专利名称：一种树木三维绿量测量方法及系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及森林资源监测领域，尤其涉及一种树木三维绿量测量方法及系统。
背景技术：
三维绿量又称绿化三维量(Living Vegetation Volume, LVV),是指所有生长植物的茎叶所占据的空间体积。三维绿量通过对茎叶体积的计算，来揭示植物绿色三维体积(或者叶面积指数)与植物生态功能水平的相关性，进而来说明植物体本身、植物群落乃至城市森林的生态功能和环境效益。三维绿量作为绿化指标突破了原有二维绿化指标的局限性，可以更加准确地反映城市森林空间构成的合理性，即明确城市绿化在空间结构方面的差异，且三维绿量指标也可以体现出整个城市的生态效益水平，因而可用于更全面、准确地描述城市森林的空间结构和定量研究城市森林与环境的相关关系以及分析绿化的环境效益和城市绿化需求总量，以及不同城市功能区的绿化结构优化设计等方面。因此，高效准确地测量城市森林的三维绿量对城市森林生态环境效益评价、城市森林的构建以及城市森林学科的发展具有重要意义。近几年，我国的许多城市围绕城市森林三维绿量研究做了大量的工作，而传统的立木三维绿量的计算主要包括:
采用“三维激光扫描仪的乔木三维绿量测定方法”，即利用三维激光扫描系统所获得的点云数据进行求算，形成完整单株乔木树冠点云数据，然后沿竖直方向由树顶至树冠底部按高度h分割成I个圆锥和η个圆台，按照等距计算不规则面的面积，从而得到I个圆锥和η个圆台的体积总和，再计算得到单株乔木的三维绿量。但是，三维激光扫描仪成本高，而且，树木是非封闭可穿透的物体，激光会穿透树木无法返回信号或返回错误的信号。另外，为了保证精度，需要从点云数据中，人工提取树冠表面的点来构TIN，其中，I棵树的点云数据几万到上百万不等，在实际测量中，这一方法无疑是不现实。再者，树木的生长受到各种自然条件以及环境因素的影响，树冠形状差别巨大，采用将树冠视为圆柱体或锥体等简单的几何体来拟合不规则的树冠体积，误差严重。采用叶面积的总量，通过大量实地测定叶面积与胸径、冠高或冠幅的相关关系，建立不同植株个体绿量的回归模型；最后根据城市绿地植物的组成结构、植株大小，应用回归模型计算城市绿地三维绿量。如陈自新等通过建立城市主要绿化树种叶面积回归方程对北京城市绿地三维绿量进行的系列研究。该方法在测量过程中，主要是传统的测树方法，采用皮尺、目估、测高仪等方法测量树高、冠幅等树木基础数据，精度较低。采用“以平面量模拟立体量”的方法，通过在彩红外航片上分树种逐株测算绿量的方法，对不同树种，通过回归分析建立冠幅和冠高的相关方程，根据冠幅求出冠高，从而求得树木的树冠体积。采用“立体摄影测量”方法，即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，并判断出植被的类型，根据一定的绿量计算经验公式计算三维绿量。但是，摄影测量，需要2部相机同时对树木进行拍照，相机的焦距有限，如果树木较大，难以测量到树木的全貌，而且成本较高。总的来说，现有的方法都存在工作量大、精度低等问题。因此，为了克服现有的方法在森林立木三维绿量测定过程中不可避免地带来的很多麻烦，并提高工作效率，如何引入新的实用化的绿量测量技术和方法，以提高树木测量的效率，是三维绿量测定的关键问题。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于，提供一种树木三维绿量测量方法及系统，可利用无棱镜全站仪高精度、高效率地采集目标树木的采样点信息，并通过绿量计算器计算三维绿量，将采样点分层处理，结合弧段多边形，分别计算重叠区所形成的树冠体积及非重叠区所形成的树冠体积，并累加为树冠总体积，精确度高。为了解决上述技术问题，本发明提供了一种树木三维绿量测量方法，包括:绿量计算器获取无棱镜全站仪实时采集的采样点信息，所述采样点信息包括采样点坐标及层数，所述采样点坐标包括X轴 坐标、Y轴坐标、Z轴坐标；提取层数相同的采样点组合图层，根据图层内的采样点坐标生成弧段多边形；计算相邻图层中，上图层的弧段多边形的投影与下图层的弧段多边形的重叠区所形成的树冠体积；计算相邻图层中，上图层的弧段多边形的投影与下图层的弧段多边形的非重叠区所形成的树冠体积；计算树冠总体积，所述树冠总体积为重叠区所形成的树冠体积与非重叠区所形成的树冠体积之和。作为上述方案的改进，所述根据图层内的采样点坐标生成弧段多边形的步骤包括:根据所述采样点坐标中的X轴坐标及Y轴坐标，将采样点绘于同一图层内，连结采样点，组合成线段多边形；获取预设的样品参数N，计算所述相邻的采样点间的弦长L及所述相邻的采样点间对应的弧段的弦高D，所述弦高D=NXL;计算由相邻的三个采样点依次相连而成的内角的角度，所述三个采样点依次为起点、中点、终点；判断所述内角的角度是否大于180°，判断为是时，则所述中点与终点间对应的弧段为凹弧，判断为否时，则所述中点与终点间对应的弧段为凸弧；根据所述弦高D、弦长L及弧段的凹凸性生成所述相邻的采样点间的弧段，连结采样点，组合成弧段多边形。作为上述方案的改进，所述计算相邻图层中，上图层的弧段多边形的投影与下图层的弧段多边形的重叠区所形成的树冠体积的步骤包括:计算相邻图层中，上图层的弧段多边形的投影与下图层的弧段多边形的重叠区的面积S ;计算相邻图层间的距离H ;计算重叠区所形成的树冠体积V。，所述Ve=SXHo作为上述方案的改进，所述计算相邻图层中，上图层的弧段多边形的投影与下图层的弧段多边形的非重叠区所形成的树冠体积的步骤包括:计算上图层的弧段多边形的投影与下图层的弧段多边形的交点；根据所述交点，将上图层的弧段多边形的投影与下图层的弧段多边形的非重叠区划分为子区间，所述子区间由外弧段及内弧段组成；在所述外弧段及内弧段所对应图层的相应弧段上设置内插点，其中，所述外弧段所对应图层的相应弧段上设置的内插点为外弧内插点，所述内弧段所对应的图层的相应弧段上设置的内插点为
内弧内插点，所述外弧内插点与所述内弧内插点--对应；连结所述外弧内插点与内弧内
插点，生成树冠外表面；计算由所述树冠外表面与重叠区所形成的树冠的外表面组合而成的非重叠区所形成的树冠体积。
作为上述方案的改进，所述根据图层内的采样点坐标生成弧段多边形的步骤之前还包括:判断所述采样点是否异常，判断为是时，对所述采样点进行异常处理；所述异常处理包括删除异常的采样点、生成提示信号以提醒用户重新采集采样点。相应地，本发明还提供了一种树木三维绿量测量系统，包括:无棱镜全站仪，用于实时采集目标树木的采样点信息，所述采样点信息包括采样点坐标及层数，所述采样点坐标包括X轴坐标、Y轴坐标、Z轴坐标；绿量计算器，用于根据所述无棱镜全站仪实时采集的采样点信息计算树木三维绿量。作为上述方案的改进，所述绿量计算器包括:获取单元，用于获取无棱镜全站仪实时采集的采样点信息，所述采样点信息包括采样点坐标及层数，所述采样点坐标包括X轴坐标、Y轴坐标、Z轴坐标；与所述获取单元相连的多边形构建单元，用于提取层数相同的采样点组合图层，根据图层内的采样点坐标生成弧段多边形；与所述多边形构建单元相连的第一计算单元，用于计算相邻图层中，上图层的弧段多边形的投影与下图层的弧段多边形的重叠区所形成的树冠体积；与所述多边形构建单元相连的第二计算单元，用于计算相邻图层中，上图层的弧段多边形的投影与下图层的弧段多边形的非重叠区所形成的树冠体积；与所述第一计算单元及第二计算单元分别相连的第三计算单元，用于根据所述第一计算单元及第二计算单元的计算结果计算树冠总体积。作为上述方案的改进，所述第一计算单元包括:面积计算子单元，用于计算相邻图层中，上图层的弧段多边形的投影与下图层的弧段多边形的重叠区的面积S ;间距计算子单元，用于计算相邻图层间的距离H ;重叠区体积计算子单元，计算重叠区所形成的树冠体积 V。，所述 Ve=S X H。作为上述方案的改进，所述第二计算单元包括:交点计算子单元，用于计算上图层的弧段多边形的投影与下图层的弧段多边形的交点；区间划分子单元，用于根据所述交点，将上图层的弧段多边形的投影与下图层的弧段多边形的非重叠区划分为子区间，所述子区间由外弧段及内弧段组成；内插点设置子单元，用于在所述外弧段及内弧段所对应图层的相应弧段上设置内插点，其中，所述外弧段所对应图层的相应弧段上设置的内插点为外弧内插点，所述内弧段所对应的图层的相应弧段上设置的内插点为内弧内插点，所述外弧内插点与所述内弧内插点 对应；树冠外表面生成子单兀，用于连结所述外弧内插点与内弧内插点，生成树冠外表面；非重叠区体积计算子单元，用于计算由所述树冠外表面与重叠区所形成的树冠的外表面组合而成的非重叠区所形成的树冠体积。实施本发明实施例，具有如下有益效果:
可在地形复杂的条件下，利用无棱镜全站仪高精度、高效率地采集目标树木的采样点信息，同时，可根据实际情况选择采样点，无需处理上百万的点云数据。其中，无棱镜全站仪具有测量精度高、测量速度快、测量距离远等优点，特别适合于人员无法到达的地区，受地形影响小，实现了“所瞄即所测”，效率高，适用范围广，安全性好，操作简单。另外，绿量计算器的自动计算，免去了手工计算出图，减少了工作量，提高了工作效率。计算三维绿量时，绿量计算器获取无棱镜全站仪实时采集的采样点信息，根据层数，将采样点划分为独立的层，并构建弧段多边形。以两相邻的上、下图层为单位，分别计算上图层的弧段多边形的投影与下图层的弧段多边形的重叠区所形成的树冠体积、上图层的弧段多边形的投影与下图层的弧段多边形的非重叠区所形成的树冠体积，将各图层间的树冠体积累加起来，即为树冠总体积，这比用树冠模拟成圆台体或圆锥体等规则的几何体来计算不规则树冠的体积，所得体积精度更高。
图1是本发明用一种树木三维绿量测量方法的第一实施例流程图示意 图2是图1中根据图层内的采样点坐标生成弧段多边形的流程图示意 图3是图1中计算相邻图层中，上图层的弧段多边形的投影与下图层的弧段多边形的重叠区所形成的树冠体积的流程图示意 图4是图1中计算相邻图层中，上图层的弧段多边形的投影与下图层的弧段多边形的非重叠区所形成的树冠体积的流程图示意 图5是本发明用一种树木三维绿量测量系统的结构示意 图6是本发明用一种树木三维绿量测量系统中绿量计算器的结构示意 图7是图6中第一计算单元的结构示意 图8是图6中第二计算单元的结构示意 图9是线段多边形；
图10是图9中线段多边形所对应的弧段多边形；
图11是两相邻图层中两弧段多边形的相交不意 图12是三相邻图层中三弧段多边形的相交示意图。
具体实施例方式为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步地详细描述。图1是本发明用一种树木三维绿量测量方法的第一实施例流程图示意图，包括: S100，绿量计算器获取无棱镜全站仪实时采集的采样点信息。所述采样点信息包括采样点坐标及层数,所述采样点坐标包括X轴坐标、Y轴坐标、Z轴坐标。需要说明的是，在林区复杂的地形条件中，测区内有陡坡或沟壑无法测量水平距离的情况下，首先观察树冠的伸展情况和通视程度，初步选取树冠在各个方向的最大伸展处作为要测量的采样点，再根据树冠的外形和凹凸点分布情况选确定最终的采样点。另外，由于地形、通视情况等因素影响，往往需要布设多个控制点，并在近地面风速小于0.5m/s时，实现激光对准所测树种的情况下，从不同角度对树冠进行测量。部分叶片厚重的树木，可以在风速小于lm/s时进行测量。测量时，测量人员将目标树木进行分层处理，一般根据树木的形状和高度分层，大致可分4-10层，同一层中所选取的采样点高程的最大值和最小值之差不能超过20cm。每层根据冠幅的大小，测7-15个采样点左右,并顺时针或逆时针记录每一层点的坐标。S101，提取层数相同的采样点组合图层。根据无棱镜全站仪所采集的采样点信息，所述采样点信息包括采样点坐标及层数，因此，可根据层数，将采样点划分为多个图层，其中，每个图层中至少存在7个采样点。更佳地，绿量计算器对采样点进行图层划分后，还需对采样点进行异常检测以判断所述采样点是否异常，判断为是时，对所述采样点进行异常处理。所述异常处理包括删除异常的采样点、生成提示信号以提醒用户重新采集采样点。需要说明的是，当判断出同一层的采样点数小于7个、同一层中所选取的采样点高程的最大值和最小值之差超过20cm，生成提示信号以提醒用户重新采集采样点；当判断出采样点为飞点(激光没打到叶子上)时，删除所述采样点，或生成提示信号以提醒用户重新采集采样点。另外，一般如果树冠形状呈明显的锥形，则将最高点独立设为一层，此时，最高层仅有唯一的一个采样点。S102，根据图层内的采样点坐标生成弧段多边形。绿量计算器对图层内的采样点进行处理，根据采样点坐标中的X轴坐标、Y轴坐标生成具有凹弧、凸弧的弧段多边形，更接近树冠投影的形状，大大提高了测量的精度。S103，计算相邻图层中，上图层的弧段多边形的投影与下图层的弧段多边形的重叠区所形成的树冠体积。S104，计算相邻图层中，上图层的弧段多边形的投影与下图层的弧段多边形的非重叠区所形成的树冠体积。需要说明的是，进行三维绿量计算时，以相邻的上、下两个图层为单位，计算两图层间的所形成的树冠体积。其中，将上图层的弧段多边形投影至下图层时，上图层的弧段多边形的投影与下图层的弧段多边形会形成重叠区及非重叠区。因此，上图层的弧段多边形与下图层的弧段多边形所形成的树冠体积包括重叠区所形成的树冠体积及非 重叠区所形成的树冠体积。S105，计算树冠总体积，所述树冠总体积为重叠区所形成的树冠体积与非重叠区所形成的树冠体积之和。计算树冠总体积时，需将各图层间重叠区所形成的树冠体积及非重叠区所形成的树冠体积进行累加。图2是图1中根据图层内的采样点坐标生成弧段多边形的流程图示意图，包括: S200,根据所述采样点坐标中的X轴坐标及Y轴坐标，将采样点绘于同一图层内，连结
采样点，组合成线段多边形。确定采样点后，利用无棱镜全站仪顺时针或逆时针测量每一层采样点的三维坐标。绿量计算器根据图层中的采样点，依次提取采样点坐标中的X轴坐标及Y轴坐标，根据X轴坐标及Y轴坐标将所述采样点绘于同一图层内，并依据测量顺序通过线段形式将相邻的采样点两两相连，形成线段多边形。例如，测量人员根据树冠总体生长态势，将目标树木划分为独立的图层，其中，图层 A 内共有 7 个采样点，分别为 g030111、g030112、g030113、g030114、g030115、g030116、g030117，利用无棱镜全站仪顺时针测量采样点的三维坐标，采样点的三维坐标数据如表I(单位cm)所示。表I
名称 X轴坐标 Y轴坐标 Z轴坐标 g030111 49083.932 19649.779 10.59 g030112 |49081.282 119648.144 | 0.53权利要求
1.一种树木三维绿量测量方法，其特征在于，包括: 绿量计算器获取无棱镜全站仪实时采集的采样点信息，所述采样点信息包括采样点坐标及层数，所述采样点坐标包括X轴坐标、Y轴坐标、Z轴坐标； 提取层数相同的采样点组合图层，根据图层内的采样点坐标生成弧段多边形； 计算相邻图层中，上图层的弧段多边形的投影与下图层的弧段多边形的重叠区所形成的树冠体积； 计算相邻图层中，上图层的弧段多边形的投影与下图层的弧段多边形的非重叠区所形成的树冠体积； 计算树冠总体积，所述树冠总体积为重叠区所形成的树冠体积与非重叠区所形成的树冠体积之和。
2.如权利要求1所述的树木三维绿量测量方法，其特征在于，所述根据图层内的采样点坐标生成弧段多边形的步骤包括: 根据所述采样点坐标中的X轴坐标及Y轴坐标，将采样点绘于同一图层内，连结采样点，组合成线段多边形； 获取预设的样品参数N，计算所述相邻的采样点间的弦长L及所述相邻的采样点间对应的弧段的弦闻D,所述弦闻D=NX L ； 计算由相邻的三个采样点依次相连而成的内角的角度，所述三个采样点依次为起点、中点、终点； 判断所述内角的角度是否大于180°，判断为是时，则所述中点与终点间对应的弧段为凹弧，判断为否时，则所述中点与终点间对应的弧段为凸弧； 根据所述弦高D、弦长L及弧段的凹凸性生成所述相邻的采样点间的弧段，连结采样点，组合成弧段多边形。
3.如权利要求1所述的树木三维绿量测量方法，其特征在于，所述计算相邻图层中，上图层的弧段多边形的投影与下图层的弧段多边形的重叠区所形成的树冠体积的步骤包括: 计算相邻图层中，上图层的弧段多边形的投影与下图层的弧段多边形的重叠区的面积S ； 计算相邻图层间的距离H; 计算重叠区所形成的树冠体积V。，所述V^SXH。
4.如权利要求3所述的树木三维绿量测量方法，其特征在于，所述计算相邻图层中，上图层的弧段多边形的投影与下图层的弧段多边形的非重叠区所形成的树冠体积的步骤包括: 计算上图层的弧段多边形的投影与下图层的弧段多边形的交点； 根据所述交点，将上图层的弧段多边形的投影与下图层的弧段多边形的非重叠区划分为子区间，所述子区间由外弧段及内弧段组成； 在所述外弧段及内弧段所对应图层的相应弧段上设置内插点，其中，所述外弧段所对应图层的相应弧段上设置的内插点为外弧内插点，所述内弧段所对应的图层的相应弧段上设置的内插点为内弧内插点，所述外弧内插点与所述内弧内插点--对应； 连结所述外弧内插点与内弧内插点，生成树冠外表面；计算由所述树冠外表面与重叠区所形成的树冠的外表面组合而成的非重叠区所形成的树冠体积。
5.如权利要求Γ4任一项所述的树木三维绿量测量方法，其特征在于，所述根据图层内的采样点坐标生成弧段多边形的步骤之前还包括: 判断所述采样点是否异常，判断为是时，对所述采样点进行异常处理； 所述异常处理包括删除异常的采样点、生成提示信号以提醒用户重新采集采样点。
6.一种树木三维绿量测量系统，其特征在于，包括: 无棱镜全站仪，用于实时采集目标树木的采样点信息，所述采样点信息包括采样点坐标及层数，所述采样点坐标包括X轴坐标、Y轴坐标、Z轴坐标； 绿量计算器，用于根据所述无棱镜全站仪实时采集的采样点信息计算树木三维绿量。
7.如权利要求6 所述的树木三维绿量测量系统，其特征在于，所述绿量计算器包括: 获取单元，用于获取无棱镜全站仪实时采集的采样点信息，所述采样点信息包括采样点坐标及层数，所述采样点坐标包括X轴坐标、Y轴坐标、Z轴坐标； 与所述获取单元相连的多边形构建单元，用于提取层数相同的采样点组合图层，根据图层内的采样点坐标生成弧段多边形； 与所述多边形构建单元相连的第一计算单元，用于计算相邻图层中，上图层的弧段多边形的投影与下图层的弧段多边形的重叠区所形成的树冠体积； 与所述多边形构建单元相连的第二计算单元，用于计算相邻图层中，上图层的弧段多边形的投影与下图层的弧段多边形的非重叠区所形成的树冠体积； 与所述第一计算单元及第二计算单元分别相连的第三计算单元，用于根据所述第一计算单元及第二计算单元的计算结果计算树冠总体积。
8.如权利要求7所述的树木三维绿量测量系统，其特征在于，所述第一计算单元包括: 面积计算子单元，用于计算相邻图层中，上图层的弧段多边形的投影与下图层的弧段多边形的重叠区的面积S ; 间距计算子单元，用于计算相邻图层间的距离H ； 重叠区体积计算子单元，计算重叠区所形成的树冠体积\，所述V^S X H。
9.如权利要求7所述的树木三维绿量测量系统，其特征在于，所述第二计算单元包括: 交点计算子单元，用于计算上图层的弧段多边形的投影与下图层的弧段多边形的交占.区间划分子单元，用于根据所述交点，将上图层的弧段多边形的投影与下图层的弧段多边形的非重叠区划分为子区间，所述子区间由外弧段及内弧段组成； 内插点设置子单元，用于在所述外弧段及内弧段所对应图层的相应弧段上设置内插点，其中，所述外弧段所对应图层的相应弧段上设置的内插点为外弧内插点，所述内弧段所对应的图层的相应弧段上设置的内插点为内弧内插点，所述外弧内插点与所述内弧内插点--对应； 树冠外表面生成子单元，用于连结所述外弧内插点与内弧内插点，生成树冠外表面；非重叠区体积计算子单元，用于计算由所述树冠外表面与重叠区所形成的树冠的外表面组合而成的非重叠区所形成的树冠体积。
全文摘要
本发明公开了一种树木三维绿量测量方法，包括绿量计算器获取无棱镜全站仪实时采集的采样点信息；提取层数相同的采样点组合图层，根据图层内的采样点坐标生成弧段多边形；计算相邻图层中，上图层的弧段多边形的投影与下图层的弧段多边形的重叠区所形成的树冠体积；计算相邻图层中，上图层的弧段多边形的投影与下图层的弧段多边形的非重叠区所形成的树冠体积；计算树冠总体积，所述树冠总体积为重叠区所形成的树冠体积与非重叠区所形成的树冠体积之和。本发明还公开了一种树木三维绿量测量系统。采用本发明，可将无棱镜全站仪所采集的采样点分层处理，结合弧段多边形，分别计算重叠区所形成的树冠体积及非重叠区所形成的树冠体积，精确度高。
文档编号G01B21/00GK103185557SQ201210285869
公开日2013年7月3日 申请日期2012年8月13日 优先权日2012年8月13日
发明者谢鸿宇, 杨木壮, 徐峰, 李长辉, 李展聪, 唐雪锋, 张泳茵 申请人:谢鸿宇