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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)者杰刽，在生態(tài)圈承擔著不可或缺的作用。隨著測繪技術的進步與發(fā)展，我國數(shù)字化林業(yè)建設進程的不斷向前推進宇整。三維激光掃描作為一種可以快速獲取目標的三維空間坐標固棚，并以點云的形式展現(xiàn)出物體表面真實結構的新型測繪技術，已經(jīng)廣泛應用林業(yè)資源調(diào)查扑诈、林分結構研究以及單木三維重建等方面洼眶。通過三維激光掃描獲取的點云數(shù)據(jù)對樹木進行三維重建，可以實現(xiàn)對樹木形態(tài)钧椿、樹木胸徑宜箩、樹冠表面積、體積等參數(shù)的準確獲取盹屠。為樹木生長趨勢题禀、森林資源調(diào)查、生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)膀捷、名木古樹保護等研究提供了可信的基礎數(shù)據(jù)迈嘹。
目前，獲取樹木的三維激光點云數(shù)據(jù)主要采用地面式三維激光掃描儀與機載激光雷達系統(tǒng)全庸。對于單株樹木的掃描工作秀仲，通常采用地面式三維激光掃描設備；對于大面積的樹木林地壶笼，使用機載激光雷達系統(tǒng)能夠更加快速神僵、全面的獲取樹木的點云數(shù)據(jù)。然而覆劈，地面式三維激光掃描系統(tǒng)的架站受限于地形等因素保礼，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云责语，一般需兩站及以上的掃描站點才能完全觀測到樹木的整體情況炮障，大大降低了數(shù)據(jù)采集的效率。機載激光雷達受激光入射角度的影響鹦筹，對樹干部位的點云數(shù)據(jù)獲取能力有限铝阐；雖然目前主流的機載激光雷達頭均有多次回波的功能，但對于生長較為茂盛泌醋、樹冠面積較大的樹木林地昂游，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地表赌拒，導致樹干部位的數(shù)據(jù)缺失跳窖，進而影響樹木整體形態(tài)的構建及樹木胸徑測量的精準程度。綜上所述贵郎，從作業(yè)的安全性职靴、數(shù)據(jù)采集效率、數(shù)據(jù)采集的完整性等角度出發(fā)蒂轨，地面式激光掃描儀與機載激光雷達系統(tǒng)雖有各自的優(yōu)勢欲广，但在某些方面仍存在不同程度的限制。????
Rigel?Mini?VUX-1 UAV機載雷達獲取的林地數(shù)據(jù)
樹干部分只有幾十個點，難以精確擬合成圓測量樹木的胸徑
手持式的SLAM移動掃描系統(tǒng)繁触，采用了突破性的同步定位建圖技術栓稻，能夠在運動過程中獲取高精度的激光點云數(shù)據(jù)。在林地調(diào)查工作中句惯，使用SLAM設備穿梭于欲調(diào)查樹林土辩，即可在保證測量人員作業(yè)安全的同時，高效抢野、完整地獲取樹木的詳細的激光點云數(shù)據(jù)拷淘。通過后處理軟件完成樹木形態(tài)的構建，計算出樹木的胸徑指孤、樹冠面積启涯、體積等要素信息。SLAM設備省去了地面激光掃面設備繁瑣的搬運換點架站邓厕，又能獲取到機載雷達系統(tǒng)難以采集到的樹干信息逝嚎，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云數(shù)據(jù)的要求详恼。
2.SLAM技術簡介
SLAM基本原理
SLAM (Simultaneous localization and mapping)补君，意為“實時定位與地圖構建”。SLAM可以理解為:?掃描儀在未知環(huán)境中從一個未知位置開始移動,在移動過程中根據(jù)位置估計和地圖進行自身定位昧互，同時在自身定位的基礎上建造增量式地圖挽铁，實現(xiàn)掃描儀的自主定位和導航。
SLAM技術原理
3D?SLAM
3D SLAM 技術是激光掃描儀的運動軌跡是一條與工作人員行走的步態(tài)有關的非線性和高動態(tài)的曲線机凭。按照一般的理解迟伤，激光掃描儀如果安裝在移動測量系統(tǒng)中，一定要有一個高精度的定位系統(tǒng)(POS 系統(tǒng))與之匹配级衅。這樣娘型，激光掃描儀得到的激光點才能得到對應的位置和姿態(tài)數(shù)據(jù)，進而合成三維的激光點云笑诫。為了能解算出激光點云數(shù)據(jù)的高動態(tài)非線性位姿铝矢，通過研究激光點云的處理算法，可從這些雜亂無章的點云中找到線索咽行，求取其中隱含的更穩(wěn)定的高階特征點和特征向量跪消，并連續(xù)跟蹤這些特征點和特征向量，進而高精度地動態(tài)反向解算掃描儀的位置和姿態(tài)差讼。這種高精度的動態(tài)反向解算位置和姿態(tài)的方法顛覆了傳統(tǒng)的測繪方法准魁，為測繪技術開拓了一種新的思路方法。
3.SLAM技術特點
目前赫斥，現(xiàn)有的地面移動測量系統(tǒng)通常是基于車載的移動測量系統(tǒng)的卤竭，但目前地面移動測量系統(tǒng)均需要依賴于全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)(GNSS)和慣性導航系統(tǒng)，只能用于室外環(huán)境。然而虑润， 由于室內(nèi)和地下空間等環(huán)境中沒有 GNSS 信號成玫，因此，傳統(tǒng)的移動測量系統(tǒng)無法正常工作拳喻。固定式激光掃描可以用于室內(nèi)室外的環(huán)境，但是復雜場景需要大量換站猪腕，然后進行點云拼接冗澈， 數(shù)據(jù)獲取的效率十分低下。然而陋葡，即時定位與地圖構建(SLAM)技術在移動測繪方面具有較好的應用亚亲，不依托 GNSS 信號，能夠?qū)κ覂?nèi)和室外的地面水平環(huán)境進行地圖構建和環(huán)境建模腐缤。因此捌归，SLAM 技術在測繪領域中的應用降低了測量復雜性，不需要大量標記地物點岭粤，不需要GPS 信號惜索，適用于在室內(nèi)室外場景，對于解決傳統(tǒng)測繪中的定位及場景重建問題具有廣闊的前景惰衬。
由于?SLAM 技術無需 GNSS 信號铡碧，對工作環(huán)境又有極強的適應性，基于 SLAM 技術的移動測量系統(tǒng)在多個測繪領域發(fā)揮作用羔题，具體表現(xiàn)為：
(1)外業(yè)數(shù)據(jù)采集速度極快愧蔬，可快速獲得所需點云數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)精度高鉴何。
(2)內(nèi)業(yè)點云預處理時間短茴夯，自動化程度高，基本不需要人工干預矢妄，短時間便能獲得配準好的點云數(shù)據(jù)屁茁。
(3)操作簡單方便，無需換站的席，連續(xù)采集捧擂，具有連貫性，可實現(xiàn)室內(nèi)外一體化掃描作業(yè)赁至。
(4) SLAM 技術的測繪移動測量掃描儀在任意環(huán)境中長時間工作故障率低艾遗，對于精度要求較高的重點區(qū)域，可與固定測站式三維激光系統(tǒng)配合使用瓣俯，既能保證精度杰标，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)境結構特征越明顯
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4.GeoSLAM?ZEB?HORIZON
GeoSLAM ZEB?Horizon手持式移動三維激光掃描儀是由澳大利亞國家科學研究機構 CSRO 和英國三維激光雷達采礦行業(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)腔剂。
GeoSLAM?ZEB?Horizon 3D 系統(tǒng)
一個背包搞定所有主配件
GeoSLAM Horizon 3D 系統(tǒng)技術參數(shù)
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數(shù)據(jù)預處理軟件?GeoSLAM HUB?特性：
?原始數(shù)據(jù)拖放軟件內(nèi)進行處理
?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)媒区，行進軌跡，影像資料同步查閱
產(chǎn)品特性：?
?全套設備僅 3.5kg掸犬，可移動的快速掃描多區(qū)域環(huán)境
?掃描頭自動旋轉(zhuǎn)袜漩，使動態(tài)掃描更加便捷，可進行 360°全景掃描
?結構設計小巧湾碎，可進入低矮及狹小空間進行全方位數(shù)據(jù)采集
?支持手持宙攻、固定桿、背負介褥、車載座掘、船載、無人機載等多種方式掃描
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5. GeoSLAM ZEB Horizon在林業(yè)調(diào)查的應用方案
外業(yè)數(shù)據(jù)采集
激光頭重?1.3Kg柔滔，單塊電池可連續(xù)掃描 4 小時驳疚，可進入無 GPS 信號的狹小空間采集數(shù)據(jù)。掃描開始前浅腥，應事先規(guī)劃好掃描路線贞触，林地樹木掃描采取穿梭環(huán)繞方式，在不重復行走的前提下凯书，確保測區(qū)內(nèi)每棵樹的兩側(cè)均有行進滋池，以保證樹木點云數(shù)據(jù)的完整性。
數(shù)據(jù)內(nèi)業(yè)處理
將原始數(shù)據(jù)導入進預處理軟件?Hub 里進行解算咬恨，解算數(shù)據(jù)所需時間和電腦的配置以及掃描所用時間相關茸暖，一般來說解算時間約為掃描時間的 1-3 倍。
在預處理軟件?Hub 中查看點云數(shù)據(jù)的整體 3D 效果邀漩，也可以以 2D 效果圖來進行顯示畦瞒。當同步影像與點云相匹配之后，點云數(shù)據(jù)還能夠以 RGB?真彩色來顯示绿踱，與最終成果圖對比起來會顯得更加的直觀有效冠秉。
?行進軌跡以紅色線表示
?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對樹木的胸徑與樹冠面積進行計算，胸徑（DBH）是胸高直徑的簡稱菲藏，指樹干距地面以上相當于一般成年人胸高部位的直徑视事。在我國和大多數(shù)國家，胸徑定義為地面以上1.3米高處樹的直徑庆揩。將林地數(shù)據(jù)進行歸一化后俐东，進行單木分割，以不同顏色顯示每一棵樹订晌，并在每棵樹距地1.3m處進行切剖虏辫，獲得計算胸徑所需要的點云數(shù)據(jù)蚌吸，擬合為圓，即可得到樹木胸徑信息砌庄。
單木分割結果（以樹ID顯示）
?提取胸徑點云數(shù)據(jù)
擬合胸徑點云為圓并計算胸徑
?樹高羹唠，樹冠面積，樹冠體積計算結果
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樹冠體積對生物量的研究有著重要意義娄昆，目前常用的冠幅計算方法是體元模擬法佩微，是將樹冠分割成無數(shù)個邊長為k*k*k的小立方體，每個小立方體即為體元萌焰，計算有效體元個數(shù)喊衫，對小立方體體積求和，便可以獲得樹冠體積睡谒，具體的流程如下：
（1）將樹冠從冠底到冠頂沿z軸方向進行等距分割，分割步長記為k尾丑；
（2）從分割面將樹冠點云數(shù)據(jù)投影至平面榆墅，沿著?XY 軸將樹冠投影面以 k為步長進行等距分割。判斷分割的小方格中是否包含投影點云熔淘，只將包含有點云的小方格進行計數(shù)榨未，以T代表方格數(shù)目，因此饼痘，此部分樹冠投影面積S為：
（3）將分割層數(shù)記為i收谭，則體積V的計算公式為
體元模擬法計算樹冠體積的結果更為精確，并且不需要考慮樹冠形狀與樹木個體差異全僧，使用GeoSLAM手持式激光掃描儀獲取的樹木點云數(shù)據(jù)旧败，樹冠部分數(shù)據(jù)的完整程度要優(yōu)于地面激光掃描系統(tǒng)，因此在體積計算的過程中公杰，誤差較小暮孕。
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6.?機載GeoSLAM ZEB Horizon在林業(yè)調(diào)查的應用方案
外業(yè)數(shù)據(jù)采集
GeoSLAM?ZEB?Horizon可懸掛在大疆M300、M600上作為小型機載LiDAR使用许起，續(xù)航時間約20分鐘十偶，單次飛行可獲取不少于0.5平方公里的點云數(shù)據(jù)。采集數(shù)據(jù)前园细，應事先規(guī)劃好飛行航線惦积，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軟件對采集的原始數(shù)據(jù)進行解算猛频，本次采集數(shù)據(jù)14分鐘狮崩，得到三維點云91060000個，解算后的數(shù)據(jù)如下圖所示
2.單木分割?
將點云數(shù)據(jù)加載進LiDAR360軟件后伦乔，進行地面點分類并將點云進行歸一化厉亏，然后進行單木分割處理董习。
?單株林木提取
?樹高，樹冠直徑爱只，樹冠面積皿淋，樹冠體積計算結果
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7.總結
隨著三維激光掃描技術的普及與發(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恬试。利用三維激光掃描設備獲取的點云數(shù)據(jù)可以實現(xiàn)林地樹木的三維結構重建窝趣，獲得精確的樹高、胸徑牧稳、樹冠面積及體積等數(shù)據(jù)茫绅，為林地資源調(diào)查等項目提供了寶貴的資料。這種作業(yè)方式不僅節(jié)約了時間闰袒，提高了作業(yè)效率咳综，也大大減少了人力、物力的投入悴觅。GeoSLAM?ZEB?Horizon移動式掃描儀作業(yè)方式靈活霍执，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云數(shù)據(jù)轰蜗。
本次測試將ZEB?Horizon設備掛載至大疆M300飛機上删摸，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)自葡。數(shù)據(jù)采集時間14分鐘攀誓，數(shù)據(jù)解算時間35分鐘，使用LiDAR360軟件對森林所有的林木進行單木分割恤仁，統(tǒng)計得到樹木2545棵坏榜，并提取出樹高、樹冠面積及體積等林木結構參數(shù)蝠咆，用時45分鐘踊东。對比人工手段使用皮尺等工具測量林木結構參數(shù)，使用Geoslam設備（非接觸式測量）在不傷害樹木的情況下大大提升了作業(yè)效率刚操，并且能夠采集人們難以到達處的林木數(shù)據(jù)闸翅。其具體優(yōu)勢如下：
1.體積小、質(zhì)量輕菊霜、無需GPS信號坚冀，所見即所得，可手持進入茂密的林地掃描
2.多種搭載方式鉴逞，可搭載至大疆M300记某、M600等無人機作為機載雷達使用
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云數(shù)據(jù)
5.先進液南、專業(yè)的林木參數(shù)分析軟件壳猜，提取的林木結構參數(shù)結果精確、可靠滑凉。結果內(nèi)容豐富忿震，可單獨導出每棵數(shù)目的點云，也可導出參數(shù)表格二娄，方便存檔肚浴、查看、分析苇恤。
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