基于地面激光雷达的单株活立木叶面积指数计算开题报告

1. 研究目的与意义

目的：运用地面激光扫描仪获取单株树种的三维激光点云数据 ，基于扫描采集的点云数据构建出树木枝干的三维模型，采用不同的数据处理方法，可以得到不同精度的单株木参数。

意义：利用激光雷达测量森林参数不仅节省了人力，节省平时林业测量所需要的时间、更降低了劳动强度，而且可以更好的制定具有较强针对性的造林、营林方案，提高了工作效率，现在已经成为快速获取树木几何参数的一种有效方法。

其工作对林业信息化建设有指导意义。

2. 国内外研究现状分析

2007年，wezyk等人基于三维激光扫描数据的手工处理点云数据的方法：像素法和管线法。通过对比发现，使用像素法处理针叶树木的点云数据测量得出的胸径和树高值都可以达到理想的精度 2009年，jakob在综合考虑了环境因素影响、仪器本身的测量误差以及林分中树木的相互遮挡的情况下，利用三维激光扫描仪对德国艾伯斯瓦尔德林场内的树木调查因子进行了研究，提出了利用多站式扫描的方式可以获得精准林分蓄积量，实验估测结果平均偏低4％(13m3／hm2)，但是当林分密度过大，林分中树木枝叶相互遮挡较为严重时，利用这种方式测量得出的林分蓄积量普遍偏大同年，gabor在匈牙利也研究了通过处理点云数据快速获取基本树木测量因子的方法。但是，他采用的是首先构建数字地面模型，然后利用点云数据构建树木枝干和树冠表面积模型，从模型中测量出需要的测树因子。结果表明，通过这种方法所测量出的数据与使用传统方法测量出的数据精度一致 gone采用坐标转换的方式把树木点云数据投影到三维空间中，通过点云数据在三维空间中的不同视图建立树木枝干的拓扑结构，并且根据此拓扑结构分析了树木枝干间的连接关系，构建过程大量使用了树木形态学的知识，取得了很好的模型构建效果 pfeifer和thies基于三维激光扫描的点云数据，通过处理提取出了可以用于树木枝干的圆柱体参数，并通过对相关树种的实验证明了该方法的适用性 2005年，北京林业大学冯仲科教授对地面三维激光扫描技术在林业中的应用前景进行了深入的分析，并首次将这一技术应用到林业资源调查中中科院自动化研究所中法联合实验室greenlab小组对基于点云数据的落叶树木三维模型重建进行了研究，研究综合考虑了树木枝干及树叶遮挡等环境因素影响，利用树木枝干点云信息估计树木枝干的纵轴方向，然后根据纵轴方向向量计算得出枝条的分布状况，并利用点云数据的深度值构建出树木枝干模型，重建得出的模型可以用于树木其他测量因子的获取，为植物生长过程模拟提供参数依据。罗旭等人从树木分型理论入手，采用地面三维激光扫描技术对不同树种的干曲线进行了研究，计算出不同树种的干曲线分形维数一般为2～3，得出了同种树木的树干生长趋势具有一致性的结论王剑在扫描得到树木整体点云数据之后，筛选出树木枝干点云的三维坐标数据，并利用这些数据重建出树木枝干的片断模型，通过拼合得到整棵树木的三维模型

1)庞勇，李增元，陈尔学等.激光雷达技术及其在林业上的应用［j］．林业科学，2005，5(3):129－135．

2)赵峰，李增元，王韵晟等．机载激光雷达(lidar)数据在森林资源调查中的应用综述［j］．遥感信息，2008(1):106－110．

3. 研究的基本内容与计划

用地面激光扫描仪获取单株木的三维激光点云数据，同时结合计算机图形学、数字图像处理等方法得到树木的冠层参数。具体包括光线跟踪算法、曲面拟合方法、进而求取精确地叶面积指数。针对林学参数的提取，提出了利用地面激光扫描仪获取单株活立木空间的点云数据，并运用计算机相关理论算法得到重要的林学参数。通过栅格法并结合，变换提取连续的主枝干参数，从而有效地摒弃由于分枝树叶产生的干扰。再次，通过计算复杂点云中的特征量，如特征向量、法矢量、曲率、弯曲度等，以自动定位二级分枝。最后通过和人工手动测量的真实数据进行比较，验证该方法能有效地测量林学参数。

计划：

2015.3.1-2015.3.22，学习matlab的相关知识，了解国内外的相关技术及其研究，做好前期的准备工作。

4. 研究创新点

地面三维激光扫描技术(Terrestrial Laser Scanning Technology，简称TLS)的迅速发展为林分内部或者单株树木调查因子的精确测量提供了一条新的途径，和传统的光学成像原理不同，TLS的传感器采用红外和近红外波长，可以快速准确的获得目标物体表面的点云数据信息，从而可以快速构建目标物体的三维模型，而且这些点云数据经过处理后还可以用于展示、测量、计算、分析、监测等。

目前，此项技术在林业行业中已经取得了初步的应用。