基于地面激光扫描点云数据测定树木三维绿量

2013-12-11 07:28易正晖

测绘通报 2013年2期

贺鹏，易正晖，王佳

(1.河北九华勘查测绘有限责任公司，河北保定071051;2.天津城市建设学院，天津300384;3.北京林业大学测绘与3S技术中心，北京100083)

一、引言

“绿量”最早是作为量化植被的生态效应而提出的，是从生态学的能量转换和植物茎叶的生理功能出发的;叶片越多、冠幅越大，其植株进行光合作用的几率越大，其生态效应越高。绿量最早是作为城市园林绿化水平而提出的，称为“绿化三维量”，指绿色植物茎叶所占据的空间体积，以单位m3计算［1-2］。发展到后期便有从二维的叶面积指数与三维的三维绿量两个方面来研究植被绿量。从量测方法而言，叶面积指数获取有两种方法:直接收获法和瞬间拍摄法。直接收获法具有破坏性，无法广泛执行;瞬间拍摄法指用鱼眼镜头拍摄植被的垂直投影的影像，再由软件推估叶面积指数。而三维绿量的量测主要是将树冠模拟成球面体进行估算，此法在后期的研究较多。从量测的手段上，为了大面积测定城区内三维绿量，航空遥感技术被引入，有3种方法测定三维绿量值:平面量模拟立体量［3］、立体量推算立体量［4］、平面量推算平面量［5］。平面量模拟立体量是从航空二维平面的树冠影像通过冠幅估测冠高，再推导出树冠体积;立体量推算立体量是由相邻两航片的左右视差确定植被高度，在航片上测出该植被的面积，再根据一定的计算经验公式计算三维绿量值;平面量推算平面量是由树冠影像直接推导二维的叶面积指数，此法简化了测定过程，所得结果已不是三维绿量的值。

不管从二维还是三维的角度量测绿量都有一定局限性，二维的叶面积指数忽略了叶片空间结构，且不利于大面积测量;三维的绿量将树冠模拟成几何体，但几何体内叶片所占空间密度被忽略。两种局限性都主要是因为量测手段的限制。而随着测量技术的不断更新，精确测量树冠的体积已完全可以实现，有学者将地面激光扫描系统引入到林业测树研究中，获得了高精度的树木枝干叶参数［6-8］。本文提出用地面激光扫描系统测定树木的三维绿量，在计算植被的体积时将引入绿视率(指眼睛看到绿化的面积占整个圆形面积的百分数)［9］作为叶片所占空间几何体的密度研究绿量，旨在提高单木三维绿量模型估计的精度。

二、试验方法与数据

树木三维绿量的测定实质上是树冠体积的测定，其根本出发点是树冠越大，叶面积越大，生态效益相对越好。然而树冠千差万别，由于树冠不像树干有一个稳定的实体外形，树冠有很多空隙，具有大致相同树冠体积大小的两棵树，叶片空间密度不同，因此若以体积统计计算三维绿量就会造成结果的不准确。本试验设计在地面激光扫描系统测定树冠体积的基础上，从各个扫描角度所成的二维图像上计算树冠的绿视率，三维绿量将等于模拟的体积乘以平均的绿视率，最后对比两种方法的不同。

1.树冠体积估测方法

地面激光扫描成像系统可以获取树木的点云数据，树冠不像树干有一个稳定的实体外形，树冠有很多的空隙，激光束可能穿透树冠在树冠内进行了反射，所以得到的点云数据并不能完全反映树冠外层的空间特征。

要想得到树冠的实体三维模型，可通过两种方法实现。一是对获得的数据进行预处理，通过在Cyclone中对点云数据进行旋转、缩放，人工判读没有在树冠表面的点，进行剔除;然后根据剩余的数据建立空间的TIN网，根据空间几何方法计算TIN模型的体积近似为树冠的体积。二是把单木的整个树冠看成是由单个的小的圆台组成的立体，通过对树冠部分点数据进行量测，求出每个小圆台的体积，然后对它们求和，就可以算出整个树冠在空间所占有的体积。每个小圆台的低面圆也有两种取值方法，一种是最大半径圆，另一种为实际断面圆。实际计算与模拟中，后者较前者用的多。一般树冠测量方法如图1所示。

以上两种方法都会将三维绿量计算得比实际值要大。如图2所示，对于叶片空间密度较大的模拟树而言，实际值为100%，则第1种体积近似多面体模拟的体积将为110%左右，第2种圆台分段模拟的体积将为120%左右。在实际计算中，第1种方法实现比较困难，因为必须通过近似多面体估算体积，多面体越多精度越高;而且软件在模拟物体时，能以多面网格精确地逼近物体表面，但计算体积必须是实体，多面网格与实体的转化还没有比较成熟的模块实现。

图1 一般树冠测量方法

图2 两种方法对比示意图

2.绿视率及空间均匀度估算树木三维绿量

通过以上分析，试验将选取不同树种若干地面激光扫描数据，计算每棵树图模型的前视图、侧视图与俯视图;二维图片中叶片所占面积的百分比即绿视率，三维绿量值将等于用圆台分段模拟体积模型与不同视图绿视率的连续乘积;最后分析不同树种之间圆台模型与绿视率圆台模型之间的差异。

在计算单木的三维绿量时，本文将谈论三维绿量是否受叶片空间分布的影响。叶片空间分布将影响树冠体积的大小，即直接对以体积为量纲的三维绿量产生影响。叶片的空间分布将以空间分布均匀度为测定指标。试验将讨论树种、空间分布均匀度、绿视率对计算三维绿量的影响。树种选择将分为针叶、阔叶树两种;空间分布均匀度考虑将树冠从垂直方向、水平方向各划分为N1、N2的网格(网格为正方形，维数根据冠幅的长宽而定)，每个网格记录含有的叶片投影面积所占的百分比(以十进制计算)，结果将得到两个N1×N2的数组。统计各个等级投影密度的个数，并对各等级赋予不同的权重。如密度为1的权重为0，密度为0的权重为1。计算加权平均和，值越大说明空间中叶片分布越不均匀。空间分布均匀度以一个立方体为单位，考察树冠的空间分布主要因为在测量手段上难以用树冠拟合的几何体为单位研究分布的均匀性。如图3所示。

图3 辽东栎32号树前视、侧视、俯视与全景图及前视、侧视空间均匀度的计算表

对13棵树进行处理，计算结果见表1。

表1 地面激光扫描树冠体积与三维绿量计算对比表

从表1可以看出，所计算的三维绿量值比树冠的体积要小，主要原因是因为引入了前视图与侧视图的绿视率。绿视率是以计算树冠体积的圆台范围为界，计算叶片所占的密度。从以上数据得出，锐刺栎32与油松18模拟的树冠体积比较接近;但实际中油松18的树冠有很多的空隙，直接造成绿视率偏小，树冠的体积并不是接近模拟的树冠圆台。因此三维绿量值比树冠体积更能准确地反映植被空间体积量。

对比阔叶树与针叶树的绿视率，得出阔叶树的平均绿视率(即前视图与侧视图的平均值)比针叶树的高，从而阔叶树的三维绿量值比针叶树的偏大。从绿量的含义而言，即希望表征植被进行生理光合作用能力的强弱，阔叶树的光合作用能力普遍比针叶树强，若以树冠体积直接代替三维绿量，计算的结果将有悖于绿量的含义。但同时可以看出，即使引入了绿视率，也并非能真正地表征植被的光合作用能力，因为此生理过程还与植被的健康状况、环境等因素相关。

本文所提出的空间分布均匀度目的是研究树冠空间分布的特点是否对三维绿量有影响。从定义可以看出，空间中没有叶片的区域越多，权重赋予越大值，最后加权平均值越大，说明空间分布越不均匀。从分析数据表明，空间分布均匀度与三维绿量的关系并不明显，相关系数为0.075。分析原因是三维绿量受树高、树冠各模拟圆台半径值、各视角绿视率的影响，与叶片的空间分布没有发现必然关系。同时比较冠幅与空间分布均匀度的意义，冠幅分东西、南北量测是为了获取树冠粗略的三维信息，而空间分布均匀度从定义本身而言，用两个N1×N2的数组量化树冠的空间分布，对数组进行统计分析，理论上可行。此方法建立在可以精确获取树冠点云的量测方法上，将更准确地反映树冠的空间分布。对比阔叶树与针叶树的空间分布均匀度发现，阔叶树分布均匀度的平均值比针叶树要大，说明阔叶树种的叶片在空间中的分布比较均匀，树冠形状比较舒展。若研究每种树种的空间分布规律，还需要更多的扫描数据。

三、结束语

综上所述，采用精确的地面激光扫描系统获取精确测树因子数据，并在此基础上计算三维绿量值的方法，相比大致树冠模拟绿量值法更科学、更准确。在利用地面激光扫描系数测定树木的绿量过程中，若直接采用圆台模拟树冠体积将造成计算的结果并不能准确地反映三维绿量的含义。本文提出引入绿视率的定义计算三维绿量，使计算结果有别于树冠体积，更符合绿量的含义。同时，提出树冠空间分布均匀度的概念，结果表明与绿量的相关性不高，而深入的研究将需要更多的扫描样本数据。

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［5］刘常富，何兴元，陈玮，等.沈阳城市森林绿量测算［J］.应用生态学报，2007，18(6):1208-1212.

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