三维激光扫描技术在树木信息获取中的应用

作者简介：方帅，男，1991-10，土家，湖北省长阳县，大专，市政公用工程中级工程师，研究方向：新型测绘

摘要：随着无人机技术的快速发展，三维激光扫描技术在森林生态研究中的应用逐渐得到重视。本研究从三维激光扫描技术的基本原理出发，分析其在树木信息获取中的理论需求，探讨无人机平台结合激光扫描技术的优势及应用过程。无人机平台的灵活性和高效性使其成为树木信息采集的理想工具，而三维激光扫描技术则通过高精度点云数据的获取，有效提高了树木信息的采集效率和精度。本文深入分析了在复杂森林环境下，如何利用无人机平台克服激光信号反射、遮挡等技术难题，确保数据的准确性。研究结果表明，三维激光扫描技术结合无人机平台在树木信息采集中展现出巨大的应用潜力，能够为森林资源管理提供可靠的技术支持。

关键词：三维激光扫描技术；树木信息获取；无人机平台；森林生态监测

1.引言

随着森林资源管理和生态监测需求的不断增加，传统的树木信息采集方法逐渐暴露出效率低、精度差和高成本等局限性。三维激光扫描技术因其能够精确获取物体表面几何信息的优势，已广泛应用于各类地理信息采集领域，特别是在复杂的森林环境中，能够克服传统方法的不足。无人机技术的快速发展为三维激光扫描技术提供了更为灵活、高效的平台，结合无人机平台的高空视角和灵活性，能够在更短时间内覆盖更广泛的区域并提升了树木信息采集的效率和精度。

2.三维激光扫描技术概述

2.1 三维激光扫描技术的基本原理

三维激光扫描技术是一种基于激光束发射与接收的测量技术，通过激光束的反射时间来获取目标物体表面的距离信息。激光扫描仪通常包含激光发射器、接收器、扫描器以及定位装置。激光束通过发射器发射到目标物体表面，反射回接收器。激光扫描仪记录激光束的飞行时间，从而计算出到物体表面的距离[1]。由于光速是已知的，所以可以根据飞行时间计算出每个测量点到扫描仪的精确距离来获得一个高精度的点云数据。

点云数据是由扫描仪通过不断改变扫描角度获取的，点云数据的每个点都包含空间中的三维坐标（X、Y、Z）。这种方式能够快速、准确地获取物体表面在三维空间中的几何形状。三维激光扫描仪能够进行快速的空间扫描，通过逐步扫描物体表面的各个部位，生成密集的点云数据。这些点云数据不仅仅表示物体表面的位置，还包含了丰富的表面信息，如凹凸、结构变化等。点云数据的三维重建是通过采集到的点云数据，利用计算机软件可以生成目标物体的三维模型。点云重建过程中，需要对点云数据进行预处理并利用点云配准技术将来自不同角度扫描的数据进行融合，形成一个完整的三维模型。

2.2 三维激光扫描技术的核心特点

激光扫描仪的测距精度可以达到毫米级，且能够精确捕捉物体表面的几何形态，特别适合用于需要高精度空间数据采集的应用场景。在复杂的森林环境中，激光扫描技术可以快速获取大量的点云数据，避免了人工逐点测量所需的时间和劳动力。激光扫描技术的实时性进一步提升了其在动态环境中的应用效果，可以实时获取扫描数据，极大地提高了数据采集的效率和精度。此外，激光扫描仪能够全面获取物体表面的几何信息，对于复杂形状和高分辨率的目标物体尤其有效。与传统方法相比，激光扫描能够更好地应对遮挡、复杂地形和多种表面材质等因素，提供更全面、更精细的数据[2]。

2.3 激光扫描数据处理技术

点云数据本身是由激光扫描仪获取的空间坐标数据集合，通常包含大量的冗余点和噪声数据，处理这些数据是数据利用的前提。由于激光扫描仪通常采用多个视角进行扫描，采集的数据在空间中可能存在位置上的差异。点云配准技术通过算法将来自不同角度或不同位置的点云数据精确对齐，确保所有点云数据能够准确表示同一物体的表面。常见的点云配准方法包括基于特征的匹配方法和迭代最近点（ICP）算法。ICP算法通过最小化点云间的距离差异，使得多个点云数据能够在三维空间中精确对齐，得到统一的点云集。

点云数据中常常包含一些噪声点和不必要的冗余数据，这些噪声点可能来源于测量误差、光照变化或物体表面反射特性等。通过统计滤波、基于邻域的滤波以及基于模型的去噪方法，可以有效去除一些无关的、错误的点，提高数据的质量和精度。点云精简技术选择性地保留有代表性的点并剔除冗余点或低精度点来降低数据的存储和处理需求。点云重建过程可以从离散的点云中提取物体的表面形状并将这些点转化为可视化的三维模型。常见的重建方法有表面重建算法，如Delaunay三角剖分、泊松重建等，采用这些方法连接相邻的点并生成三角网格，可以进一步构建物体的三维表面为后续的分析和应用提供基础数据。

3.三维激光扫描技术在树木信息获取中的应用

作为一种高效的数据采集手段，利用无人机平台进行树木信息获取已成为一种重要的技术手段。三维激光扫描技术利用激光束发射与反射原理，能够精确测量树木的三维空间位置和形态特征。无人机平台作为扫描系统的载体，能够灵活地在森林等复杂环境中飞行，通过搭载激光扫描仪快速扫描目标区域来获取树木的精确三维点云数据。同时，通过激光束发射与反射，实时记录树木表面各个部位的反射信号来获得树木的三维坐标信息。这些点云数据能够描述树木的几何形态，并通过数据处理提取树木的高度、冠幅、胸径等生长特征，为森林资源的监测与管理提供精准的数据支持。通过对激光点云数据的处理与分析，能够有效实现树木的三维重建，为森林健康状况评估、森林碳储量计算等提供基础数据[3]。三维激光扫描技术与无人机平台的结合，使得大规模森林地区的树木信息采集成为可能，相比传统的人工测量方法，可以在不接触树木，不伤及树木本身的情况下具有较高的采集效率与较低的成本，尤其在复杂地形、密集森林等环境中，表现出独特的优势。

然而，尽管三维激光扫描技术能够提供高精度的树木信息，但其应用过程也面临着一些挑战，尤其是在数据采集的精度和完整性方面。森林环境中树木的分布密度、树冠的遮挡效应以及激光信号的反射特性都会影响激光扫描仪获取的点云数据质量。树木间的相互遮挡可能导致部分区域的激光信号无法覆盖，产生数据空白区，这就需要通过优化飞行路径、调整扫描角度等手段，确保数据的全面性和准确性。激光扫描仪的反射强度受树木表面特性的影响较大，不同树种的树干、树叶等表面的反射强度差异，可能导致点云数据的精度波动，所以，数据处理阶段需要采用噪声去除、数据配准等技术，修正点云数据中的不确定性。此外，无人机平台在森林中飞行时，由于风速、气流等外界环境因素的影响，可能导致飞行路径偏离或扫描角度不准确，从而影响数据的精确性。所以，在实际应用中，需要结合高精度的导航与定位系统（如RTK技术）、定姿系统（IMU），实时监控飞行状态，并对数据进行动态调整与优化来有效提升数据采集的精度和可靠性。通过对三维激光扫描技术与无人机平台的结合应用，能够在不同的环境条件下高效、准确地获取树木的空间信息，并为生态环境监测、森林资源管理等提供理论与技术支持。

4.结语

三维激光扫描技术能够在复杂地形环境中高精度获取树木的空间信息，尤其是在森林密集、地形复杂的地区，其优势尤为突出。无人机作为数据采集平台，通过灵活的飞行控制与高效的激光扫描仪协同工作，能够快速完成大范围区域的树木信息采集。在实际应用过程中，飞行规划、数据处理等环节都需要精确的技术支持，以确保数据的全面性与高精度。综上，三维激光扫描技术结合无人机平台，能够为树木信息获取提供科学的理论基础和技术保障，不仅提升了数据采集效率，也为后续的生态监测与资源管理提供了可靠的数据支持。

参考文献

[1]范树信，邢金鹏，渠忠伟，等. 三维激光扫描技术在轮毂检测中的应用 [J]. 机械工程师， 2024， （11）： 10-13.

[2]杨斌，庞正芳，庞正辉. 三维激光扫描技术在桥梁合龙中的应用研究 [J]. 城市勘测， 2024， （05）： 169-172.

[3]王统洲. 三维激光扫描技术在历史建筑测绘中的应用 [J]. 经纬天地， 2024， （05）： 72-75+80.