摘 要

本文采用地面三维激光扫描技术（Terrestrial Laser Scanning）在江苏省东台林场的14块杨树人工林标准地上采集点云数据，通过软件RiSCAN Pro进行数据预处理，提取杨树胸径、树高、冠幅、冠长等因子。利用SPSS软件对杨树人工林实测样木数据进行胸径与树高、冠幅、材积的相关性分析，选用多种数学模型拟合，并对模型拟合效果进行分析。模型的拟合数据和检验数据相互独立,采用 R²结合其它的一些指标综合衡量模型的适用性，筛选最优模型。结果表明：（1）杨树胸径-树高最优模型为H=-12.674 12.306lnD。（2）胸径-冠幅最优模型为CW=0.2408D^0.933。（3）胸径-材积的最优模型为V=0.00023D^2.4048。论文对研究区的胸径与树高、冠幅、材积进行多元相关性分析，结果显示树高和树冠冠幅因子的材积多元模型中，树高和冠幅作为解释变量的二元模型V=0.067H^2.094CW^1.335效果较好，再增加冠长因子的三元模型改进效果不明显。

关键词：地面三维激光；杨树；胸径；材积；模型

Correlation Analysis Between DBH, Crown Width, Height and Volume of Poplar based on TLS data

ABSTRACT:In this paper, Terrestrial Laser Scanning (TLS) was used to collect point cloud data. There were 14 plots with different density in poplar plantation forest in Dongtai, Jiangsu Province. After scanning, the preprocessing data was done through RiSCAN Pro software. The parameters of tree structure were extracted include: DBH (diameter at breast height), tree height (H), crown width (CW) and crown length (CL). There were 327 trees in total provide structure data for the research. The correlation analysis was carried on with SPSS. Nine different equations were fitted and the coefficient of correlation (R²) was used to judge the fitting accuracy. The fitting data and the test data of these models were independent of each other, and the applicability of these models was determined by the mean absolute error (MAE) and the mean prediction error (MPE). The results shows: 1) the best model to reveal the relationship between DBH and tree height is logarithmic equation: H=-12.674 12.306lnD, with R²=97.52% ; 2) the correlation of DBH - V and DBH - CW can be reflected by the power equation : CW=0.2408D^0.933 and V=0.00023D^2.4048, the R² are 96.13% and 98.49% respectively; 3) the multivariate correlation analysis was conducted within DBH (diameter at breast height), tree height (H), crown width (CW), crown length (CL) and volume (V), result shows that model: V=0.067H^2.094CW^1.335 gives better effect with higher R² and lower MSE, while the crown length gives no improvement for the model.

Key words： Terrestrial Laser Scanning (TLS), Poplar, tree structure, model regression

目 录

前言 1

1 研究区概况与数据来源 3

1.1 研究区概况 3

1.2 研究数据来源 3

2 研究方法 4

2.1 回归模型选择 4

2.2 模型拟合与评价 5

3 结果分析 6

3.1 胸径与树高、冠幅、材积的一元模型 6

3.1.1 胸径-树高模型分析 6

3.1.2 胸径-冠幅模型分析 8

3.1.3 胸径-材积模型分析 10

3.1.4 模型拟合评价 11

3.1.5 最优模型检验 12

3.2 材积多元模型分析 12

3.2.1 模型选择 12

3.2.2 模型分析 13

3.2.3 基于树高和树冠因子的多元模型比较 15

4 结论与讨论 16

致谢 17

参考文献 18

前 言

随着计算机可视化技术与测绘技术的不断发展，我国“数字化林业”建设进程不断向前推进，地面三维激光扫描作为一种可以快速获取目标三维点云模型的新测绘技术，已在林业资源调查、林分结构研究以及单木三维重建等方面得到了初步应用。与传统森林资源调查方法作业周期长、工作效率低、劳动强度大、数据单一相比，应用地面三维激光扫描技术获取测树因子速度更快、精度更高，而且不会对林木造成损害，有利于保护生态环境^[1]。

传统测树方法获取测树因子工作量大、测算不准确、给林业生产造成极大不便相比，地面三维激光扫描技术的应用不论是在测树效率还是在测量精度上都有较大提高。许多国外学者就该技术在森林资源调查中的适用性进行了研究^[2]。与国外相比，该技术在我国林业领域的应用相对较少，目前仅局限于基本测树因子获取和单木三维重建两个方面。主要原因是:（1)地面三维激光扫描系统属高精密仪器，成本高昂，目前仅在少数研究项目中试用，并未在林业调查部门普及；（2)该技术在数字林业建设中的应用前景还没有引起足够重视，缺少必要的尝试。北京林业大学冯仲科于2005年首次将地面三维激光扫描技术应用到我国林业资源调查中，并对该技术在林业中的应用进行了一系列的探讨，在甘肃小陇山林区基于TLS将不同径阶的15株锐齿栎的扫描数据和伐倒木实测数据进行比较得出，胸径的平均相对误差为0.56%，树高的平均相对误差为-0.97%,材积的平均相对误差为-1.19%。表明采用TLS获取的立木测量因子数据精度很高，可以满足森林资源调查的精度要求，所得材积可以代替传统伐倒木测得材积来编制立木材积表^[3]。