基于二维激光雷达的立木胸径测量方法研究
摘要：针对目前立木胸径算法性能对比中以树干作为测量目标而无法精确评估这一问题，使用二维激光雷达，对测量对象进行扫描，应用目前常用的几何法（切线法、弧长法）与拟合法计算立木直径，分析各种算法误差及适用范围，对各种算法性能进行评价。
关键词：立木胸径；二维激光雷达；几何法；性能评价
- 研究目的及意义
我国土地辽阔，林业资源丰富，对林业资源进行精准调查，及时准确地掌握森林资源信息，对我国制定相应的林业政策和正确的发展规划有着重要的意义。长期以来，立木胸径测量采用胸径尺等测量工具人工获得，虽然获得的数据精度较高，但是效率低，耗时耗力，人力成本高，测量范围小，无法对大量的林业资源在短时间内进行测量统计，无法实现对林业资源信息的及时掌握，无法解决林业作业中工人劳动强度大，识别效率低等问题[1]。而近年来，激光技术由于具有良好快速的高精度测距能力而在林业测量中受到广泛关注。在林业测量中，立木的胸径是一个重要的指标。而二维激光雷达可以快速高效地对林地进行扫描，通过处理圆弧状的二维点数据计算立木胸径。采用二维激光雷达对多种径级的标准圆柱物体进行测量，应用目前常用的几何法（切线法、弧长法）与拟合法计算立木直径，分析算法间精度与稳定性差异，为立木胸径测量提供理论支撑。
- 国内外研究概况
为了及时、准确地掌握森林资源信息，高效地进行森林资源管理，国内外开展了大量的森林资源调查工作。遥感作为一门新兴的应用科学，已经在许多领域发挥了重要的作用，在林业领域也不例外。激光雷达遥感作为主动遥感技术可以有效帮助获取森林资源信息，其中3D激光技术由于设备昂贵体积庞大，一般只用于整个树体的静态测绘，而二维激光雷达由于体积小，价格相对便宜，多用于立木胸径及位置的测量[2]。它的出现使得快速单木参数如胸径成为可能，这种方式不仅节省了人力，还提高了工作效率，现在已经成为快速获取树木几何参数的一种有效方法。胸径拟合算法主要有圆拟合、圆筒拟合和自由形态曲线，较为常用的为圆拟合算法[3]。
2.1 激光雷达
二十世纪六十年代，激光器出现不久便诞生了主动式的激光测距仪。由于可利用的领域广泛，相对于常规雷达具有无可比拟的优势，因此得到了迅速的发展。目前激光雷达一般分为动态激光雷达和静态激光雷达，其中静态激光雷达一般都是地面激光雷达。地面激光雷达技术自出现以来，其在设备体积、携带方便性、性价比、测量速度、精度和易用性等方面均得到了大幅提升[4]。
激光雷达技术早期还是更多地利用于海冰、海洋表面特性和深度探测研究，最早公开发表应用激光雷达进行森林参数测量的是前苏联，随后美国和加拿大开始使用激光雷达测量森林相关参数。激光雷达用于森林参数的估测研究始于20世纪80年代中期，凭借其快速准确地获取林地数据的能力，使遥感技术在林业领域的应用登上新的台阶，在森林参数提取和森林资源管理中起到了重要的作用[5]，目前国内外都积极开展了相关研究，特别是在单木参数（如树干和胸径）提取算法的研究方面[6],这主要是因为采用激光雷达可以生成高质量的点云数据，同时具有自动化处理数据的潜力，使其可以成为测量立木胸径的高效工具。
2.2 立木胸径测量方法分析
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