机载三维激光扫描仪在农业中的应用

陕西工业职业技术学院 王宁

机载三维激光扫描仪在农业中的应用

陕西工业职业技术学院 王宁

三维激光扫描技术具有高精度、强实时性和主动性、全数字化并能对任何物体进行扫描，不受气候，地域等影响的特点，是一种新型的测量技术，而机载三维激光扫描仪为此技术中的一个新发展，在各个领域的应用也越来越深入。本文主要介绍机载三维激光扫描仪的工作背景及其在农业上的应用及展望。

机载三维激光扫描仪；农业；应用

1 前言

机载三维激光扫描技术是一种可采用无接触方式直接扫描复杂的现场环境及空间的现代高精度传感技术，并可直接获取各种实际物体或实际景色的三维数据，具有许多常规测绘仪器无可比拟的优势，有着较广泛的应用范围，并且随着科学技术的发展，机载三维激光扫描仪的性能也将得到大大提升。随着经济的发展，农业对农机具的要求也越来越高，而机载三维激光扫描仪在农业中的广泛应用将使我国的农业发展水平大大提高，有利于农业机械化、信息化，有利于促进实现小康社会的伟大目标。

2 背景

我国的机载三维激光扫描技术起步较晚，20世纪60年代激光技术开始出现，到20世纪80年代，欧美发达国家开展了机载三维激光扫描技术的研究，并于1990年由德国艾克曼恩教授领衔研制世界第一激光断面测量系统。在20世纪激光技术以其单一性和高聚积度的特点获得巨大发展。目前与国外相比，我国的研究成果还有较大差距。

在过去的十几年中，机载三维激光扫描仪得到了一定的发展，它凭借其能够准确、快速获得地面三维数据的技术特点已在众多行业领域得到广泛运用。其中，在农业方面，种植业中机载三维激光扫描仪已被应用于作物扫描后三维建模、作物生长周期分析和对比，作物估产的研究。林业中用于获取树木参数、森林结构研究、树木三维模型构建等方面，并取得了一定成果。但在农业其他领域应用尚未广泛。

3 应用

3.1 种植方面应用

3.1.1 作物生长动态监控

不同的作物有不同生长周期，不同地区作物的生长周期不同，相同作物在不同区域的生长周期也不尽相同，作物的生长受气候、地形、土壤、水分、阳光等因素的影响。有新物种出现时，作物的生长周期也有可能发生变化。通过机载三维激光扫描仪对作物进行动态监测，了解作物从发芽到成熟各阶段的发育状况，从而知道作物生长周期的变化。寻找规律，以便更好地进行田间管理，防止虫害，使作物增产。

3.1.2 作物三维理想建模

植物是虚拟现实领域的重要建模对象之一，特别是在虚拟农业领域的应用中，对植物对象的真实感建模提出了更高的要求。由于植物形态具有多样性和复杂性的特点，通过机载三维激光扫描仪直接获取的点云数据或通过立体视觉技术从图像序列恢复的植物三维网格模型中。作物三维建模的研究对象为作物的根、茎、枝、叶和果实等各器官的组分，通过机载三维激光扫描仪的精确扫描，研究作物各阶段的生长发育状况和植株三维建模。因此，机载三维激光扫描仪对作物的三维建模，为研究作物的栽培、发育、性能和结构等提供了一种全新有效的方法。

国内外许多教授利用机载三维激光扫描仪对作物进行扫描建模，与通过基于手工测量数据和数字设计的手段对作物建模相比，发现前者较理想。高质量的作物三维模型能确保作物的真实感，对研究虚拟农业具有重要意义。

3.2 林业方面应用

3.2.1 结构参数批量提取

测量样方内单株木的树种、位置、高度株木的树种、位置、高度冠幅和样方的植株密度、胸高断面积等是森林资源调查的重要内容之一，这些都可用机载三维激光扫描仪来完成的。

与普通的测量方法相比，机载三维激光扫描仪测量法具有突出的特点———高点位密度和高精度。因为其扫描方式是“自下而上”的，所以林冠下层部分(如树干、枝叶)能够被清晰地记录下来，更加适合地面森林调查工作。在记录森林垂直结构特征、提取冠层结构参数方面拥有巨大的潜力和优势。可以说，生成了一个现实世界的“模型”，应用到林学与生态学中则是一个可以测量的真实三维群落。若能够从点云数据中精确地分割出每一棵树，那么这一技术将极大地革新传统森林资源调查方法并细化生态模型输入参数内容，从而实现结构参数批量生产。

4 展望

与国外相比，目前，我国机载三维激光扫描仪在农业中的应用尚不广泛，但是它的前景十分广阔，机载三维激光扫描仪软件系统关键位点云数据读取、数据分析处理及场景重建，而当前首要解决的是如何快速地对大量点云数据进行处理，以及如何快速从点云数据中提取出所需的数据信息和简化模型的问题。这对于研究作物生长发育机理与产量之间关系具有重要的现实意义。为缩短与国外的差距，应积极学习引进国外技术，促进农业机械化、信息化，使农业发展与经济发展相适应。

[1]魏学礼,肖伯祥,郭新宇等.三维激光扫描技术在植物扫描中的应用分析[J].中国农学通报,2012(08)：373-377.

[2]颜艳,舒田,李裕荣.三维激光扫描技术在农业中应用现状与前景展望[J].三农视野,2014(03)：151-153.

[3]郭庆华,刘瑾,陶胜利等.激光雷达在森林生态系统监测模拟中的应用现状与展望[J].中国科学,2014(01)：463.

[4]陈涛.机载激光雷达技术在构造地貌定量化研究中的应用[J].国际地震动态,2015(06)：44.

[5]方芳.机载LIDAR技术现状及发展方向[J].军事科学,2013 (09)：86.

[6]钟棉卿.机载激光雷达系统初步方案研究[J].中国科学, 2014(05)：132-134.

王宁，男，1987年出生，河北安新人，硕士，助教，研究方向：测绘技术应用。