林業(yè)調查 | 基于背包移動平臺應用激光雷達技術進行樹木胸徑量測的解決方案
一、概述
胸徑是表達樹木生長狀況的重要的因子之一。傳統(tǒng)方式以胸徑尺、輪尺等接觸式測量為主，外業(yè)工作量較大；使用地基激光雷達采集林業(yè)數(shù)據(jù)，須進行布設標靶、架站、掃描、移站等操作，完成整體數(shù)據(jù)采集需要花費**的人力及時間，采集完的數(shù)據(jù)也需要進行多站拼接后才能輸出采集結果。
本文介紹采用基于移動平臺應用激光雷達技術，采取自下而上的掃描方式，獲取樹干／枝葉詳細的結構信息，并對使用激光雷達數(shù)據(jù)軟件進行單木進行識別，獲取樹木位置、株數(shù)、樹高、胸徑和枝下高等信息。
二、設備選用
地面移動激光雷達掃描系統(tǒng)--LiBackpack 50 背包激光雷達掃描系統(tǒng)
LiBackpack背包式室內外一體化激光雷達掃描系統(tǒng)，結合激光雷達和同步定位與地圖構建（SLAM）技術，無需GPS即可實時獲取周圍環(huán)境的高精度三維點云數(shù)據(jù)。
| 系統(tǒng)參數(shù) |
| 尺寸(mm) |
986 X 270 X 147 |
電池 |
5700mAh |
| 重量 |
5.6kg |
工作時間 |
~2.5h（一塊電池） |
| 功率 |
60W |
端口 |
HDMI,USB,網(wǎng)口 |
| 電壓 |
22.8V |
存儲 |
512G SSD |
| 電流 |
1.9A |
適用環(huán)境 |
室內和室外 |
| 控制及顯示 |
網(wǎng)絡控制和顯示(手機、平板電腦);有線數(shù)據(jù)傳輸（平板電腦） |
| 傳感器參數(shù) |
| LiDAR 傳感器 |
VLP16 |
| LiDAR精度 |
±3cm |
| 垂直視場角 |
-15°~15° |
| 測量范圍 |
100m |
| 數(shù)據(jù)成果 |
| 數(shù)據(jù)精度 |
~ 5cm |
| 點云格式 |
las,ply |
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數(shù)據(jù)處理軟件——LiDAR360點云數(shù)據(jù)處理分析軟件易操作：自動化程度高，開機即用
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低成本：無需GPS，成本大幅度降低
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高精度：結合激光雷達和SLAM算法實現(xiàn)室內外一體化測量，無需GNSS信號即可實現(xiàn)厘米級數(shù)據(jù)精度
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查看簡潔方便：數(shù)據(jù)在手機、平板等移動端實時顯示；支持無線/有線方式查看數(shù)據(jù)；數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定性強，邊采集邊查看
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效率高：實時顯示高精度點云數(shù)據(jù)、支持在線閉環(huán)以及閉環(huán)優(yōu)化，掃描完成即可導出采集點云數(shù)據(jù)和運動軌跡
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設計輕巧便捷，可搭載不同的移動平臺，無論是手持、步行、騎行、車載都可以輕松采集數(shù)據(jù)
LiDAR360在通用平臺上擴展了地基林業(yè)模塊，用于地基或者背包激光雷達點云數(shù)據(jù)處理分析。主要功能包括：地面點分類、批量胸徑提取、單木分割、單木參數(shù)提取。
三、作業(yè)流程
數(shù)據(jù)采集流程如下：
以30m*30m 林業(yè)樹木樣方為例：
1、對采集樣區(qū)進行路徑規(guī)劃，路線規(guī)劃目的是可以采集到樹木的所有信息，同時減少數(shù)據(jù)冗余，針對30m*30m的樣區(qū)，如果樹木比較密集，采用下圖左所示的路徑規(guī)劃，若樹木比較稀疏，則可采用下圖右所示的路徑規(guī)劃：
圖1 路徑規(guī)劃（樹木密集：左 樹木稀疏：右）
（注意：本案例中的路徑規(guī)劃只是參考，由于實際作業(yè)環(huán)境不同，可以做適當修改，但路徑整體規(guī)劃還是建議保持一致。）
2、路徑規(guī)劃完成后，背負LiBackpack進行數(shù)據(jù)采集：
采集數(shù)據(jù)在手機端實時顯示
掃描樣區(qū)結果示意
行走軌跡與點云疊加效果
數(shù)據(jù)處理流程如下：
自動提取DBH時軟件會對聚類出的樹干進行置信度判斷，根據(jù)不同置信度等級以不同的顏色顯示，如下圖，黃色、紫色和紅色分別表示高、中和低置信度。
四、效率／精度驗證
選取某林區(qū)進行進行測試，評估LiBackpack的效率及精度。
1、試驗區(qū)：
北京植物園針葉林樣地，選取長寬分別為40米和20米的樣地作為研究區(qū)。
2、目標數(shù)據(jù)：
研究區(qū)內15棵樹的胸徑值。
3、采集手段：
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人工測量：使用皮尺在地上3m處測量并記錄樹木胸徑。
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地基激光雷達設備： FARO FOCUS3D 120相位式激光雷達，為了完整獲取樹木的胸徑點云，架設8個站點。
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便攜式移動激光雷達系統(tǒng)：LiBackpack背包激光雷達對，測區(qū)進行移動掃描。
樣地
人工實測樹木胸徑
FARO掃描
LiBackpack掃描
實驗區(qū)示意圖
4、數(shù)據(jù)處理
LiBackpack可輸出LAS或PLY格式的點云，倒入LiDAR360軟件進行顯示和處理；
LiBackpack采集的點云數(shù)據(jù)
LiDAR360進行胸徑擬合，測出數(shù)值
FARO采集的原始數(shù)據(jù)為廠商自定義的工程文件格式FLS，通過掃描儀配套軟件處理后導出為TXT格式，包含點云坐標和顏色信息。
FARO點云數(shù)據(jù)
效率對比
對比分析：
人工測量方式耗時15分鐘;
FARO架站掃描每站掃描時間為6分鐘左右（同步獲取點云和影像，可導出真彩色點云），共架設8個站，此外加上布設標靶球、搬站、拼接等，數(shù)據(jù)獲取及處理總時間大約為2小時;
LiBackpack支持實時獲取和解算點云，整個樣地數(shù)據(jù)獲取時間大約為127秒。
精度對比
對比人工量測、LiBackpack、FARO獲取的15棵樹的實測胸徑值，單位為cm。
對比分析：
LiBackpack與實測值相比，平均誤差為1.757cm，標準差為1.161cm；FARO與實測值相比，平均值為-0.605cm，標準差為0.849cm；
LiBackpack與FARO相比，平均值為2.543，標準差為1.004cm。
總結：
LiBackpack在精度可達到厘米級測量精度，能夠滿足林下結構數(shù)據(jù)的采集和提??；LiBackpack在效率上能以更好的性價比滿足作業(yè)。
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