三维激光扫描仪在林木材积测定中的应用研究

武越 崔世雄 徐继文 庞宪群 陈璐

林木材积是盗伐、滥伐林木等涉林案件定性处罚和森林火灾案件损失评估的依据，而林木直径则是计算材积的重要数据，运用三维激光扫描仪可以全自动高精度地立体扫描，这种方法工作效率高、不破坏树木，对于建立新型材积模型具有普遍意义。

近年来国内外出现了一种三维激光扫描技术，三维激光扫描技术不同于传统高精度测绘技术，其用于高精度逆向三维建模及重构。运用三维激光扫描仪可以全自动高精度地立体扫描，能够有效对立木作出数据采集和模型重构，不用进行实物表面处理，相比于传统方法，在立木直径与材积测定上更为高效。这种方法工作效率高、不破坏树木，对于建立新型材积模型具有普遍意义。

一、林木直径材积测定的传统方法

森林通常分布在较为偏远的地方，林木盗伐、森林火灾案件发生后不能及时发现，当发现后涉案林木往往不在现场，需要利用被盗伐滥伐林木周围生长条件、年龄、起源一致的立木材积，近似推算被伐木或烧毁木材积。立木处于直立于地面的状态，就不能像伐倒木那样直接测定立木任意部位的直径和高度;同时，测定工作的效率和方法又受到立木生长环境的限制，因此，立木材积测定需推测的因子多，测量的精度就要降低。

以前所用测立木材积以接触式测量为主，并用到了光学与机械原理，通过围尺、皮尺以及测高器等作出人工测量。采用“实验形数法”进行计算，见公式（1），

V=g1.3（H+3）fэ

但是此方式缺点较多，体现在作业周期过长，工作效率较低，劳动强度较大，得到的数据也很单一，测量精度偏低，在模型构建和其他分析中局限性较大，为林业资源测定结果可靠性与准确度带来了较大影响。而在进行林木材积的计算过程中使用三维激光扫描技术来进行处理的话效果会事半功倍。

二、三维激光扫描仪测定林木材积的方法

使用三维激光扫描仪时，先划定测定林木的面积，然后作出踏勘，明确扫描的测站点、所需的测站数、扫描的路线以及标靶安放的位置，用三维激光扫描仪直接对所测林木的点云数据进行获取。具体提取流程包括以下5点：

1.对部分点云进行分离。点云中需要有完整的树木。

2.采取人工去噪方式。由于点云主要对空间进行显示，因此利用Cyclone能够在任意角度进行旋转查看，同时随意变换视角，实现对点云的去噪，能够便利获得相关单株树木的点云数据。

3.胸径提取。胸径为树木距地1.3m位置的直径，利用点云对树干与地面接触位置进行查看，将最佳基准点确定下来，这样可以明确胸径位置。

4.树高提取。在ModelSpace窗口的视图模式中选择正射视图，在主视图内将树木最高点找到，结合最高点的基准形成参考平面。借助Cyclone软件的量测功能，能够获得基准点与最高点的参考面距离，也就是高度。

5.根据上述数据，在excel表格中利用计算机编程公式：V=g1.3（H+3）fэ，采用实验形数法即可算出每株林木的材积。

三、三维激光扫描技术与传统方法测定林木材积的对比分析

笔者在南京森林警察学院（仙林校区）丁山以及南京森林警察学院（花园路校区）采用三维激光扫描系统测了40余株杨树，采用抽样的方法将其中10株杨树的基本测树因子和样本材积精度的实测值和扫描值进行了比较，结果见表1。

由表1中的相关数据可知，胸徑相对误差（（扫描值-实测值）/实测值×100%）最大8号样木是1.33%，10株树平均相对误差是0.54%;树高相对误差最大是8号样木1.79%，10株树平均相对误差是0.88%。从这里能够得出，通过对三维激光扫描系统的应用，在基本测树因子上实现了精度的大幅度提升，所以利用测定结果计算林木材积有着准确与高效的优点，也避免为林木带来损害，让林业资源调查工作能够顺利开展。

（作者单位：210023南京森林警察学院）