1. 南京森林警察學院，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準”“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）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(shù)碼相機組成。

　　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。

　　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確[8-9]。

　　結(jié)論與討論

　?。?）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。

　?。?）從理論推導，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]。

　?。?）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。

　?。?）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。

　?。?）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，南京森林警察學院，博士，教授，研究方向：森林資源管理