[发明专利]一种树木三维绿量测量方法及系统

说明书

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1个圆锥和n个圆台，按照等距计算不规则面的面积，从而得到1个圆锥和n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，1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。