才能完全觀測到樹木的整體情況，大大降低了數(shù)據(jù)采集的效率。機(jī)載激光雷達(dá)受激光入射角度的影響，對(duì)樹干部位的點(diǎn)云數(shù)據(jù)獲取能力有限；雖然目前主流的機(jī)載激光雷達(dá)頭均有多次回波的功能，但對(duì)于生長較為茂盛、樹冠面積較大的樹木林地，激光穿透樹冠的能力有限，經(jīng)多次回波后也依然無法穿透樹冠到達(dá)地表，導(dǎo)致樹干部位的數(shù)據(jù)缺失，進(jìn)而影響樹木整體形態(tài)的構(gòu)建及樹木胸徑測量的精準(zhǔn)程度。綜上所述，從作業(yè)的安全性、數(shù)據(jù)采集效率、數(shù)據(jù)采集的完整性等角度出發(fā)，地面式激光掃描儀與機(jī)載激光雷達(dá)系統(tǒng)雖有各自的優(yōu)勢，但在某些方面仍存在不同程度的限制。????
Rigel?Mini?VUX-1 UAV機(jī)載雷達(dá)獲取的林地?cái)?shù)據(jù)
樹干部分只有幾十個(gè)點(diǎn)，難以精確擬合成圓測量樹木的胸徑
手持式的SLAM移動(dòng)掃描系統(tǒng)，采用了突破性的同步定位建圖技術(shù)，能夠在運(yùn)動(dòng)過程中獲取高精度的激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)。在林地調(diào)查工作中，使用SLAM設(shè)備穿梭于欲調(diào)查樹林，即可在保證測量人員作業(yè)安全的同時(shí)，高效、完整地獲取樹木的詳細(xì)的激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)。通過后處理軟件完成樹木形態(tài)的構(gòu)建，計(jì)算出樹木的胸徑、樹冠面積、體積等要素信息。SLAM設(shè)備省去了地面激光掃面設(shè)備繁瑣的搬運(yùn)換點(diǎn)架站，又能獲取到機(jī)載雷達(dá)系統(tǒng)難以采集到的樹干信息，從根本上提高了作業(yè)效率，滿足了林地調(diào)查中獲取樹木三維激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)的要求。
2.SLAM技術(shù)簡介
SLAM基本原理
SLAM (Simultaneous localization and mapping)，意為“實(shí)時(shí)定位與地圖構(gòu)建”。SLAM可以理解為:?掃描儀在未知環(huán)境中從一個(gè)未知位置開始移動(dòng),在移動(dòng)過程中根據(jù)位置估計(jì)和地圖進(jìn)行自身定位，同時(shí)在自身定位的基礎(chǔ)上建造增量式地圖，實(shí)現(xiàn)掃描儀的自主定位和導(dǎo)航。
SLAM技術(shù)原理
3D?SLAM
3D SLAM 技術(shù)是激光掃描儀的運(yùn)動(dòng)軌跡是一條與工作人員行走的步態(tài)有關(guān)的非線性和高動(dòng)態(tài)的曲線。按照一般的理解，激光掃描儀如果安裝在移動(dòng)測量系統(tǒng)中，一定要有一個(gè)高精度的定位系統(tǒng)(POS 系統(tǒng))與之匹配。這樣，激光掃描儀得到的激光點(diǎn)才能得到對(duì)應(yīng)的位置和姿態(tài)數(shù)據(jù)，進(jìn)而合成三維的激光點(diǎn)云。為了能解算出激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)的高動(dòng)態(tài)非線性位姿，通過研究激光點(diǎn)云的處理算法，可從這些雜亂無章的點(diǎn)云中找到線索，求取其中隱含的更穩(wěn)定的高階特征點(diǎn)和特征向量，并連續(xù)跟蹤這些特征點(diǎn)和特征向量，進(jìn)而高精度地動(dòng)態(tài)反向解算掃描儀的位置和姿態(tài)。這種高精度的動(dòng)態(tài)反向解算位置和姿態(tài)的方法顛覆了傳統(tǒng)的測繪方法，為測繪技術(shù)開拓了一種新的思路方法。
3.SLAM技術(shù)特點(diǎn)
目前，現(xiàn)有的地面移動(dòng)測量系統(tǒng)通常是基于車載的移動(dòng)測量系統(tǒng)的，但目前地面移動(dòng)測量系統(tǒng)均需要依賴于全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(GNSS)和慣性導(dǎo)航系統(tǒng)，只能用于室外環(huán)境。然而， 由于室內(nèi)和地下空間等環(huán)境中沒有 GNSS 信號(hào)，因此，傳統(tǒng)的移動(dòng)測量系統(tǒng)無法正常工作。固定式激光掃描可以用于室內(nèi)室外的環(huán)境，但是復(fù)雜場景需要大量換站，然后進(jìn)行點(diǎn)云拼接， 數(shù)據(jù)獲取的效率十分低下。然而，即時(shí)定位與地圖構(gòu)建(SLAM)技術(shù)在移動(dòng)測繪方面具有較好的應(yīng)用，不依托 GNSS 信號(hào)，能夠?qū)κ覂?nèi)和室外的地面水平環(huán)境進(jìn)行地圖構(gòu)建和環(huán)境建模。因此，SLAM 技術(shù)在測繪領(lǐng)域中的應(yīng)用降低了測量復(fù)雜性，不需要大量標(biāo)記地物點(diǎn)，不需要GPS 信號(hào)，適用于在室內(nèi)室外場景，對(duì)于解決傳統(tǒng)測繪中的定位及場景重建問題具有廣闊的前景。
由于?SLAM 技術(shù)無需 GNSS 信號(hào)，對(duì)工作環(huán)境又有極強(qiáng)的適應(yīng)性，基于 SLAM 技術(shù)的移動(dòng)測量系統(tǒng)在多個(gè)測繪領(lǐng)域發(fā)揮作用，具體表現(xiàn)為：
(1)外業(yè)數(shù)據(jù)采集速度極快，可快速獲得所需點(diǎn)云數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)精度高。
(2)內(nèi)業(yè)點(diǎn)云預(yù)處理時(shí)間短，自動(dòng)化程度高，基本不需要人工干預(yù)，短時(shí)間便能獲得配準(zhǔn)好的點(diǎn)云數(shù)據(jù)。
(3)操作簡單方便，無需換站，連續(xù)采集，具有連貫性，可實(shí)現(xiàn)室內(nèi)外一體化掃描作業(yè)。
(4) SLAM 技術(shù)的測繪移動(dòng)測量掃描儀在任意環(huán)境中長時(shí)間工作故障率低，對(duì)于精度要求較高的重點(diǎn)區(qū)域，可與固定測站式三維激光系統(tǒng)配合使用，既能保證精度，又能保證效率。
無論是室外或者室內(nèi)掃描環(huán)境，只要掃描環(huán)境結(jié)構(gòu)特征越明顯
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4.GeoSLAM?ZEB?HORIZON
GeoSLAM ZEB?Horizon手持式移動(dòng)三維激光掃描儀是由澳大利亞國家科學(xué)研究機(jī)構(gòu) CSRO 和英國三維激光雷達(dá)采礦行業(yè)解決方案提供者 3D lasermapping 公司以合資企業(yè)的形式成立,并聯(lián)合研發(fā)出的目前最輕便的SLAM 掃描系統(tǒng)。
GeoSLAM?ZEB?Horizon 3D 系統(tǒng)
一個(gè)背包搞定所有主配件
GeoSLAM Horizon 3D 系統(tǒng)技術(shù)參數(shù)
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數(shù)據(jù)預(yù)處理軟件?GeoSLAM HUB?特性：
?原始數(shù)據(jù)拖放軟件內(nèi)進(jìn)行處理
?在‘GeoSLAM Draw’中將 3D 數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為 2D 矢量數(shù)據(jù)
?云數(shù)據(jù)，行進(jìn)軌跡，影像資料同步查閱
產(chǎn)品特性：?
?全套設(shè)備僅 3.5kg，可移動(dòng)的快速掃描多區(qū)域環(huán)境
?掃描頭自動(dòng)旋轉(zhuǎn)，使動(dòng)態(tài)掃描更加便捷，可進(jìn)行 360°全景掃描
?結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)小巧，可進(jìn)入低矮及狹小空間進(jìn)行全方位數(shù)據(jù)采集
?支持手持、固定桿、背負(fù)、車載、船載、無人機(jī)載等多種方式掃描
?點(diǎn)云數(shù)據(jù)成果自帶反射強(qiáng)度值
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5. GeoSLAM ZEB Horizon在林業(yè)調(diào)查的應(yīng)用方案
外業(yè)數(shù)據(jù)采集
激光頭重?1.3Kg，單塊電池可連續(xù)掃描 4 小時(shí)，可進(jìn)入無 GPS 信號(hào)的狹小空間采集數(shù)據(jù)。掃描開始前，應(yīng)事先規(guī)劃好掃描路線，林地樹木掃描采取穿梭環(huán)繞方式，在不重復(fù)行走的前提下，確保測區(qū)內(nèi)每棵樹的兩側(cè)均有行進(jìn)，以保證樹木點(diǎn)云數(shù)據(jù)的完整性。
數(shù)據(jù)內(nèi)業(yè)處理
將原始數(shù)據(jù)導(dǎo)入進(jìn)預(yù)處理軟件?Hub 里進(jìn)行解算，解算數(shù)據(jù)所需時(shí)間和電腦的配置以及掃描所用時(shí)間相關(guān)，一般來說解算時(shí)間約為掃描時(shí)間的 1-3 倍。
在預(yù)處理軟件?Hub 中查看點(diǎn)云數(shù)據(jù)的整體 3D 效果，也可以以 2D 效果圖來進(jìn)行顯示。當(dāng)同步影像與點(diǎn)云相匹配之后，點(diǎn)云數(shù)據(jù)還能夠以 RGB?真彩色來顯示，與最終成果圖對(duì)比起來會(huì)顯得更加的直觀有效。
?行進(jìn)軌跡以紅色線表示
?使用裁剪盒工具切剖檢查樹干數(shù)據(jù)的完整度
使用后處理軟件LiDAR360對(duì)樹木的胸徑與樹冠面積進(jìn)行計(jì)算，胸徑（DBH）是胸高直徑的簡稱，指樹干距地面以上相當(dāng)于一般成年人胸高部位的直徑。在我國和大多數(shù)國家，胸徑定義為地面以上1.3米高處樹的直徑。將林地?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行歸一化后，進(jìn)行單木分割，以不同顏色顯示每一棵樹，并在每棵樹距地1.3m處進(jìn)行切剖，獲得計(jì)算胸徑所需要的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，擬合為圓，即可得到樹木胸徑信息。
單木分割結(jié)果（以樹ID顯示）
?提取胸徑點(diǎn)云數(shù)據(jù)
擬合胸徑點(diǎn)云為圓并計(jì)算胸徑
?樹高，樹冠面積，樹冠體積計(jì)算結(jié)果
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樹冠體積對(duì)生物量的研究有著重要意義，目前常用的冠幅計(jì)算方法是體元模擬法，是將樹冠分割成無數(shù)個(gè)邊長為k*k*k的小立方體，每個(gè)小立方體即為體元，計(jì)算有效體元個(gè)數(shù)，對(duì)小立方體體積求和，便可以獲得樹冠體積，具體的流程如下：
（1）將樹冠從冠底到冠頂沿z軸方向進(jìn)行等距分割，分割步長記為k；
（2）從分割面將樹冠點(diǎn)云數(shù)據(jù)投影至平面，沿著?XY 軸將樹冠投影面以 k為步長進(jìn)行等距分割。判斷分割的小方格中是否包含投影點(diǎn)云，只將包含有點(diǎn)云的小方格進(jìn)行計(jì)數(shù)，以T代表方格數(shù)目，因此，此部分樹冠投影面積S為：
（3）將分割層數(shù)記為i，則體積V的計(jì)算公式為
體元模擬法計(jì)算樹冠體積的結(jié)果更為精確，并且不需要考慮樹冠形狀與樹木個(gè)體差異，使用GeoSLAM手持式激光掃描儀獲取的樹木點(diǎn)云數(shù)據(jù)，樹冠部分?jǐn)?shù)據(jù)的完整程度要優(yōu)于地面激光掃描系統(tǒng)，因此在體積計(jì)算的過程中，誤差較小。
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6.?機(jī)載GeoSLAM ZEB Horizon在林業(yè)調(diào)查的應(yīng)用方案
外業(yè)數(shù)據(jù)采集
GeoSLAM?ZEB?Horizon可懸掛在大疆M300、M600上作為小型機(jī)載LiDAR使用，續(xù)航時(shí)間約20分鐘，單次飛行可獲取不少于0.5平方公里的點(diǎn)云數(shù)據(jù)。采集數(shù)據(jù)前，應(yīng)事先規(guī)劃好飛行航線，確保測區(qū)數(shù)據(jù)采集完整。
內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理
1.原始數(shù)據(jù)解算
使用GeoSLAM?HUB軟件對(duì)采集的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行解算，本次采集數(shù)據(jù)14分鐘，得到三維點(diǎn)云91060000個(gè)，解算后的數(shù)據(jù)如下圖所示
以高程模式顯示點(diǎn)云數(shù)據(jù)
2.單木分割?
將點(diǎn)云數(shù)據(jù)加載進(jìn)LiDAR360軟件后，進(jìn)行地面點(diǎn)分類并將點(diǎn)云進(jìn)行歸一化，然后進(jìn)行單木分割處理。
?單株林木提取
?樹高，樹冠直徑，樹冠面積，樹冠體積計(jì)算結(jié)果
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7.總結(jié)
隨著三維激光掃描技術(shù)的普及與發(fā)展，人們已經(jīng)感受到它與傳統(tǒng)測量儀器之間的天差地別。利用三維激光掃描設(shè)備獲取的點(diǎn)云數(shù)據(jù)可以實(shí)現(xiàn)林地樹木的三維結(jié)構(gòu)重建，獲得精確的樹高、胸徑、樹冠面積及體積等數(shù)據(jù)，為林地資源調(diào)查等項(xiàng)目提供了寶貴的資料。這種作業(yè)方式不僅節(jié)約了時(shí)間，提高了作業(yè)效率，也大大減少了人力、物力的投入。GeoSLAM?ZEB?Horizon移動(dòng)式掃描儀作業(yè)方式靈活，單人即可完成掃描作業(yè)，能夠快速完整地獲取林地樹木的三維激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)。
本次測試將ZEB?Horizon設(shè)備掛載至大疆M300飛機(jī)上，獲取了樹冠發(fā)育茂盛、林木生長密集的森林林木數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)采集時(shí)間14分鐘，數(shù)據(jù)解算時(shí)間35分鐘，使用LiDAR360軟件對(duì)森林所有的林木進(jìn)行單木分割，統(tǒng)計(jì)得到樹木2545棵，并提取出樹高、樹冠面積及體積等林木結(jié)構(gòu)參數(shù)，用時(shí)45分鐘。對(duì)比人工手段使用皮尺等工具測量林木結(jié)構(gòu)參數(shù)，使用Geoslam設(shè)備（非接觸式測量）在不傷害樹木的情況下大大提升了作業(yè)效率，并且能夠采集人們難以到達(dá)處的林木數(shù)據(jù)。其具體優(yōu)勢如下：
1.體積小、質(zhì)量輕、無需GPS信號(hào)，所見即所得，可手持進(jìn)入茂密的林地掃描
2.多種搭載方式，可搭載至大疆M300、M600等無人機(jī)作為機(jī)載雷達(dá)使用
3.激光不受環(huán)境光線影響，黑暗環(huán)境也可采集精確的點(diǎn)云數(shù)據(jù)
4.非接觸式測量，不會(huì)對(duì)樹木有所損傷
5.先進(jìn)、專業(yè)的林木參數(shù)分析軟件，提取的林木結(jié)構(gòu)參數(shù)結(jié)果精確、可靠。結(jié)果內(nèi)容豐富，可單獨(dú)導(dǎo)出每棵數(shù)目的點(diǎn)云，也可導(dǎo)出參數(shù)表格，方便存檔、查看、分析。
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