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基于三维激光扫描的涉案伐倒木材积测定研究

2019-08-23 热度:1025 ℃

      1. 南京森林警察学院,江苏 南京

              2. 北京麦格天渱科技发展有限公司,北京

                  3. 江苏省南京工程高等职业学校,江苏 南京

              4. 中油(新疆)石油工程有限公司,新疆

  摘要:利用三维激光扫描系统,获得伐倒木的整体点云数据,利用点云应用微积填充的方式计算出伐倒木的材积,将计算结果与根据伐倒木求积式计算出的材积结果进行比较。结果表明,激光扫描仪测得的伐倒木材积数据精度、测量效率均比较高,可以满足林业调查精度的要求,为快速、高效地测定涉案伐倒木材积提供了技术支持。

  “国家林业局、公安部关于森林和陆生野生动物刑事案件管辖及立案标准”“最高人民法院关于审理破坏森林资源刑事案件具体应用法律若干问题的解释”等相关法律规定,林木材积是盗伐、滥伐林木等森林案件定性处罚的主要依据。

  在森林案件现场, 被盗伐、滥伐林木多呈伐倒木状态,伐倒木材积计算公式较多,使用公式计算时,需要逐株测量相关因子,测量需要的时间较长,个别公式的计算过程较繁琐,影响了办理案件的效率。探讨应用三维激光扫描方法测定涉案伐倒木的材积,提高测定的精度和效率具有非常重要的现实意义。

  三维激光扫描仪的工作原理

  三维激光扫描仪是通过其新型的扫描技术实现非接触式的快速测量方式,以其每秒高达百万点的速度快速获取大空间内场景数据[1-3]。三维激光扫描仪主要由扫描仪(见图1)、控制器(计算机)和电源供应系统三部分组成。扫描仪主要由一台快速准确的激光测距仪加上一组可导引激光以等速度扫描的反射镜及数码相机组成。

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  图1 Trimble TX8静态三维激光扫描仪

  在三维激光扫描仪内,通过两个同步反射镜快速有序地旋转,将激光脉冲发生器发出的窄束激光脉冲依次扫过被测区域,测量每个激光脉冲从发出经被测物表面再反射回仪器所经过的时间(或相位差)来计算距离(见图2),同时扫描控制模块控制和测量每个脉冲激光的角度,最后计算出激光点在被测物体上的三维坐标。

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  图2  三维激光扫描仪工作原理示意

  外业采集与内业处理结果分析

  三维激光扫描仪法计算伐倒木材积的外业采集与处理分析

  使用TrimbleTX8分别对室内外的伐倒木进行现场扫描。(见图3,4)

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  图3  室内现场扫描图像

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  图4  室外现场扫描图像

  在外业扫描的基础上,获得伐倒木室内点云灰色编码显示图及室外点云色彩编码显示图。(见图5,6)

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  图5  室内点云灰色编码显示示意

  对扫描结果进行数据处理,三维激光扫描由点云计算材积。

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  图6  三维激光扫描由点云计算材积示意

  选取扫描效果较好的伐倒木计算材积,不同伐倒木材积测量结果见表1,2。

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  表1  三维激光扫描测定伐倒木材积结果(室内)

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  表2  三维激光扫描法测定伐倒木材积结果(室外)

  三维激光扫描法计算的材积结果与常规公式法计算材积比较分析

  对不同伐倒木材积公式计算的材积结果与三维激光扫描仪法计算的材积结果进行比较(见图7,8)。

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  图7  不同伐倒木材积公式计算结果与三维激光扫描法计算结果比较(室内)

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  图8  不同伐倒木材积公式计算结果与三维激光扫描法计算结果比较(室外)

  从图7,8可以看出,三维激光扫描法计算的结果接近于公式法计算的平均状态,计算结果能满足材积计算的结果要求[7]。

  通过误差研究分析,使用三维激光扫描法获得的基本测树因子具有很高的精度,获得的材积可以代替伐倒木实测材积,可用于建立林木材积方程,相关软件可以计算表面非常不规则几何体的体积,获得的材积比伐倒木区分求积获得的材积更准确[8-9]。

  结论与讨论

  (1)就伐倒木材积计算公式而言,区分求积的方法计算的结果精度高于近似求积式计算的结果,三维激光扫描仪计算材积时,同样遵循了区分的方法,因此计算结果精度较高。从测量的数据也可以看出,三维激光扫描测定的伐倒木材积与公式法中区分的方法计算的结果更接近。

  (2)从理论推导,对于同一株树干上,区分段越短,区分段干形越接近于立体几何体,其计算材积越精确。但在实际工作中,考虑到测量的工作量,一般区分段不少于5段即可,而使用三维激光扫描仪时,区分段数可以不受限制[10-11]。

  (3)通过研究发现,利用三维激光扫描技术测得的数据完全能够满足林业测量的精度要求。

  (4)三维激光扫描法计算伐倒木材积具有速度快、效率高的特点,可应用于盗伐林木和滥伐林木等森林案件性处罚的主要依据,提高办案效率。

  (5)三维激光扫描的特点是即见则即得,因此扫描时要保证最大限度地扫描到伐倒木的全部,这样计算的材积结果更精确。

  (6)扫描时要保证多方位、多角度地扫描,获得更多的点云数据,提高计算结果的准确度。

  总之,三维激光扫描仪完全可以应用于林木材积的测定中,并且可以满足测量精度的要求。三维激光扫描仪有许多优点,其应用是对传统森林调查方法、技术手段和仪器使用的一次创新和尝试,特别在森林案件现场复原、痕迹物证的提取和固定具有非常重要的作用,可以推广使用,扩大三维激光扫描仪的应用范围。

  参考文献

  [1] 李胜利,金泰义,徐育,等.激光测微仪的研制及其最新进展[J].现代科学仪器,1995,04:45-49.

  [2]吴春峰,陆怀民,郭秀荣,等.利用三维激光扫描系统测量立木材积的方法[J].森林工程,2009,25(3):71-75.

  [3] 赵 芳,韦雪花,高 祥,等. 三维激光扫描系统在建立单株立木材积模型中的研究[J]. 山东农业大学学报 ( 自然科学版) ,2013,44(2):231-238.

  [4]郭秀荣,吴春峰.基于三维激光扫描仪的立木材积测定方法研究[J].现代科学仪器,2013,4:132-135

  [5]李炳凯.盗伐、滥伐林木材积测定(之一)[J].林业调查规划,2004,29(2):1-4.

  [6]赵学荣,付文华.林业案件中伐倒木材积测定方法[J].林业调查规划,2005,30(6):29-31.

  [7]刘成林.森林案件涉案伐倒木材积惟一性的探讨[J].林业资源管理,2008(5):122-124.

  [8]张民侠.森林资源管理概论[M].北京:中国人民公安大学出版社,2015

  [9]邓向瑞,冯仲科,罗旭.三维激光扫描系统在林业中的应用研究[J].北京林业大学学报,2005,27(增):43-47

  [10]范海英,李畅,赵军.三维激光扫描系统在精准林业测量中的应用[J].测绘通报,2010,(2):29-31

  [11]钱建国,赵军武,唐为刚.三维激光扫描仪获取的数据处理与应用研究[J].矿山测量,2009,6(14):44-46.

  第一作者:张民侠,女,1970年1月,南京森林警察学院,博士,教授,研究方向:森林资源管理

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