基于三維激光掃描的涉案伐倒木材積測定研究

      1. 南京森林警察學院，江蘇 南京

　　            2. 北京麥格天渱科技發展有限公司，北京

　　                3. 江蘇省南京工程高等職業學校，江蘇 南京

　　            4. 中油（新疆）石油工程有限公司，新疆

　　摘要：利用三維激光掃描系統，獲得伐倒木的整體點云數據，利用點云應用微積填充的方式計算出伐倒木的材積，將計算結果與根據伐倒木求積式計算出的材積結果進行比較。結果表明，激光掃描儀測得的伐倒木材積數據精度、測量效率均比較高，可以滿足林業調查精度的要求，為快速、高效地測定涉案伐倒木材積提供了技術支持。

　　“國家林業局、公安部關于森林和陸生野生動物刑事案件管轄及立案標準”“最高人民法院關于審理破壞森林資源刑事案件具體應用法律若干問題的解釋”等相關法律規定，林木材積是盜伐、濫伐林木等森林案件定性處罰的主要依據。

　　在森林案件現場, 被盜伐、濫伐林木多呈伐倒木狀態,伐倒木材積計算公式較多,使用公式計算時，需要逐株測量相關因子，測量需要的時間較長，個別公式的計算過程較繁瑣，影響了辦理案件的效率。探討應用三維激光掃描方法測定涉案伐倒木的材積，提高測定的精度和效率具有非常重要的現實意義。

　　三維激光掃描儀的工作原理

　　三維激光掃描儀是通過其新型的掃描技術實現非接觸式的快速測量方式，以其每秒高達百萬點的速度快速獲取大空間內場景數據[1-3]。三維激光掃描儀主要由掃描儀（見圖1）、控制器（計算機）和電源供應系統三部分組成。掃描儀主要由一臺快速準確的激光測距儀加上一組可導引激光以等速度掃描的反射鏡及數碼相機組成。

　　圖1 Trimble TX8靜態三維激光掃描儀

　　在三維激光掃描儀內，通過兩個同步反射鏡快速有序地旋轉，將激光脈沖發生器發出的窄束激光脈沖依次掃過被測區域，測量每個激光脈沖從發出經被測物表面再反射回儀器所經過的時間（或相位差）來計算距離（見圖2），同時掃描控制模塊控制和測量每個脈沖激光的角度，最后計算出激光點在被測物體上的三維坐標。

　　圖2  三維激光掃描儀工作原理示意

　　外業采集與內業處理結果分析

　　三維激光掃描儀法計算伐倒木材積的外業采集與處理分析

　　使用TrimbleTX8分別對室內外的伐倒木進行現場掃描。（見圖3，4）

　　圖3  室內現場掃描圖像

　　圖4  室外現場掃描圖像

　　在外業掃描的基礎上，獲得伐倒木室內點云灰色編碼顯示圖及室外點云色彩編碼顯示圖。（見圖5，6）

　　圖5  室內點云灰色編碼顯示示意

　　對掃描結果進行數據處理，三維激光掃描由點云計算材積。

　　圖6  三維激光掃描由點云計算材積示意

　　選取掃描效果較好的伐倒木計算材積，不同伐倒木材積測量結果見表1，2。

　　表1  三維激光掃描測定伐倒木材積結果（室內）

　　表2  三維激光掃描法測定伐倒木材積結果（室外）

　　三維激光掃描法計算的材積結果與常規公式法計算材積比較分析

　　對不同伐倒木材積公式計算的材積結果與三維激光掃描儀法計算的材積結果進行比較（見圖7，8）。

　　圖7  不同伐倒木材積公式計算結果與三維激光掃描法計算結果比較（室內）

　　圖8  不同伐倒木材積公式計算結果與三維激光掃描法計算結果比較（室外）

　　從圖7，8可以看出，三維激光掃描法計算的結果接近于公式法計算的平均狀態，計算結果能滿足材積計算的結果要求[7]。

　　通過誤差研究分析，使用三維激光掃描法獲得的基本測樹因子具有很高的精度，獲得的材積可以代替伐倒木實測材積，可用于建立林木材積方程，相關軟件可以計算表面非常不規則幾何體的體積，獲得的材積比伐倒木區分求積獲得的材積更準確[8-9]。

　　結論與討論

　　（1）就伐倒木材積計算公式而言，區分求積的方法計算的結果精度高于近似求積式計算的結果，三維激光掃描儀計算材積時，同樣遵循了區分的方法，因此計算結果精度較高。從測量的數據也可以看出，三維激光掃描測定的伐倒木材積與公式法中區分的方法計算的結果更接近。

　　（2）從理論推導，對于同一株樹干上，區分段越短，區分段干形越接近于立體幾何體，其計算材積越精確。但在實際工作中，考慮到測量的工作量，一般區分段不少于5段即可，而使用三維激光掃描儀時，區分段數可以不受限制[10-11]。

　　（3）通過研究發現，利用三維激光掃描技術測得的數據完全能夠滿足林業測量的精度要求。

　　（4）三維激光掃描法計算伐倒木材積具有速度快、效率高的特點，可應用于盜伐林木和濫伐林木等森林案件性處罰的主要依據,提高辦案效率。

　　（5）三維激光掃描的特點是即見則即得，因此掃描時要保證最大限度地掃描到伐倒木的全部，這樣計算的材積結果更精確。

　　（6）掃描時要保證多方位、多角度地掃描，獲得更多的點云數據，提高計算結果的準確度。

　　總之，三維激光掃描儀完全可以應用于林木材積的測定中，并且可以滿足測量精度的要求。三維激光掃描儀有許多優點，其應用是對傳統森林調查方法、技術手段和儀器使用的一次創新和嘗試，特別在森林案件現場復原、痕跡物證的提取和固定具有非常重要的作用，可以推廣使用，擴大三維激光掃描儀的應用范圍。

　　參考文獻

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　　[3] 趙 芳，韋雪花，高 祥，等. 三維激光掃描系統在建立單株立木材積模型中的研究[J]. 山東農業大學學報 ( 自然科學版) ，2013，44（2）:231-238.

　　[4]郭秀榮，吳春峰.基于三維激光掃描儀的立木材積測定方法研究[J].現代科學儀器，2013，4:132-135

　　[5]李炳凱.盜伐、濫伐林木材積測定（之一）[J].林業調查規劃，2004，29（2）：1-4.

　　[6]趙學榮，付文華.林業案件中伐倒木材積測定方法[J].林業調查規劃，2005，30（6）：29-31.

　　[7]劉成林.森林案件涉案伐倒木材積惟一性的探討[J].林業資源管理，2008（5）：122-124.

　　[8]張民俠.森林資源管理概論[M].北京：中國人民公安大學出版社，2015

　　[9]鄧向瑞，馮仲科，羅旭.三維激光掃描系統在林業中的應用研究[J].北京林業大學學報，2005，27（增）：43-47

　　[10]范海英，李暢，趙軍.三維激光掃描系統在精準林業測量中的應用[J].測繪通報，2010，（2）：29-31

　　[11]錢建國，趙軍武，唐為剛.三維激光掃描儀獲取的數據處理與應用研究[J].礦山測量，2009，6（14）：44-46.

　　第一作者：張民俠，女，1970年1月，南京森林警察學院，博士，教授，研究方向：森林資源管理