三维激光扫描技术在广东树木园景观可视化重建中的应用

谢继红 郭乐东 周宇飞 王振师 付晓玲

摘要：随着森林管理要求的不断提高，应用激光雷达和计算机技术建立森林可视化三维实景是实现森林数字化、精细化管理的重要技术手段。为开展森林环境的三维可视化实景重建，该文采用激光扫描技术快速地获取广东树木园森林环境的点云和影像数据，经过对数据的拼接、去噪、配准和匹配着色等处理后，重建了树木园三维实景，为广东树木园的管理和开展自然科普教育、森林旅游提供了真实的森林景观虚拟环境。

关键词：三维激光扫描;点云数据;可视化;森林景观重建

中图分类号：S758.7 文獻标识码：A 文章编号：1672-3791（2022）03（a）-0000-00

Application of 3DLaser Scanning Technology in Guangdong TreePark Visual Reconstruction of Forest Landscape

XIE Jihong1，2 GUO Ledong1，2 ZHOU Yufei1，2 WANG Zhenshi1，2FU Xiaoling1，2

（1.Guangdong Academy of Forestry Sciences;2.Guangdong Key Laboratory of forest cultivation， protection and utilization， Guangzhou， Guangdong Province， 510520 China）

Abstract：With the continuous improvement of forest management requirements， the application of laser radar and computer technology to establish forest visualization of 3 d imaging is to realize the digitization and intensification tube forest.This article adopts laser scanning technology to quickly obtain the guangdong trees park forest environment point cloud and image data.After the data splicing， denoising， registration and matching color processing， rebuild the trees park three-dimensional imaging，To the management and development of guangdong trees park science and nature education， forest tourism provides the real forest landscape virtual environment.

KeyWords：3D laser scanning; Point cloud; Visualization;Forest landscape reconstruction

三维激光扫描技术能快速获取被测物体表面的三维坐标数据，在计算机上经过多站点三维坐标数据融合，形成被测物体完整的三维实景，该技术在基建测量、安防建设和历史物体保护等三维模型构建方面广泛应用，特别对建立不规则场景的三维可视化模型有重要作用[1]。森林环境地形复杂，树木空间分布各异，对林木空间数据采集困难。曹明兰等人应用倾斜摄影与三维激光扫描相结合开展的森林景观三维场景建模，其精度和效率都明显提高[2]。在野外复杂环境下建立三维模型更为困难，舒田等人利用Riegl VZ-400三维激光扫描仪获取的点云数据经过拼接处理，实现了火龙果园的三维可视化，为虚拟果园管理供参考[3]。三维激光扫描技术能快速获取物体空间信息的特点，为森林景观可视化提供了更加有效的数据源和更为快捷的方法。该文采用Riegl VZ-2000地面激光扫描仪对广东树木园进行数据采集[4]，通过点云去噪、拼接、配准、配色等，重建了广东树木园的三维可视化景观模型，达到为树木园的管理和自然科普教育提供更为直观效果的目的。

1 广东树木园概况

广东树木园位广州市天河区，建立于20世纪50年代，是广东省优良树木种质资源保存种植基地，种植有各种树木1 100多种，其中国家、省级保护树种近百种。园内各种古木参天、千姿百态，已经成为广州市的天然大氧吧，深受市民和广大中小学生的喜爱，是集悠闲健身、科普教育于一体的公园，也是省、市、区青少年科普及自然教育基地。因此，应用三维激光扫描技术建立广东树木园的三维实景模型，对利用多媒体全方位开展自然科普教育和进一步细化树木园的科普设施建设都具有重要作用。

2 数据采集

采用RIEGL VZ-2000型三维激光扫描仪，该激光扫描仪具有高精度的激光测距和多回波接收技术，能自动、快速、连续地获取目标物体表面样点的三维空间坐标数据，能对实时获取数的据进行波形数字化分析。RIEGL VZ-2000型三维激光扫描仪的技术性能见表1。在扫描仪的顶部还配有有效像素2000万的数码相机，可对周围景物进行360°的全景拍摄。扫描仪还配有扫描控制和数据处理软件，可以根据扫描站点环境设置技术参数和对数据进行初步处理。

为获取森林环境完整的三维信息数据，要建立多个扫描站点进行交叉扫描。在前期现场勘踏的基础上，利用RIEGL VZ-2000三维激光扫描仪在树木园内不同位置站点进行扫描（见图1）。扫描完成后，检查每个站点的覆盖范围，对树木茂密或遮挡严重的区域补充扫描，尽可能获取详细的点云数据信息（见图2），该次共计在树木公园内建立了21个站点。

3 数据处理

应用RIEGL VZ-2000三维激光扫描仪配套的RiSCAN PRO软件系统和RiSCA NLIB库对点云进行处理，通过点云数据的导入、点云数据去噪。把各站点点云数据拼接，完成2D/3D模式下点云的显示和浏览，检查激光不同照射强度的反射率灰度和不同高程假彩色变化状态。通过三角网法对模型纹理映射和点云着色，对非目标物体点云采用软件和手工处理相结合，使组建的森林环境三维可视化更符合实际形态。

3.1 去噪点处理

点云噪点是三维扫描仪在扫描的过程中，由于外界的因素以及扫描仪本身的原因造成的激光点云信息，如烟雾、水汽、行人、车辆和其他因素产生的点云等，这些噪点会严重影响森林环境可视化建模效果[5]。对扫描过程中产生的不连续、杂乱的离群噪点，可用RiSCAN PRO软件的Surface Comparison功能进行删除，方法是根据离散的点云与目标表面点云之间的距离设置阈值，当距离大于阈值的，即为非目标点云而进行删除，当距离小于阈值的，则就作为目标点云予以保留。这个功能主要是对烟雾、水汽及其他光点所造成的较为离散的噪点进行删除。对于行人、车辆或其他物体造成的噪点，则要通过手工进行选择性删除。例如：存放在园区内的摩托车，可通过手动选择双视角进行选区交叉（交集）的方式，对摩托车点云数据进行精准删除，并利用其他站点激光扫描所获取该区域空间的点云信息，还原园区树木的现实点云特征。噪点的删除是逐步开展的过程，通过对云点360°的分析，逐渐将非主体点云表面的噪点删除干净。

3.2点云拼接

三维点云数据拼接是使用控制点进行点云配准的，在控制网坐标系下进行点云的有效配准，利用拼接软件在三维坐标体系下进行点云配准和拼接。RieglVZ-2000三维激光扫描仪设有GPS和惯导系统，在扫描中自动记录站点经纬度和高程坐标，与激光扫描相配套的RiSCAN PRO处理软件，能把激光扫描仪各站点的点云数据拼接在统一的坐标系下，组成完整的工程文件。当有些站点的点云缺失时，则可以通过人工干预进行配准，把已知点云转换到控制网坐标下进行匹配和拼接。完成后拼接后，浏览查验是否存在与实景不一致的物体，如扫描到的云雾、人员、车辆等，这些杂点点云可通过滤波清理离群噪点和手动删除内部物体点云的方法删除与目标无关的噪点，保存生成新的（.txi或.las）格式文件，导出的数据保存为.xyz 格式。点云自动拼接和手动拼接相结合，其拼接的准精度更高。

3.3点云着色

点云着色是把激光雷达点云与数码影像进行重组，从而使被扫描物体的表面形成更近于实际的形状色彩。RISCAN PRO软件能自动进行数码相片的合并，使森林场景照片的纹理映射到树木三维模型上，如树叶的点云与树叶影像大小相匹配、树干表面的点云与树干影像信息位置的匹配，點云与物体的大小形态重合就越好，说明匹配精度越高，反之，点云与物体会出现分层，影响三维可视化的成像效果。树木园内往往存在一些激光扫描不到或者无法采样所产生的空间，应通过手工选择区域或进行三角划分，对空洞区域进行处理，使生成的三角形网格和更符合三维轮廓表面，经处理后建立的三维场景精度更高。匹配精度与激光雷达扫描仪的技术性能和扫描距离有关，同一部激光雷达，随着扫描距离的增大，点云与影像的匹配精度就会降低。

4 可视化生成与应用

通过三维激光扫描、高清摄影等技术从环境中快速地获取空间信息数据，运用计算机图像处理辅助通过改变反射率/强度值展示激光视角，以高程着色展示树木高程信息，采用不同深度色彩展示距离的远近等，通过机器视觉、动画、虚拟现实、数字媒体等技术，从而实现对树木园三维实景模型形成和虚拟再现。激光点云融合后的三维模型的细节清晰，多角度直观反应了森林地物的真实结构特征，极大展示了树木园空间结构效果。基于激光扫描和计算机处理技术的三维建模减少了大量人工测量、描绘工作，建模效率明显提高。

运用vault软件为树木园三维实环境中设置兴趣点，当点击兴趣点时，可链接到网络或数据库中，该点的有关资料即时在显示框中显示出来。同时应用该软件集成的“无限细节”三维引擎技术为树木园三维实景提供全息投影演示，使参与者在虚拟森林环境中全方位地进行互动，一起完成演示，产生更为真切的表演效果，促进人与森林环境更为密切接触[6]。

5 结语

采用RIEGL VZ-2000激光扫描系统对森林环境扫描获取的激光点云，经除噪点、拼接和点云着色配准融合后，构建了广东树木园的森林可视化三维模型，利用激光扫描系统构建的森林景观三维可视化模型，树木轮廓清晰、形态逼真，解决了树林中郁闭度变化引起影像不清的问题，提高了建模效率，对景观精准规划设计及精细化管理等有重要作用。三维激光扫描技术具有操作简便、快速准确和点云数据丰富等优势。在林业测量、三维可视化建模、虚拟实景重建以及树木的无损伤、高效、精准监测、安防应用等方面具有应用前景广阔。随着增强现实技术（AR）及虚拟现实技术（VR）的快速发展，森林三维可视化重建技术的应用将成为旅游、森林保护的重要的开发内容。

参考文献

[1]李孟迪，王玉振.基于三维激光扫描技术的模型重建研究[J].科技创新导报，2020，17（11）：68-69.

[2]曹明兰，李亚东，冯海英，蔡彩.倾斜摄影与激光扫描技术结合的3D森林景观建模[J].中南林业科技大学学报，2019，39（12）：10-15，33.

[3]舒田，童倩倩，孙长青，等. 基于三维激光扫描技术的果园景观可视化方法—以贵州关岭火龙果标准示范园为例[J].农技服务，2013，30（12）：1326-1327，1329.

[4]胡玉雷.地面三维激光扫描仪在张吉怀铁路1：500地形图和断面测绘中的应用[J].铁道勘测，2018，1（1）：44-48.

[5]杨书哲.基于三维激光扫描技术的校园可视化 [J].资源信息与工程，2017，32（6 ）：140-141.

[6]毕东月.基于三维可视化技术的典型生产安全事故防控与应急处置场景设计与实现[J].中国安全生产科学技术，2021，17（10）：165-171.