摘要:利用機(jī)載激光雷達(dá)森林點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行真實(shí)森林場(chǎng)景的精細(xì)三維重建，為構(gòu)建數(shù)字森林環(huán)境與林業(yè)資源管理應(yīng)用提供參考。提出利用點(diǎn)云魔方軟件對(duì)森林點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，分離得到地面點(diǎn)云和植被點(diǎn)云;采用層堆疊分割方法對(duì)森林植被進(jìn)行分割并提取每株樹(shù)木的平面位置、樹(shù)高、冠幅直徑及面積等參數(shù);運(yùn)用景觀設(shè)計(jì)軟件SketchUp和Lumion進(jìn)行森林場(chǎng)景三維建模，模擬真實(shí)森林三維場(chǎng)景中的地形和植被效果。以某地區(qū)約4萬(wàn)m2的森林場(chǎng)景機(jī)載激光雷達(dá)點(diǎn)云數(shù)據(jù)為實(shí)例進(jìn)行森林場(chǎng)景三維重建，從激光雷達(dá)數(shù)據(jù)中分割出的773棵樹(shù)木點(diǎn)云，結(jié)合樹(shù)種分布、樹(shù)高及輪廓等信息構(gòu)建了逼真的三維森林場(chǎng)景。試驗(yàn)結(jié)果表明，根據(jù)森林點(diǎn)云數(shù)據(jù)的分割結(jié)果能快速高效地構(gòu)建模擬現(xiàn)實(shí)樹(shù)木形態(tài)結(jié)構(gòu)的真實(shí)感三維模型，克服傳統(tǒng)樹(shù)木建模精度低和可視化不高的缺點(diǎn)。

　　關(guān)鍵詞:機(jī)載激光雷達(dá);單木分割;森林場(chǎng)景;三維重建

　　在過(guò)去幾十年內(nèi)，森林資源的過(guò)度開(kāi)墾和森林災(zāi)害的頻繁發(fā)生破壞了森林原有的生態(tài)平衡，快速精確地獲取森林空間信息，并及時(shí)提供森林資源的動(dòng)態(tài)變化已成為林業(yè)相關(guān)部門(mén)的首要任務(wù)。傳統(tǒng)的森林資源調(diào)查一般采用圍尺、測(cè)高儀等工具直接測(cè)量樹(shù)木的胸徑、樹(shù)高、冠幅等參數(shù)，需要攀爬樹(shù)木或者將立木伐倒測(cè)量相關(guān)特征參數(shù)[1]，無(wú)法滿足大面積森林資源精準(zhǔn)調(diào)查的要求。

　　激光方向論文范例：激光直寫(xiě)柔性電路的研究進(jìn)展

　　遙感(RemoteSensing，RS)以其快速、范圍大、無(wú)接觸性等優(yōu)勢(shì)為林業(yè)資源提供了新的技術(shù)手段。傳統(tǒng)的被動(dòng)光學(xué)遙感多通過(guò)衛(wèi)星傳感器獲取森林?jǐn)?shù)據(jù)的二維水平空間影像，無(wú)法得到森林植被的三維結(jié)構(gòu)信息[2]。激光雷達(dá)(LightDetectionandRanging，LiDAR)是近30年來(lái)快速發(fā)展起來(lái)的一種先進(jìn)的主動(dòng)式遙感技術(shù)，能快速、精確獲取森林植被空間三維坐標(biāo)和林分信息等[3]。

　　激光雷達(dá)按照搭載平臺(tái)劃分可分為星載、機(jī)載(飛機(jī)、無(wú)人機(jī))、地面(基站、車(chē)載、背包式)激光雷達(dá)等[4]。林業(yè)資源精細(xì)調(diào)查多采用地面激光雷達(dá)和機(jī)載激光雷達(dá)2類，機(jī)載激光雷達(dá)對(duì)森林的垂直結(jié)構(gòu)具有很強(qiáng)的獲取能力，適用于大尺度的森林資源調(diào)查工作[5]�；�于點(diǎn)云的林木三維仿真模型構(gòu)建是森林可視化管理及應(yīng)用的核心，根據(jù)建模原理的不同可分為基于生長(zhǎng)規(guī)則結(jié)構(gòu)建模、基于結(jié)構(gòu)與功能建模和基于參數(shù)結(jié)構(gòu)模型建模。

　　3種方法各有優(yōu)劣:基于生長(zhǎng)規(guī)則結(jié)構(gòu)建模的方法比較注重植物生理的形態(tài)結(jié)構(gòu)，建立模型效率較高且構(gòu)建方式較為靈活，但是難以對(duì)形態(tài)結(jié)構(gòu)特別復(fù)雜的植物進(jìn)行三維建模[6-8];樹(shù)木在不同環(huán)境下(如光照、濕度、溫度以及種植密度)，生長(zhǎng)機(jī)理模型、生物量及生長(zhǎng)結(jié)構(gòu)也有所不同，建立樹(shù)木結(jié)構(gòu)-功能模型對(duì)實(shí)現(xiàn)樹(shù)木信息管理具有重要意義[9-10];基于參數(shù)結(jié)構(gòu)模型建模的方法主要包括基于幾何結(jié)構(gòu)法、基于二維圖像法以及基于三維數(shù)據(jù)點(diǎn)云法。根據(jù)數(shù)據(jù)處理方式和建模方法的不同，可分為手工或半自動(dòng)化方法建模和直接利用點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行建模2類[11]。

　　手工或半自動(dòng)化方法建模的基本思路是從點(diǎn)云數(shù)據(jù)中提取樹(shù)木點(diǎn)云模型的特征參數(shù)，然后將這些參數(shù)輸入到現(xiàn)有的樹(shù)木建模軟件中完成三維幾何植物模型的構(gòu)建[12];而直接利用點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行建模，則是利用一些算法對(duì)植被點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，提取出能夠表征樹(shù)木幾何形態(tài)的特征信息，直接構(gòu)建三維樹(shù)木模型[13-14]。針對(duì)傳統(tǒng)森林樹(shù)木建�？臻g精度低，可視化效果不佳的特點(diǎn)，本研究以某地區(qū)森林場(chǎng)景機(jī)載激光雷達(dá)點(diǎn)云數(shù)據(jù)為實(shí)例進(jìn)行了森林場(chǎng)景三維重建。在提取地形數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，對(duì)試驗(yàn)區(qū)林木進(jìn)行空間分割分類，依據(jù)不同種類樹(shù)木特點(diǎn)進(jìn)行針對(duì)性建模，結(jié)合樹(shù)種的結(jié)構(gòu)信息及分布進(jìn)行森林場(chǎng)景三維重建。

　　1機(jī)載激光雷達(dá)點(diǎn)云三維重建方法

　　1.1試驗(yàn)機(jī)載激光雷達(dá)數(shù)據(jù)

　　機(jī)載激光雷達(dá)系統(tǒng)獲取的原始數(shù)據(jù)主要包括激光點(diǎn)云、全波形文件和數(shù)字航宇影像。本文截取某林區(qū)機(jī)載激光雷達(dá)獲取的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)作為研究對(duì)象，區(qū)域大小約200m×200m，實(shí)際包含約773棵樹(shù)木，樹(shù)種以喬木為主。點(diǎn)云包含3625181個(gè)點(diǎn)，點(diǎn)云平均密度約為90點(diǎn)/m2。

　　1.2技術(shù)路線

　　首先對(duì)機(jī)載激光雷達(dá)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行去噪、濾波處理，將分離得到的地面點(diǎn)通過(guò)空間內(nèi)插法生成地形模型，并導(dǎo)入SketchUp軟件中模擬三維地形。然后對(duì)植被點(diǎn)云進(jìn)行單木分割并提取多個(gè)單木參數(shù)(平面位置、樹(shù)高、冠幅等)，利用SpeedTree軟件結(jié)合樹(shù)木的剖面輪廓和單木參數(shù)生成相應(yīng)的單木模型，改變隨機(jī)因子調(diào)整樹(shù)木形態(tài)，批量生成優(yōu)勢(shì)樹(shù)種類型的樹(shù)木。最后將地形模型和單木模型分層依次導(dǎo)入Lumion軟件，在地形模型上根據(jù)單木的空間坐標(biāo)調(diào)整單木模型的位置，添加環(huán)境等特效對(duì)森林場(chǎng)景進(jìn)行渲染，從而實(shí)現(xiàn)森林真實(shí)場(chǎng)景三維構(gòu)建。

　　2三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理

　　2.1點(diǎn)云預(yù)處理激光雷達(dá)獲取的原始點(diǎn)云數(shù)據(jù)有地面點(diǎn)、地物點(diǎn)(植被)、噪聲點(diǎn)。試驗(yàn)數(shù)據(jù)的噪聲主要包括高位粗差和低位粗差。在點(diǎn)云魔方軟件中可以通過(guò)探測(cè)離群點(diǎn)去除此類噪聲。本文采用漸進(jìn)加密三角網(wǎng)濾波算法提取森林點(diǎn)云數(shù)據(jù)中的地面點(diǎn)和植被點(diǎn)。漸進(jìn)加密三角網(wǎng)濾波方法結(jié)合了形態(tài)學(xué)濾波算法，能夠較好地保留地形特征信息[15]。

　　3森林場(chǎng)景三維建模

　　3.1地形三維建模本文利用地面點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理后生成的等高線進(jìn)行地形建模。以5.0m等高距進(jìn)行剖切，提取等高線，隨后用SketchUp軟件的FredoToposhaper插件生成地形模型，軟件可自動(dòng)進(jìn)行斷線連接和等高線的平滑操作。

　　4結(jié)論

　　本文研究利用機(jī)載激光雷達(dá)精細(xì)建模方法，通過(guò)點(diǎn)云噪聲濾除、地形特征點(diǎn)提取獲取林區(qū)真實(shí)地形數(shù)據(jù);采用層堆疊種子點(diǎn)分割方法提取林木的平面位置、樹(shù)高、冠幅特征等參數(shù)，結(jié)合三維景觀設(shè)計(jì)軟件SketchUp和Lumion，實(shí)現(xiàn)了試驗(yàn)區(qū)森林場(chǎng)景高精度三維重建。試驗(yàn)結(jié)果表明，以機(jī)載激光雷達(dá)點(diǎn)云為基礎(chǔ)進(jìn)行森林場(chǎng)景重建，能夠在保留三維模型地形精度及主要樹(shù)種的位置、高度、冠幅等信息基礎(chǔ)上，再現(xiàn)森林真實(shí)三維場(chǎng)景，對(duì)森林資源的評(píng)估、管理有重要參考價(jià)值。

　　本文試驗(yàn)過(guò)程中也存在如下問(wèn)題:1)數(shù)據(jù)方面，由于機(jī)載激光雷達(dá)數(shù)據(jù)缺乏樹(shù)冠下層結(jié)構(gòu)信息，無(wú)法提供林木在水平方向的相關(guān)信息，可考慮結(jié)合移動(dòng)實(shí)景掃描技術(shù)，提升數(shù)據(jù)完整性，為建立更精細(xì)真實(shí)的森林模型奠定基礎(chǔ)。2)在點(diǎn)云數(shù)據(jù)單木分割方面，目前利用現(xiàn)有軟件算法無(wú)法實(shí)現(xiàn)主要樹(shù)種的精確自動(dòng)分割，需要大量人工調(diào)整。后期仍需要針對(duì)不同樹(shù)種機(jī)載點(diǎn)云空間分布及反射率等信息進(jìn)行研究，提升單木分割精度與自動(dòng)化程度。

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　　作者：王國(guó)利1，3，李群1，楊學(xué)博2，王成2