基于三维点云模型获取单木树高和胸径的研究_王怡.pdf

1、第5 2卷 第1期2 0 2 3年2月湖 北 林 业 科 技H u b e i F o r e s t ryS c i e n c e a n d T e c h n o l og yV o l.5 2,N o.1F e b.,2 0 2 3*收 稿 日 期:2 0 2 2-0 7-2 5 基 金 项 目:湖 北 省 林 业 科 学 研 究 院 科 技 基 金 项 目“基 于 无 人 机 航 拍 影 像 的 森 林 资 源 调 查 与 监 测 研 究”(2 0 2 1YJ J 0 3);中 德 财 政 合 作 林 业 重大 科 研 项 目“近 自 然 森 林 经 营 示 范 与 成 效 监 测

2、”(z dhz 2 0 1 7ky 0 2)。作 者 简 介:王 怡(1 9 8 4),男,助 理 研 究 员,主 要 从 事 森 林 经 营 与 森 林 资 源 监 测 相 关 工 作。汤 景 明 为 通 讯 作 者。基 于 三 维 点 云 模 型 获 取 单 木 树 高 和 胸 径 的 研 究王 怡 汤 景 明 孙 拥 康 袁 传 武(湖 北 省 林 业 科 学 研 究 院 武 汉 4 3 0 0 7 5)摘 要:使 用 无 人 机 和 智 能 手 机 分 别 从 空 中 和 地 面 拍 摄 的 样 地 林 分 影 像 构 建 三 维 点 云 模 型,并 从 三 维 点 云 模 型 中 获

3、 取 样地 内 单 木 树 高 和 胸 径 参 数。本 研 究 以 池 杉 人 工 林 为 研 究 对 象,利 用Pho t oSc anAg i s o f t软 件 对 无 人 机 倾 斜 摄 影 和 智 能 手 机近 景 摄 影 的 样 地 影 像 进 行 三 维 重 建,通 过 对 齐 照 片、控 制 点 刺 点、对 齐 优 化、建 立 密 集 点 云 等 步 骤,构 建 出 与 样 地 实 景 相 符的 三 维 点 云 模 型;通 过L iDAR 3 6 0软 件 从 样 地 三 维 点 云 模 型 中 获 取 单 木 的 树 高 和 胸 径 参 数,将 其 与 实 地 测 量 获

4、取 的 单 木 树高 和 胸 径 参 数 进 行 对 比 分 析。利 用 无 人 机 和 智 能 手 机 影 像 构 建 的 三 维 模 型 可 以 满 足 数 字 航 空 摄 影 测 量 测 图 规 范 的 精 度要 求。通 过 实 测 数 据 和 点 云 数 据 获 取 的 树 高 和 胸 径 的 平 均 差 值 分 别 为-0.9m和-0.8cm,平 均 相 对 误 差 分 别 为5.4%和7.1%。以 实 测 数 据 作 为 自 变 量x,以 点 云 数 据 作 为 因 变 量y,树 高 和 胸 径 回 归 模 型 的R2分 别 为0.8 0 9 5和0.9 1 8 4。将 倾斜 摄

5、影 和 近 景 摄 影 的 点 云 模 型 统 一 在 同 一 空 间 参 考 基 准 下 可 构 建 出 与 样 地 实 景 相 匹 配 的 三 维 点 云 模 型,从 样 地 三 维 点 云模 型 中 获 取 的 单 木 树 高 和 胸 径 与 实 地 测 量 结 果 具 有 较 好 的 线 性 相 关 性,本 研 究 所 使 用 的 方 法 可 以 代 替 传 统 林 业 调 查 手 段应 用 于 人 工 林。关 键 词:倾 斜 摄 影;近 景 摄 影;三 维 点 云 模 型;树 高;胸 径中 图 分 类 号:S 7 5 8.1 文 献 标 识 码:A 文 章 编 号:1 0 0 4-3

6、 0 2 0(2 0 2 3)0 1-0 0 2 2-0 8S t u dyo n O b t a i n i ngH e igh t a n d D B Ho f S i ngl e T r e e B a s e d o n 3 D P o i n t C l o u d M o d e lW a n g Y i T a n g J i n g m i n g S u n Y o n g k a n g Y u a n C h u a n w u(H u b e i A c a d e m y o f F o r e s t r y W u h a n 4 3 0 0 7 5)A b s

7、t r a c t:T h e3 D p o i n t c l o u d m o d e l w a s c o n s t r u c t e d f r o m a e r i a l a n d g r o u n d s t a n d i m a g e s t a k e n b y u a v a n d s m a r t p h o n er e s p e c t i v e l y,a n d t h e h e i g h t a n d D B H p a r a m e t e r s o f i n d i v i d u a l t r e e s i n

8、t h e s a m p l i n g a r e a w e r e o b t a i n e d b y t h e3 D p o i n tc l o u d m o d e l.T h e p l a n t a t i o n T a x o d i u m c h i n e n s i s v a r.i m b r i c a t u m w a s s t u d i e d i n t h i s s t u d y,P h o t o S c a n A g i s o f t s o f t w a r ew a s u s e d t o c o n d u c

9、 t3 D r e c o n s t r u c t i o n o f t h e s a m p l e s i t e i m a g e s f r o m U A V o b l i q u e p h o t o g r a p h y a n d s m a r t p h o n e c l o s e-r a n g e p h o t o g r a p h y.T h r o u g h t h e s t e p s o f p h o t o a l i g n m e n t,c o n t r o l p o i n t t h o r n,a l i g n

10、m e n t o p t i m i z a t i o n,a n d e s t a b l i s h m e n to f d e n s e p o i n t c l o u d,a3 D m o d e l c o n s i s t e n t w i t h t h e r e a l s c e n e o f t h e s a m p l e s i t e w a s c o n s t r u c t e d;T h e h e i g h t a n d D B Hp a r a m e t e r s o f i n d i v i d u a l t r e

11、 e s w e r e o b t a i n e d f r o m t h e p o i n t c l o u d d a t a o f t h e3 D m o d e l o f t h e s a m p l e p l o t b y L i D A R360s o f t w a r e,a n d t h e n c o m p a r e d w i t h t h eh e i g h t a n d D B H p a r a m e t e r s o b t a i n e d b y f i e l d m e a s u r e m e n t.T h e

12、3 D m o d e l c o n-s t r u c t e d b y u a v a n d s m a r t p h o n e i m a g e s c a n m e e t t h e a c c u r a c y r e q u i r e m e n t s o f D i g i t a l A e r i a l P h o t o g r a m m e t r y M a p p i n gS p e c i f i c a t i o n.T h e a v e r a g e d i f f e r e n c e o f t r e e h e i g

13、 h t a n d D B H o b t a i n e d f r o m t h e m e a s u r e d d a t a a n d p o i n t c l o u d d a t a w e r e-0.9 m a n d-0.8 c m,r e s p e c t i v e l y,a n d t h e a v e r a g e r e l a t i v e e r r o r s w e r e5.4%a n d7.1%,r e s p e c t i v e l y.W i t h m e a s u r e d d a t aa s i n d e p

14、 e n d e n t v a r i a b l e X a n d p o i n t c l o u d d a t a a s d e p e n d e n t v a r i a b l e Y,R2o f t r e eh e i g h t a n d D B H r e g r e s s i o n m o d e l sw e r e0.8095 a n d0.9184,r e s p e c t i v e l y.A3 D m o d e l m a t c h i n g t h e r e a l s c e n e o f t h e s a m p l e

15、s i t e c a n b e c o n s t r u c t e d b a s e d o nt h e p o i n t c l o u d d a t a o f o b l i q u e p h o t o g r a p h y a n d c l o s e-r a n g e p h o t o g r a p h y u n d e r t h e s a m e s p a t i a l r e f e r e n c e.T h e h e i g h t a n dD B H o f i n d i v i d u a l t r e e s o b t

16、a i n e d f r o m t h e p o i n t c l o u d d a t a o f t h e3 D m o d e l o f t h e s a m p l e s i t e h a v e a g o o d l i n e a r c o r r e l a-第1期 王 怡,等:基 于 三 维 点 云 模 型 获 取 单 木 树 高 和 胸 径 的 研 究t i o n w i t h t h e f i e l d m e a s u r e m e n t r e s u l t s.T h e m e t h o d u s e d i n t h

17、i s s t u d y c a n r e p l a c e t h e t r a d i t i o n a l f o r e s t r y s u r v e y m e t h o da n d b e a p p l i e d t o t h e a r t i f i c i a l f o r e s t.K e y w o r d s:o b l i q u e p h o t o g r a p h;c l o s e-r a n g e p h o t o g r a p h y;3 D p o i n t c l o u d m o d e l;T r e e

18、 h e i g h t;D B H 树 高 和 胸 径 是 森 林 资 源 调 查 中 两 个 重 要 的 测树 因 子,也 是 反 应 林 木 生 长 状 况 的 主 要 指 标 参 数,及 时 准 确 地 获 取 林 分 内 单 木 的 树 高 和 胸 径 参 数,对于 正 确 判 断 林 分 空 间 结 构,合 理 制 定 森 林 经 营 模式,促 进 森 林 资 源 的 保 护 和 健 康 可 持 续 发 展 具 有 重要 意 义 1-2。当 前,森 林 资 源 调 查 数 据 的 获 取 主 要还 是 依 靠 个 人 经 验 进 行 目 测 或 借 助 简 单 工 具 实 地测 量

19、,这 种 传 统 的 调 查 方 式 工 作 量 大,效 率 低,数 据来 源 也 会 因 缺 乏 统 一 的 测 量 标 准 而 造 成 误 差,已 不能 满 足 现 代 林 业 精 准 化 和 信 息 化 发 展 需 求。随 着测 量 技 术 的 不 断 发 展,高 精 度 测 量 设 备 和 摄 影 测 量技 术 也 越 来 越 多 的 应 用 在 林 业 领 域。无 人 机 在 林 业 领 域 已 得 到 越 来 越 广 泛 地 应用 3。利 用 无 人 机 倾 斜 摄 影 技 术,可 以 获 取 测 区 的正 射 影 像 和 三 维 点 云 模 型,基 于 此 技 术 获 取 树 高

20、 的方 法 主 要 有 两 种,一 是 点 云 分 割 法 4,将 三 维 点 云分 割 为 树 木 点 云 和 地 面 点 云,根 据 树 木 顶 端 高 度 和地 面 平 均 高 度 的 差 值 获 取 树 木 高 度;二 是 局 部 最 大值 法 5-7,首 先 利 用 三 维 点 云 生 成 数 字 表 面 模 型(Di g i t a lSu r f a c eMode l,DSM)和 数 字 高 程 模 型(Di g i t a lEl eva t i onMode l,DEM),然 后 将DSM和DEM进 行 栅 格 作 差 得 到 树 冠 高 度 模 型(CanopyHe i

21、gh tMode l,CHM),最 后 运 用 局 部 最 大 值 法 对CHM进 行 过 滤 提 取 树 顶 点 和 树 高。这 两 种 方 法获 取 的 单 木 树 高 均 具 有 较 高 的 精 度,但 这 两 种 方 法构 建 的 主 要 是 林 分 冠 层 表 面 的 三 维 模 型,而 冠 层 以下 及 地 面 层 受 林 分 郁 闭 度 的 影 响 难 以 获 得 真 实 有效 的 点 云 信 息,且 树 木 顶 点 的 提 取 也 会 受 林 分 结 构的 影 响 出 现 遗 漏 或 一 树 多 顶 的 情 况。单 木 胸 径 通常 则 是 利 用 无 人 机 影 像 获 取

22、的 树 高、冠 幅、树 冠 面积 等 参 数 与 部 分 地 面 实 测 胸 径 建 立 回 归 模 型 进 行反 演 估 测 获 取,但 这 种 方 法 的 运 用 在 树 种 和 地 域 上存 在 一 定 的 局 限 性 8-11。三 维 激 光 扫 描 技 术 作 为当 前 最 先 进 的 一 种 测 绘 手 段,已 广 泛 应 用 于 森 林 资源 调 查 和 林 分 结 构 研 究。利 用 地 基 激 光 雷 达(Te r-r e s t r i a lLa s e rSc ann i ng,TLS)和 无 人 机 激 光 雷 达据(Unmanneda e r i a lveh i

23、c l eLa s e rSc ann i ng,ULS)可 以 获 得 高 质 量 的 林 分 空 间 结 构 三 维 模 型,并 从 中 提 取 更 加 精 确 的 胸 径、树 高、冠 幅 等 空 间 结构 信 息 12-14。近 年 来,数 码 相 机、智 能 手 机 等 非 测量 设 备 已 成 为 数 字 近 景 摄 影 测 量 的 主 要 工 具 15,并 在 林 分 参 数 测 量 方 面 取 得 了 一 些 研 究 成 果 16-17。将 无 人 机 倾 斜 摄 影 技 术 和 地 面 近 景 摄 影 技 术 相 融合 构 建 精 细 化 三 维 模 型 的 技 术 在 城 市

24、 三 维 建模 18-19、地 质 勘 查 20、建 筑 测 量 21等 领 域 已 经 得到 了 广 泛 的 应 用,但 在 森 林 结 构 参 数 获 取 方 面 的 应用 研 究 还 鲜 见 报 道,虽 然 已 有 将 激 光 雷 达 和 摄 影 测量 相 结 合 应 用 于 森 林 资 源 调 查 方 面 的 研 究 22,但是 激 光 雷 达 技 术 的 价 格 成 本 和 应 用 门 槛 较 高,现 阶段 还 难 以 实 现 推 广 应 用。将 小 型 测 绘 无 人 机 和 智能 手 机 用 于 摄 影 测 量 具 有 使 用 成 本 低、携 带 方 便、操 作 简 单 等 优

25、点,而 且,相 较 于 激 光 雷 达 光 谱 特 征比 较 单 一 的 不 足,摄 影 测 量 在 光 谱 特 征 上 更 加 丰富,通 过 图 像 三 维 重 建 可 以 更 精 细 的 表 现 出 林 分 空间 分 布 特 征 和 林 下 地 形 特 征 23。本 研 究 基 于 摄 影 测 量 原 理,通 过 构 建 样 地 的 三维 点 云 模 型 获 取 林 分 单 木 信 息。利 用 无 人 机 倾 斜摄 影 得 到 样 地 冠 层 表 面 的 高 度 信 息,样 地 林 下 的 林分 信 息 则 借 助 智 能 手 机 近 景 摄 影 获 取。将 无 人 机斜 摄 影 像 和

26、智 能 手 机 近 摄 影 像 进 行 三 维 重 建 并 得到 点 云 模 型,通 过 在 样 地 区 域 布 设 的 控 制 点,将 斜摄 点 云 和 近 摄 点 云 匹 配 到 统 一 的 三 维 空 间 坐 标 系内,实 现 空 地 点 云 融 合,并 最 终 从 地 面 到 冠 层 构 建出 具 有 较 高 辨 识 度 且 定 位 精 准 的 样 地 林 分 三 维 点云 模 型,以 期 通 过 对 密 集 点 云 信 息 进 行 软 件 分 析,获 取 具 有 较 高 精 度 的 单 木 树 高 和 胸 径 参 数。1 研 究 区 概 况研 究 区 位 于 湖 北 省 林 业 科

27、学 研 究 院 九 峰 试 验林 场,地 处 武 汉 市 东 郊,距 离 武 汉 市 中 心12km,地理 中 心 位 置 为 东 经114 29 50,北 纬30 31 4,占 地面 积 约330hm2。林 场 地 处 亚 热 带 季 风 性 湿 润 气候 区,四 季 分 明、光 照 充 足、雨 热 同 季,年 降 雨 量12001400mm,年 平 均 相 对 湿 度79%,林 场 多数 为 人 工 林,主 要 树 种 有 马 尾 松P i n u s m a s s o n i-a n a、杉 木C u n n i n g h a m i a l a n c e o l a t a、青

28、冈Q u e r c u sg l a u c a、枫 香L i q u i d a m b a r f o r m o s a n a、栓 皮 栎Q u e r c u s v a r i a b i l i s等。本 研 究 选 取 池 杉 实 验 林 为研 究 对 象,设 置 一 块20m20m样 地,坡 度5,样 地 内 共 有 活 立 木31株,其 中 池 杉T a x o d i u m3 2湖 北 林 业 科 技 第52卷d i s t i c h u mva r.i m b r i c a t u m29株,构 树B r o u s s o n e-t i a p a p y

29、r i f e r a2株,平 均 树 龄35a。2 数 据 来 源2.1 倾 斜 摄 影本 研 究 所 使 用 的 无 人 机 为 大 疆 精 灵4RTK(Phan t om4RTK)四 旋 翼 无 人 机,该 款 无 人 机 为专 业 级 测 绘 无 人 机,内 置 实 时 差 分RTK(Re a l-t imek i nema t i c)功 能,可 提 供 实 时 厘 米 级 定 位 数据,定 位 精 度 在 垂 直 方 向 为1.5cm1ppm,水 平方 向 为1cm1ppm。机 身 下 部 的 三 轴 防 抖 云 台搭 载 的 相 机 配 备1英 寸2000万 像 素CMOS传 感

30、器,分 辨 率 为54723648,焦 距 为8.8mm,像 素大 小 为2.41m2.41m。该 款 无 人 机 具 有3D(五 向 飞 行)摄 影 测 量 功 能,可 自 动 完 成 对 测 区 的 倾斜 摄 影 工 作。无 人 机 倾 斜 摄 影 于2021年8月23日完 成,飞 行 高 度100m,航 速5.9ms-1,正 射 和 倾斜 的 旁 向 和 航 向 重 叠 率 均 为85%,正 射 云 台 角 度 为-90,斜 射 云 台 角 度 为-60,共 拍 摄 照 片368张。2.2 近 景 摄 影本 研 究 使 用 苹 果 牌 智 能 手 机i phone7的 后 置摄 像 头

31、做 为 近 景 摄 影 设 备,该 摄 像 头 具 有1200万像 素,分 辨 率 为40323024,焦 距 为3.99mm,像素 大 小 为1.22m1.22m。手 持 相 机 正 对 样 地方 向,以 围 绕 样 地 一 圈 作 为 近 景 摄 影 路 径(图1),在 路 径 上 每 间 隔 约0.5m拍 摄 一 组 照 片,每 组6张照 片,先 以 水 平 姿 势 拍 摄 一 张 照 片,再 将 摄 像 头 向上 倾 斜 拍 摄 一 张 照 片,依 次 朝 左、中、右 三 个 方 向 各拍 两 张 照 片,每 张 相 邻 照 片 的 重 叠 率 不 低 于30%(图2)。手 机 近 景

32、 摄 影 于2021年9月3日 完 成,共 拍 摄 照 片564张。图1 近 摄 路 径 示 意 图图2 近 景 摄 影 示 意 图2.3 实 地 测 量 数 据样 地 内 单 木 实 地 测 量 工 作 于2021年11月 进行。使 用 测 树 钢 围 尺 在 地 面 以 上1.3m处 测 量 单木 胸 径,精 度 为0.1cm。使 用 的 是Ve r t ex-IV超声 波 测 距 仪(瑞 典hago l f公 司)测 量 单 木 树 高,精度 为0.1m。2.4 控 制 点 布 设控 制 点 的 布 设 在 斜 摄 和 近 摄 作 业 前 完 成。使用 控 制 点 是 提 高 无 人 机

33、 遥 感 精 度 的 重 要 手 段 之 一,而 控 制 点 的 平 高 精 度 则 直 接 影 响 三 维 模 型 的 构 建质 量 24-25。本 研 究 使 用RTK测 量 仪 共 获 取 了11个 控 制 点 的 三 维 坐 标,其 中 倾 斜 摄 影 控 制 点6个,编 号 为C1、C2、C3、C4、C7、C8,近 景 摄 影 控 制 点5个,编 号 为C11、C12、C13、C15、C16。3 研 究 方 法3.1 三 维 模 型 构 建本 研 究 利 用Pho t oSc anAg i s o f t软 件 对 空 地 影像 进 行 三 维 重 建。Pho t oSc anAg

34、i s o f t是 俄 罗 斯Ag i s o f t公 司 开 发 的 一 款3D扫 描 软 件,该 软 件 基于 摄 影 测 量 基 本 原 理 和 多 视 图 三 维 重 建 技 术,可 以对 任 何 照 片 进 行 处 理,只 需 导 入 具 有 一 定 重 叠 率 的数 码 影 像,便 可 自 动 完 成 影 像 定 向 和 三 维 模 型 重 建工 作。工 作 流 程 的 第 一 步 是 先 将 无 人 机 影 像 和 手机 影 像 同 时 导 入 软 件 进 行 照 片 对 齐 并 获 得 斜 摄 和近 摄 稀 疏 点 云 模 型。手 机 影 像 较 之 无 人 机 影 像 在

35、GPS定 位 精 度 上 较 低,二 者 的 点 云 模 型 还 不 能 在同 一 空 间 参 考 基 准 下 融 合。第 二 步 是 导 入 控 制 点三 维 坐 标,对 控 制 点 进 行 刺 点 可 将 斜 摄 和 近 摄 点 云模 型 统 一 在 同 一 空 间 参 考 基 准 下。第 三 步 是 点 云模 型 进 行 对 齐 优 化 处 理,进 而 实 现 斜 摄 点 云 模 型 和近 摄 点 云 模 型 的 有 效 融 合(图3)。最 后 建 立 密 集4 2第1期 王 怡,等:基 于 三 维 点 云 模 型 获 取 单 木 树 高 和 胸 径 的 研 究点 云,构 建 出 可 以

36、 与 样 地 实 景 相 匹 配 的 三 维 点 云 模 型(图4)。图3 点 云 模 型 对 齐 优 化 处 理图4 样 地 三 维 点 云 模 型3.2 点 云 数 据 处 理本 研 究 模 型 分 析 使 用L iDAR360点 云 数 据 处理 软 件,L iDAR360是 北 京 数 字 绿 土 科 技 有 限 公 司研 发 的 专 业 级 点 云 数 据 处 理 平 台,将 三 维 模 型 点 云数 据 导 入 该 软 件,通 过 其 内 置 的 林 业 分 析 工 具,先对 三 维 点 云 模 型 数 据 进 行 去 噪 和 地 面 点 归 一 化 处理,然 后 从 归 一 化

37、的 样 地 林 分 点 云 数 据 中 提 取 所 需的 森 林 结 构 参 数。3.2.1 胸 径 提 取在 地 基 林 业 模 块 进 行 胸 径(DBH)种 子 点 编辑,设 置 点 云 显 示 高 度 为1.21.4m,选 择DBH测 量 工 具,将 单 木 点 云 模 型 置 于 截 面 内(图5),便可 获 取 每 株 单 木 在 距 离 地 面1.3m处 的 胸 径 拟 合结 果。3.2.2 树 高 提 取在 机 载 林 业 模 块 进 行 顶 点 种 子 点 编 辑,在 编 辑窗 口 内 通 过 目 视 解 析 判 断 样 地 内 单 木 的 顶 点,并 在顶 点 或 靠 近

38、顶 点 的 位 置 添 加 种 子 点,软 件 将 基 于 种子 点 自 动 进 行 单 木 分 割 进 而 获 取 单 木 的 树 高 参 数(图6)。图5 胸 径 拟 合图6 单 木 分 割4 检 验 与 分 析4.1 模 型 精 度 检 验根 据 优 化 处 理 后 导 出 的 检 验 报 告,将11个 控制 点 在 三 维 点 云 模 型 中 的 坐 标 和RTK测 量 仪 实测 坐 标 之 差 进 行 比 较 分 析(表1):平 面 坐 标 误 差 最大 值 为-0.069m,最 小 值 为0.002m;海 拔 高 度 坐标 误 差 最 大 值 为-0.099m,最 小 值 为0.0

39、05m;各控 制 点 合 计 误 差 最 大 的 是C12,为0.111m,最 小的 是C3,为0.017m;三 维 点 云 模 型 的 平 面 坐 标 中5 2湖 北 林 业 科 技 第52卷误 差 为0.040m,海 拔 高 度 中 误 差 为0.053m。根据 数 字 航 空 摄 影 测 量 测 图 规 范(CH-T3007.1-2011)对1500地 形 图 平 面 误 差 不 超 过0.1m,高 程 误 差 不 超 过0.2m的 精 度 要 求,可 以 认 为 本研 究 对 斜 摄 点 云 数 据 和 近 摄 点 云 数 据 的 融 合 是 有效 的,且 精 度 较 高。表1 控 制

40、 点 坐 标 误 差控 制 点经 度 误 差/m纬 度 误 差/m平 面 误 差/m海 拔 高 度 误 差/m合 计 误 差/mC1 0.003 0.056-0.017 0.059C2 0.005-0.069 0.037 0.079C3 0.014-0.003-0.010 0.017C4-0.016 0.002-0.016 0.023C7-0.003-0.003 0.018 0.018C8-0.004 0.018-0.017 0.025C11 0.008-0.048 0.075 0.090C12-0.016 0.047-0.099 0.111C13 0.012-0.046 0.005 0.04

41、8C15 0.005 0.015-0.068 0.070C16-0.010 0.033 0.090 0.096中 误 差0.010 0.0380.0400.053 0.0664.2 胸 径 和 树 高 精 度 分 析如 表2所 示,实 测 数 据 和 点 云 数 据 获 取 的 树 高的 平 均 差 值 为-0.9m,平 均 相 对 误 差 为5.4%,获取 胸 径 的 对 应 参 数 为-0.8cm和7.1%。胸 径 的 平均 相 对 误 差 大 于 树 高 的 主 要 原 因 在 于 部 分 单 木 的相 对 误 差 明 显 偏 大,如17号 树 的 胸 径 相 对 误 差 达到 了37.

42、0%,且 胸 径 相 对 误 差 超 过10%的 树 木 有7株,而 树 高 相 对 误 差 最 大 值 为24.2%,且 树 高 相对 误 差 超 过10%的 树 木 只 有4株,出 现 这 种 情 况是 因 为 这 些 树 木 未 能 从 二 维 近 摄 影 像 中 获 得 完 整的 胸 径 点 云,所 以 在 提 取 胸 径 时,根 据 树 干1.3m处 不 完 整 点 云 进 行 圆 形 拟 合 便 会 出 现 偏 差 26。从 图7中 可 以 发 现,相 较 于 胸 径,树 高 的 点 云 数据 普 遍 低 于 实 测 数 据。造 成 这 种 现 象 是 因 为 带有 坡 度 的 样

43、 地 三 维 模 型 在 进 行 归 一 化 的 处 理 时,单 木 点 云 数 据 发 生 收 缩 畸 变,使 得 树 高 的 提 取 值变 小 27。从 整 体 的 比 较 结 果 上 来 看,基 于 点 云 数据 获 取 的 树 高 和 胸 径 可 以 满 足 样 地 调 查 的 精 度要 求。图7 实 测 数 据 和 点 云 数 据 结 果 比 较6 2第1期 王 怡,等:基 于 三 维 点 云 模 型 获 取 单 木 树 高 和 胸 径 的 研 究表2 树 高 和 胸 径 的 实 测 数 据 与 点 云 数 据 结 果编 号 树 种树 高 胸 径实 测 数 据/m点 云 数 据/m差

44、 值/m相 对 误 差(%)实 测 数 据/cm点 云 数 据/cm差 值/cm相 对 误 差(%)1池 杉17.6 19.4 1.8 10.1 16.8 16.3-0.5 3.02池 杉25.6 24.5-1.1 4.3 33.4 32.0-1.4 4.23池 杉27.3 26.4-0.9 3.4 32.6 31.9-0.7 2.14池 杉24.5 24.4-0.1 0.3 28.4 24.7-3.7 13.05池 杉23.3 22.0-1.3 5.6 29.1 28.6-0.5 1.76构 树20.8 18.7-2.1 10.0 29.3 25.1-4.2 14.37池 杉24.7 23.

45、8-0.9 3.6 35.1 34.1-1.0 2.88池 杉27.1 25.3-1.8 6.6 31.8 30.7-1.1 3.59池 杉24.6 23.6-1.0 4.2 26.4 28.8 2.4 9.110池 杉26.1 24.4-1.7 6.6 25.6 23.3-2.3 9.011池 杉24.1 23.2-0.9 3.6 26.7 29.3 2.6 9.712构 树21.8 19.0-2.8 12.7 24.0 25.4 1.4 5.813池 杉22.7 21.2-1.5 6.4 22.0 25.8 3.8 17.314池 杉27.9 26.8-1.1 3.9 33.3 33.9

46、0.6 1.815池 杉22.4 21.7-0.7 3.0 22.6 23.1 0.5 2.216池 杉19.3 19.4 0.1 0.3 21.5 16.3-5.2 24.217池 杉19.1 18.5-0.6 3.0 17.3 10.9-6.4 37.018池 杉26.8 25.0-1.8 6.7 40.2 41.2 1.0 2.519池 杉22.5 22.1-0.4 1.8 17.6 16.5-1.1 6.320池 杉21.1 20.8-0.3 1.3 22.9 22.5-0.4 1.721池 杉21.5 16.3-5.2 24.2 16.7 14.1-2.6 15.622池 杉25.0

47、 23.7-1.3 5.4 26.2 26.5 0.3 1.123池 杉25.5 24.1-1.4 5.3 40.6 40.9 0.3 0.724池 杉23.6 22.5-1.1 4.5 24.7 23.6-1.1 4.525池 杉22.5 21.4-1.1 5.1 29.9 29.8-0.1 0.326池 杉21.8 21.5-0.3 1.6 26.1 24.6-1.5 5.727池 杉23.6 22.8-0.8 3.5 28.5 28.2-0.3 1.128池 杉27.0 26.0-1.0 3.8 31.3 28.9-2.4 7.729池 杉18.7 19.6 0.9 5.1 29.0 2

48、8.8-0.2 0.730池 杉18.7 20.0 1.3 6.9 16.2 16.3 0.1 0.631池 杉19.1 19.9 0.8 4.2 16.1 14.4-1.7 10.6均 值23.1 22.2-0.9 5.4 26.5 25.7-0.8 7.14.3 实 测 数 据 与 点 云 数 据 线 性 回 归 分 析对 实 测 数 据 和 点 云 数 据 进 行 线 性 拟 合,以 实 测数 据 作 为 自 变 量x,以 点 云 数 据 作 为 因 变 量y,分别 作 出 树 高 和 胸 径 的 散 点 图,得 到 回 归 方 程 如 图8所 示。树 高 和 胸 径 回 归 模 型 的

49、R2分 别 为0.8095和0.9184,说 明 实 测 数 据 和 点 云 数 据 之 间 具 有 较好 的 相 关 性。胸 径 实 测 数 据 和 点 云 数 据 的 相 关 性高 于 树 高,主 要 原 因 可 能 在 于 胸 径 结 果 的 获 取 无 论是 实 地 测 量 还 是 点 云 拟 合,相 较 于 树 高 的 获 取 都 要容 易,人 为 主 观 因 素 影 响 较 小。在 实 地 测 量 树 高时,可 能 会 因 为 冠 幅 的 遮 挡 或 树 冠 层 不 规 则 生 长,误 判 了 树 顶 点 的 位 置 28。而 在 对 点 云 模 型 进 行 目视 解 析 时,也

50、会 因 为 相 邻 树 冠 幅 的 重 叠,造 成 树 顶点 定 位 与 实 际 不 符 的 情 况 29。7 2湖 北 林 业 科 技 第52卷图8 线 性 回 归 散 点 图5 结 论 与 讨 论5.1 结 论本 研 究 利 用 无 人 机 和 智 能 手 机 分 别 对 样 地 林分 进 行 地 面 近 景 摄 影 和 空 中 倾 斜 摄 影,将 空 地 影 像进 行 三 维 重 建 并 获 得 了 三 维 点 云 模 型,然 后 从 三 维点 云 模 型 中 获 取 样 地 林 分 中 单 木 的 树 高 和 胸 径,另外,在 样 地 内 进 行 每 木 检 尺,将 树 高 和 胸 径