2.2　试验概况与数据采集

获取单株毛竹的点云数据，在Cyclone软件中完成点云的拼接和去噪，在常用软件Geomagic Studio和Meshlab中分别重建其三维模型，选择林木生物量计算中的常用4个参数（冠幅、胸径、竹高和枝下高）作为研究对象，在砍伐试验样本并实测4个参数的基础上，研究Geomagic Studio和Meshlab对毛竹三维点云数据的建模效果。

2.2.1　试验场地和样本选择

试验区域为杭州市临安区锦北街道平山实验基地，试验区域属亚热带季风气候，年均气温16.4℃，年降水量1500.0~1628.6mm，年日照时数1847.3h，全年无霜期237天；海拔60~120m，低山丘陵，全区森林覆盖率77.8%，土壤为微酸性红土壤，其中林地260848hm2，占土地总面积的83%，主要树种为竹子，是全国十大“竹子之乡”之一。

临安区地处浙江省西北部天目山区，雨量充沛，温度适宜，竹类资源非常丰富，全区有竹林面积91万亩，有种竹10属63种。1996年临安被命名为“中国竹子之乡”。临安竹子分为四大类：一是毛竹，超30万亩；二是菜竹，30万亩；三是笋干竹，25万亩；四是工艺用竹，6万亩。临安是毛竹生长的自然丰产区。

基地内毛竹封闭式、非经营性管理，未钩梢，近纯自然状态，生长态势良好。在毛竹生长稀疏、相互遮挡较少的地方布设样地，选择目标样本，周边无其他毛竹影响的独生毛竹为佳。现场利用Leica C5三维激光扫描仪扫描后，从紧贴地面的根部锯伐试验样本，为了便于运输，将毛竹冠层和竹秆锯断成2~3段，运输过程中尽量保持毛竹冠层的野外原始形态，通过细绳竖立固定在实验室内进行重新扫描，作为对照样本。

2.2.2　仪器设备与处理软件

1　Leica C5地基三维激光扫描仪

(1)地面三维激光扫描仪的组成

本研究的试验仪器为Leica C5三维激光扫描仪，如图2-1所示。地基三维激光扫描系统的组成架构主要有三个单元：①主机单元，包括激光测距系统、数码相机和电源；②控制单元，包括高度角、水平方位角偏转控制器和专用计算机等；③外部设备，包括控制标靶、数据输出设备和三脚架等（郑德华，2005；王晓峰，2009）。

(2)地基TLS的测量原理

地基三维激光扫描仪的测量原理是经激光发射单元激发电磁波光束，电磁波光束通过高速旋转的镜头后被反射到外面的空间，碰到目标物体后被反射，部分回波信息被扫描系统接收单元捕捉，整个过程是非接触式激光测量。激光数据处理系统通过激光束从发射到回收的行程时间结合光速计算出扫描仪到物体表面激光点的空间距离D，是一种间接的电磁波测距方法。根据电磁波测时原理有以下三种方法。

①脉冲测距法，计算公式为：

式中，D为激光测量距离；c为光速；t为激光信号往返时间。

这是由扫描仪激光发射器从发出脉冲电磁波信号开始计数，接收到回波信号后停止计数，根据脉冲个数，换算成脉冲电波的传播时间，结合光速计算出扫描中心到物体表面激光点的空间距离D。

②相位测距法，计算公式为：

式中，c为光速；φ为相位差；f为激光频率。

这是将激光通过特定的频率调谐成余弦或正弦的激光束，光束在往返时所产生相位延迟，测定该相位差，结合调制波的波长f/c，计算相位延迟Δφ所对应的时间t，再计算距离D。

③激光三角法，利用立体相机和结构化光源，运用由激光发射单元、目标物激光点和数码相机感光元件的三角几何关系计算扫描中心到扫描实体的距离D（蔡越，2018；郑德华，2005）。

三维激光扫描仪测定空间点三维坐标的原理如图2-2，先获得扫描中心到目标物反射点的空间距离D、高速旋转镜头接收返回的光束，根据自身的旋转角度，即可推算出激光束在水平方向和竖直方向偏转的角度α和β，结合距离测量值，由以下公式计算出激光反射点的三维空间坐标值(XP, YP, ZP)（韩光顺等，2005）：

Leica C5三维激光扫描仪是基于TOF脉冲测距法（蔡越，2018；郑德华，2005；徐源强等，2010），得到激光脚点P的三维坐标(XP, YP, ZP)，同时，得到扫描点的激光回波强度，根据强度值分层给扫描点匹配颜色，展现在显示器上，构成点云图，另外结合同轴数码相机获取到扫描点的(R, G, B)影像，即纹理信息。

地基三维激光扫描仪具有激光扫描设备的共性特点（刘春等，2009；戴升山，2009）：①非接触式。不需要合作目标，如棱镜或反射片等，直接扫描被测物体，得到目标的点云数据和激光回波强度值。②高效快速。能够快速获取目标物体的三维坐标，Leica C5扫描速度可达5×104dot/s。③主动式。由仪器自身提供能源，主动发射激光，全天候作业，不受白天、黑夜和天气限制。地基LiDAR还有个性特征：①通常情况下测站距离较短，比其他形式的LiDAR，如机载LiDAR的精度高，点云数据为mm级的精度，采样间隔要小，常用于高精度工程项目，如大比例尺数字测图、文物三维模型构建和隧道变形检测等领域。②信息量较大。点云数据中，最基本的信息是目标物三维点云和回波强度值，利用同轴相机获得目标的纹理信息。

(3)徕卡C5主要技术参数

徕卡C5三维激光扫描仪是徕卡C10的低端型号，兼具全站仪功能，是瑞士Leica公司生产的一体化扫描仪，带有双轴补偿的三维激光扫描仪，测程300m没有明显优势，360°视场角，扫描速度较高，mm级测量精度，整合了数码相机和激光对中器功能。主要技术参数有：

单次测量精度：点位精度为6mm；测距精度为4mm；角度精度（水平/垂直）为60μrad/60μrad（12″/12″）；表面建模精度为2mm；标靶建模精度为2mm；双轴补偿精度为分辨率1″、补偿范围±5'、补偿精度1.5″。

激光扫描系统：类型为紧凑型、脉冲式；颜色为绿色激光、波长532nm；范围为300m@90%、134m@18%反射率（最短0.1m）；扫描速率50000dot/s。

扫描分辨率：光斑大小为4.5mm/0~50m（全宽半高基准）、7mm（基于高斯面）；点间距为水平方向和垂直方向完全可选、最小间隔＜1mm。

视场角：水平方向为360°（最大）；竖直方向为270°（最大）；照准为无视差，可变焦视频照准。

激光对中器：激光类别为2级(IEC 60825-1)；对中精度为1.5mm@1.5m；光斑直径r为2.5mm@1.5m。

1　处理软件

(1)Leica Cyclone软件

Cyclone软件是Leica公司专门服务于Leica三维激光扫描仪的功能特点的数据后处理软件，是Leica C5地面三维激光扫描仪的配套软件，由Cyclone SCAN、Cyclone-REGISTER、Cyclone-MODEL、Cyclone-SURVEY和Cyclone CloudWorx几个主要功能模块组成，具有强大的处理和管理海量点云数据的能力（可支持10亿点以上的数据管理）。点云数据导入软件后需要经过多站点云数据获取、点云拼接、点云融合、分割提取目标物体点云、处理和数据输出等步骤，Leica激光扫描仪所获取的点云数据导入Cyclone软件，经处理可以输出dxf、ptx、pts、txt等多种数据格式，便于数据交换和处理，输出结果可以是二维或者三维点云图或三维模型等数据。

(2)Geomagic Studio软件

Geomagic Studio是点云数据处理的常用软件，兼容多种数据格式，智能化程度高，处理点云数据效率高。在高密度点云数据中，它可构建细小的空间三角形、优化的多边形网格，拟合NURBS曲面模型，逼近实体，是一款逆向工程软件（胡影峰，2009）。

点云预处理软件是Leica C5的配套软件Cyclone，建模软件是Geomagic Studio，数学模型拟合软件采用SPSS 19.0。通过仪器设备获得毛竹笋点云数据(Point Cloud Data)，包含点云三维坐标，还含有颜色信息(RGB)和激光回波强度(Intensity)信息。

(3)Meshlab软件

Meshlab软件是意大利比萨大学计算机科学系开发的一款开源和可扩展的系统，用于处理和非结构化编辑3D三角形网格，具体软件特点、功能等可参考相关资料。

2.2.3　野外点云数据扫描

1　野外毛竹点云数据扫描

主要步骤：①遴选目标：实地踏勘，遴选10棵目标毛竹；②布设测站：大致以目标毛竹为中心，尽量位于地势起伏平缓处部署一个等边三角形，其顶点作为测站，便于架设扫描仪，周边均匀放置3个标靶，保证扫描视野能覆盖目标毛竹和3个标靶；③仪器设置：架设扫描仪，整平和设置扫描仪；④分站扫描：在不同分站上设置中等分辨率和视场范围对目标毛竹进行扫描；⑤扫描靶心：分站点云扫描结束后，还要逐个扫描3个标靶，得到靶心坐标并检查靶心扫描质量，若效果较差需重新扫描；⑥数据导出：扫描结束后将点云数据导出到U盘或计算机。

1　室内参照数据采集

择伐4棵目标毛竹，截断毛竹冠层和竹秆，带回实验室后分别用细线固定，仿照野外状态竖直固定在实验室中间，也分3个测站按野外扫描模式，静态正对扫描毛竹冠层和竹秆，重新采集点云数据，以作对照组数据。