植物表面特征對三維激光點云的影響

1、植物表面特征對三維激光點云的影響摘要 利用Leica C05三維激光掃描儀和南方全站儀以多種特征的植物表面為觀測目標，獲取點云數據和距離參 考值，研究不同植物表面的顏色、粗糙度和測站距離對點云的測距精度和激光回波強度的影響$實驗結果表明：測 站距離小于+00 m時，掃描儀測距誤差為15 mm,超過90 m時，測站距離每增加+0 m,激光點云測距誤差約增 加+ mm；顏色、粗糙度和測站距離對三維激光掃描儀的激光回波強度和測距精度有影響;顏色對激光回波強度的 影響較大，白色的激光回波強度最強，黑色最低，測距精度與激光回波強度有較強的相關性；植物表面粗糙度對激 光回波強度的影響較低，沒有明顯的相關性

2、;植物和非植物的顏色對激光回波強度的影響基本類似$ 關鍵詞 遙感;三維激光掃描儀;點云數據;激光回波強度;測距精度;粗糙度Impact of Plant Surface Features on 3D Laser Point CloudAbstract This study aims to investigate the impacts of plant color， surface roughness， and ranging distance on LiDAR data intensity and ranging accuracy. The multi-featured plant surf

3、ace was measured using a Leica C05 laser scanner and South Total Station. The results demonstrate that the ranging error is + 5 mm when measurng targets within +00 m. When the dstance exceeds 90 m， the rangng error of the laser point cloud ncreases approximately + mm with each increase of +0 m in st

4、aton dstance. Color，surface roughness，and ranging distance affected the L7DAR data 7ntensty and rangng accuracy.The whte color laser had the hghest 7ntensty.There was a strong relationship between LiDAR data intensity and rangng accuracy， but no obvious relationship between surface roughness and L7D

5、AR data 7ntensty.The 7nfluences of plant and non-plant color on L7DAR data 7ntensty were s7mlar.Key wordsremote sensng; 3D laser scanner ； point cloud data ; laser refl ecton strength ； rangng accuracy ;roughnessOCIS codes 280.3640 ； 240.5770 ； +40.3460 ； +20.6660 ； +0.32001引 言三維激光掃描技術是資源監(jiān)測中的一門新興技 術

6、，也是測繪領域中的又一項新技術(+)，發(fā)展迅速， 現已運用于變形監(jiān)測、工程測量、地形測量、古建筑 和文物保護等領域，具有不需要合作目標、高精度、 高密度、高效率、全數字等優(yōu)點(2)$地面三維激光掃 描儀以激光為載體，利用激光束的高速發(fā)射與接收 提供掃描目標高密度點云的三維坐標信息，利用激 光接收機記錄目標的后向散射回波強度(3)$針對三 維激光掃描點云測距精度的影響因素，張永彬等山 研究了距離的影響，測量距離超過一定范圍后精度 明顯下降；高祥偉等()研究了室內目標顏色和粗糙 度的影響，發(fā)現顏色的影響較大而粗糙度的影響較??；蔡越等句認為目標物距離對點云數量的影響較 大，目標物顏色對點云回波強度的

7、影響較大，而粗糙 度對兩者的影響不明顯；李海泉等研究了包括控 制網、標靶測量精度、點云拼接精度、掃描距離及掃 描物回光強度等的影響因素及其控制方法；徐源強 等針對點云序列配準中產生的誤差采用分配誤差 閉合差的方法來提高點云精度；曹先革等研究了 掃描距離、物體表面材質、控制網、標靶測量精度、光 斑大小以及環(huán)境因素對三維激光掃描精度的影響& 隨著精準林業(yè)的發(fā)展，三維激光掃描儀被逐步引 入林業(yè)測量中，蔡越等通過構建不同年齡竹稈節(jié) 間與激光強度的模型，準確判別出毛竹年齡。另有諸 多學者利用點云數據構建樹木生長模型。本研究利 用Leica C05三維激光掃描儀，以多種植物的局部表 面為目標，研究不同測站

8、距離、不同植物表面特征(顏 色、粗糙度)對點云測距精度和回波強度的影響，為三 維激光掃描儀在林業(yè)測繪中的應用提供參考&2儀器設備2. 1 Leica C05三維激光掃描儀及點云數據測量試驗采用的Leica C05三維激光掃描儀是瑞士 Leica公司的一體化高效掃描儀11,性能特點為緊 湊型、脈沖式、綠色激光，中心波長為532 nm,掃描 速率為50000 dofs1,點位單次測量精度為 6 mm,單點測距精度為4 mm&Leica C05三維激光掃描儀采用的是飛行時間 (0F)脈沖測距法12A13，即激光脈沖由激光發(fā)射器 發(fā)射后，由伺服馬達帶動的反射棱鏡引導至物體，經 物體反射后回到儀器的接收

9、器中，記錄發(fā)射激光到 接收反射激光的時間，用于計算距離S,再根據控制 編碼器獲得激光橫向、縱向的掃描角度，記為a與 們三維激光掃描測量一般使用儀器內部坐標系統(tǒng), X軸和丫軸在橫向掃描面內相互垂直U軸與橫向 掃描面垂直&由此可得三維激光腳點P的點云三 維坐標(6 ? , : , =?),其中 6? = S cos ( f cos a、 :? = # cos (sin a、= ? = # sin (&根據掃描點的激 表1 光回波強度，給掃描點匹配顏色，并將其繪制在顯示 器上，形成密集的點云&2.2 NTS全站儀南方測繪儀器有限公司NTS-342R型全站 儀14,采用電子測角、光電測距、微處理器、機

10、載軟 件的組合，屬于智能光電測量儀器組合，具備新型激 光測距頭、雙軸液體光電式電子自動補償器、溫度氣 壓自動補償器&無棱鏡時，最大測程為500 m,測距 精度為(5 +2X106) mm,測角精度為2。3數據采集3.1觀測目標Observed objectColorRoughnessObserved objectCoorRoughnessSalix babylonica !.GreenSmoothUlmus pumilavar pendulaGreenRoughPhotinia serrulataRedSmoothPrunus ceraiifera EhrhRedRoughSelaginell

11、a uncina+aBlueSmoothBlue wallB ueRoughMichelia chapensis DandyBlackSmoothCar yaBlackRoughMicheiia alba DC.WhiteSmoothGinkgo biioba !.BlackRoughPhyostachys eduisGreenSmoothMoso bamboo shootBrownRough植物觀測目標及其特征Table 1 Plant objects observed and its features在野外，選取不同顏色、不同粗糙度、不同測站 距離的植物葉片或樹皮(柳樹葉Salix bab

12、ylonica !.，大葉垂榆葉 Ulmus pumilavar pendula ,紅葉 石楠嫩葉Photinia serrulata ,紅葉李樹皮Prunus ceraiifrra Ehrh，翠云草 Seiagineiia uncinata，含笑 樹皮 Micheiia chapeniis Dandy ,山核 桃樹皮 Car ya，白玉蘭花 Micheiia alba DC.，銀杏樹皮 Ginkgo biioba !.，毛竹竹竿 Phyiiostachys eduiis , 毛竹筍)作為目標物(見表1)。顏色有綠色、黑色、 紅色、藍色和白色，基本涵蓋了植物表面的主要顏 色，其中在試驗區(qū)內沒有

13、找到藍色粗糙表面的植物, 為了對比分析，增選藍色涂料墻面為觀測目標&粗 糙度根據手感，Observed objectColorRoughnessObserved objectCoorRoughnessSalix babylonica !.GreenSmoothUlmus pumilavar pendulaGreenRoughPhotinia serrulataRedSmoothPrunus ceraiifera EhrhRedRoughSelaginella uncina+aBlueSmoothBlue wallB ueRoughMichelia chapensis DandyBlackSmo

14、othCar yaBlackRoughMicheiia alba DC.WhiteSmoothGinkgo biioba !.BlackRoughPhyostachys eduisGreenSmoothMoso bamboo shootBrownRough植物觀測目標及其特征Table 1 Plant objects observed and its features為了對比植物表面顏色對激光回波強度的影 響，在室內選擇5種顏色（白、黑、紅、藍和綠）的紙質 墻面作為非植物觀測目標，測站距離為30 m,材質 較光滑。3.2試驗數據采集為了消除高度角對激光回波強度的影響，在藍 色墻面上將+0個鏤空

15、的白色小紙片按不同高度分 別粘貼在墻上，設置3個不同距離的測站，用于解算 激光回波強度的改正模型10 Is = J + XP- P）的系數&K*, K+, K#,，K/，經過 多項式模型改正后的激光回波強度值只與掃描植物 表面特性有關以山核桃樹干為觀測目標，在E 130 m范圍內選定+3個測站點，在選定的測站點 上，架設Leica三維激光掃描儀，使其按設置的分辨 率掃描，研究距離對激光測距精度的影響為了減少試驗期間室外溫度、濕度和光照等 外界環(huán)境因子的變化和各種光源等對激光的干 擾，試驗時間選擇天氣晴朗的傍晚，提前布設好測 站點標記和觀測目標標記，點云數據采集在較短 時間內一次性完成，以高分辨

16、率和低分辨率各掃 描一次%3.3參考數據采集利用2級全站儀以無棱鏡模式測定目標物正 方形標記中心點的三維坐標值在和三維激光掃描 儀同樣的測站點上安置全站儀后，采用與掃描儀相 同的假定坐標系，分別多次測量觀測目標標記中心 點的三維坐標，取其均值作為參考值多次測量粗 糙目標表面時，有意地在標記框中心四周的較小范 圍內，通過微動螺旋改變視準軸十字絲中心瞄準的 位置，以消除因目標表面的凹凸不平引起的距離和 坐標測量誤差4數據處理4.1點云數據去噪室外試驗中，激光點云受儀器本身、掃描環(huán)境、 目標物體表面介質等因素的影響，數據中含有大量 噪聲點本研究采用平滑去噪算法對有序點云&15 進行去噪，即通過計算某

17、一點的鄰域內所有點到局 部擬合面的距離均值，來替代該點到局部擬合面的 距離，進而達到去除噪聲點的目的平滑去噪的算 法思路&1句如下：1）設置鄰域大小N,距離閾值為D,有效點個 數為4 *2）選擇目標區(qū)域中近似中心的一點PX,Y, Z）,計算鄰域內任一點I（x,y,z）到點P的距離疽， 計算公式為1 = *（X 6）2 +Y y）2 +Z z）2 * + ）3）比較距離1與距離閾值D,若dSUQ君 gup avQn o8oab 是二。ooualo歸 QSurface featureG: green； Blu: blue; Bia： black; R: red； Bro：brown；W：white

18、圖3不同顏色植物的激光回波強度平均差值Fig. 3 Difference of the average LiDAR data intensity of pants with different coors圖4不同粗糙度的激光回波強度平均差值Fig. 4 Difference of the average LiDAR data intensity wth dfferent roughnesses?ISU3.S3 avon OJBdJOAU OS jo 3uaIQ由表3可知，根據每種植物表面的激光回波強 度平均值，分析顏色和粗糙度對點云激光回波強 度的影響，發(fā)現影響程度不一$同時結合表2中 的9個

19、點的激光回波強度值(1215,1475,1689, 1475,1475,1532,1475,1464,1475),可大致得到 激光回波強度值越高，激光點的坐標值精度也 越高$由表3、圖2和圖3可知：1)粗糙的植物表面 中，綠色的激光回波強度平均值最高，紅色的最 低$ 2)粗糙的植物表面中，與綠色相比，其他顏色 的激光回波強度平均差值在217611之間，其中 黑色最大；而光滑的植物表面中，與綠色相比，其 他顏色的激光回波強度平均差值為1541613之 間，其中白色最大，差異顯著；粗糙表面的激光回 波強度平均差值曲線波動較小，而光滑的波動顯 著，這主要是受白玉蘭花回波強度的影響；同一種 顏色、不同

20、植物的激光回波強度存在差異性，總體 上表面光滑的，回波強度值偏大$因此，顏色對激 光點回波強度的影響較大，且在不同粗糙度條件 下，不同顏色的激光回波強度平均值變化情況大 致一致，除了白色比較突出外，綠色較強，黑色 最弱。表3、圖3、圖4表明：同種顏色、不同粗糙程度 下激光回波強度平均值在不同顏色上的變化方向 不一致，激光回波強度在粗糙與光滑表面兩者之 間忽高忽低，其中因為沒有白色粗糙表面的植物, 故白玉蘭花不參與比較$黑色粗糙表面比光滑的 激光回波強度低，而紅色與綠色的情況相反$可 見粗糙度對三維激光掃描儀激光回波強度的影響 比較小，未顯示出明顯的相關性,總體上光滑的激 光回波強度偏大$5.4

21、顏色對植物和非植物激光回波強度值的影響利用Leica配套的Cyclone軟件處理紙質墻面 的點云數據，在Cyclone中打開掃描圖像，如圖5 所示，圖5 (a)(e)表示不同顏色墻面的點云 圖像$根據3.2節(jié)中的數據處理方法，統(tǒng)計各墻面的 激光回波強度均值，并與相同顏色下具有光滑表面 的植物的激光回波強度相比較，如表4所示$由 表4可知，墻面顏色對激光回波強度的影響具有一 致性，白色最高，黑色最低；同樣顏色下墻面的激光 回波強度比植物的激光回波強度強，差異性最大的 為白色，最小的為黑色$(a)0)(e)圖5不同顏色墻面點云圖像。(a)藍色;(b)黑色;(c)紅色;(d)白色;(e)綠色Fig.

22、 5 Images of walls point clouds with different colors, (a ) Blue ; (b ) black ; (c ) red ; (d ) white ; (e ) green6結 論機載或地基三維激光掃描儀在林業(yè)測量中發(fā)揮 著重要作用，林業(yè)測繪中激光的直接觀測目標是各 種植物表面，因此研究植物表面特征對距離測量精 度和激光回波強度的影響，可為拓寬三維激光掃描 儀在林業(yè)測量中的應用提供參考！Observed objectCoors ofAverageIntensitysurfaceintensitydifferenceSelaginella

23、uncinataB ue1795 336B ue waB ue2131Mcchelia chapensis DandyBlack1475 239Black wallBlack1714Pholinia serrulataRed1139695Red waRed1834Michelia alba DC.White35771298White wallWhite4875Salix babylonica L.Green1964 1001Green wallGreen2965表4顏色對植物和墻面激光回波強度影響的比較Table 4 Comparison of the co lor influence on LiDAR data intensity of plant and wall面粗糙度對三維激光掃描儀激光回波強度的影響, 沒有明顯的相關性。5）同一種顏色、不同植物的激 光回波強度存在差異