1. 南京森林警察學(xué)院，江蘇 南京

　　            2. 北京麥格天渱科技發(fā)展有限公司，北京

　　                3. 江蘇省南京工程高等職業(yè)學(xué)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(tǒng)，獲得伐倒木的整體點云數(shù)據(jù)，利用點云應(yīng)用微積填充的方式計算出伐倒木的材積，將計算結(jié)果與根據(jù)伐倒木求積式計算出的材積結(jié)果進(jìn)行比較。結(jié)果表明，激光掃描儀測得的伐倒木材積數(shù)據(jù)精度、測量效率均比較高，可以滿足林業(yè)調(diào)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(shù)支持。

　　“國家林業(yè)局、公安部關(guān)于森林和陸生野生動物刑事案件管轄及立案標(biāo)準(zhǔn)”“最高人民法院關(guān)于審理破壞森林資源刑事案件具體應(yīng)用法律若干問題的解釋”等相關(guān)法律規(guī)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(jù)。

　　在森林案件現(xiàn)場, 被盜伐、濫伐林木多呈伐倒木狀態(tài),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(guān)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(yīng)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(xiàn)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(shù)實現(xiàn)非接觸式的快速測量方式，以其每秒高達(dá)百萬點的速度快速獲取大空間內(nèi)場景數(shù)據(jù)[1-3]。三維激光掃描儀主要由掃描儀（見圖1）、控制器（計算機(jī)）和電源供應(yīng)系統(tǒng)三部分組成。掃描儀主要由一臺快速準(zhǔn)確的激光測距儀加上一組可導(dǎo)引激光以等速度掃描的反射鏡及數(shù)碼相機(jī)組成。

　　圖1 Trimble TX8靜態(tài)三維激光掃描儀

　　在三維激光掃描儀內(nèi)，通過兩個同步反射鏡快速有序地旋轉(zhuǎn)，將激光脈沖發(fā)生器發(fā)出的窄束激光脈沖依次掃過被測區(qū)域，測量每個激光脈沖從發(fā)出經(jīng)被測物表面再反射回儀器所經(jīng)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(biāo)。

　　圖2  三維激光掃描儀工作原理示意

　　外業(yè)采集與內(nèi)業(yè)處理結(jié)果分析

　　三維激光掃描儀法計算伐倒木材積的外業(yè)采集與處理分析

　　使用TrimbleTX8分別對室內(nèi)外的伐倒木進(jìn)行現(xiàn)場掃描。（見圖3，4）

　　圖3  室內(nèi)現(xiàn)場掃描圖像

　　圖4  室外現(xiàn)場掃描圖像

　　在外業(yè)掃描的基礎(chǔ)上，獲得伐倒木室內(nèi)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(nèi)點云灰色編碼顯示示意

　　對掃描結(jié)果進(jìn)行數(shù)據(jù)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(jié)果見表1，2。

　　表1  三維激光掃描測定伐倒木材積結(jié)果（室內(nèi)）

　　表2  三維激光掃描法測定伐倒木材積結(jié)果（室外）

　　三維激光掃描法計算的材積結(jié)果與常規(guī)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(jié)果與三維激光掃描儀法計算的材積結(jié)果進(jìn)行比較（見圖7，8）。

　　圖7  不同伐倒木材積公式計算結(jié)果與三維激光掃描法計算結(jié)果比較（室內(nèi)）

　　圖8  不同伐倒木材積公式計算結(jié)果與三維激光掃描法計算結(jié)果比較（室外）

　　從圖7，8可以看出，三維激光掃描法計算的結(jié)果接近于公式法計算的平均狀態(tài)，計算結(jié)果能滿足材積計算的結(jié)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(guān)軟件可以計算表面非常不規(guī)則幾何體的體積，獲得的材積比伐倒木區(qū)分求積獲得的材積更準(zhǔn)確[8-9]。

　　結(jié)論與討論

　　（1）就伐倒木材積計算公式而言，區(qū)分求積的方法計算的結(jié)果精度高于近似求積式計算的結(jié)果，三維激光掃描儀計算材積時，同樣遵循了區(qū)分的方法，因此計算結(jié)果精度較高。從測量的數(shù)據(jù)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(qū)分的方法計算的結(jié)果更接近。

　　（2）從理論推導(dǎo)，對于同一株樹干上，區(qū)分段越短，區(qū)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(qū)分段不少于5段即可，而使用三維激光掃描儀時，區(qū)分段數(shù)可以不受限制[10-11]。

　　（3）通過研究發(fā)現(xiàn)，利用三維激光掃描技術(shù)測得的數(shù)據(jù)完全能夠滿足林業(yè)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(yīng)用于盜伐林木和濫伐林木等森林案件性處罰的主要依據(jù),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(jié)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(shù)據(jù)，提高計算結(jié)果的準(zhǔn)確度。

　　總之，三維激光掃描儀完全可以應(yīng)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(yōu)點，其應(yīng)用是對傳統(tǒng)森林調(diào)查方法、技術(shù)手段和儀器使用的一次創(chuàng)新和嘗試，特別在森林案件現(xiàn)場復(fù)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(kuò)大三維激光掃描儀的應(yīng)用范圍。

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