全 文 ：第 51 卷 第 5 期
2 0 1 5 年 5 月
林 业 科 学
SCIENTIA SILVAE SINICAE
Vol. 51，No. 5
May，2 0 1 5
doi:10．11707 / j．1001-7488．20150513
收稿日期: 2014 － 09 － 24; 修回日期: 2015 － 01 － 20。
基金项目: 国家“十二五”科技支撑计划: 超高产优质杨树速生材新品种选育(2012BAD01B03)。
* 沈应柏为通讯作者。
三维扫描技术在获取杨树树冠结构
特征参数上的应用*
王宁宁1，2 尹文广3 黄秦军4 丁昌俊4 杨志岩5 苏晓华4 沈应柏1，2
(1. 北京林业大学生物科学与技术学院 北京 100083; 2. 北京林业大学林木育种国家工程实验室 北京 100083;
3. 北京浩宇天地测绘科技发展有限公司 北京 100039; 4. 中国林业科学研究院林业研究所
国家林业局林木培育重点实验室 北京 100091; 5. 辽宁省杨树研究所 盖州 115200)
摘 要: 【目的】树冠结构影响光能截获能力从而直接影响生物量的积累。杨树冠形特征参数的研究能够为杨
树优良品种的选育提供有力的选择依据，但是因为杨树的树型高达，树冠结构复杂，树冠结构特征参数难以直接观
测。【方法】建立了利用三维扫描技术获取树冠结构特征参数的方法，并测量了高密度(2 m × 3 m)人工林中 6 年生
杨树 03-04-171 的冠形特征参数，包括不同生长单元早发枝和同期枝一级枝的枝长、分枝角度、方位角、枝条曲率及
弯曲度。对直接测量(砍伐)与三维扫描方法测量的胸径、树高进行回归分析，检测三维扫描测量的精度。【结果】
回归分析结果表明:胸径的回归系数分别为 Ｒ2 = 0. 967 72，显著值为 P = 8. 26 × 10 － 13，树高回归系数为 Ｒ2 =
0. 965 27，显著值为 P = 1. 440 29 × 10 － 12。结果说明三维扫描方法具有较高的测量精度，可以应用于树冠结构特征
的测量。扫描参数结果显示，树冠上每一个生长单元的上部枝条长度较长，分枝角度较小，曲率较大，数量少，为早
发枝; 中下部枝条数量多，短而平直，为同期枝，这与已有的研究结果一致。【结论】三维扫描技术可以应用于树冠
结构特征的研究。
关键词: 三维激光扫描; 杨树; 树冠结构; 枝长; 分枝角度; 方位角
中图分类号: S718. 43 文献标识码: A 文章编号: 1001 － 7488(2015)05 － 0108 － 09
Application of 3D Scanner Technology to Analysis the
Crown Architecture Parameters of Poplar Plantations
Wang Ningning 1，2 Yin Wenguang3 Huang Qinjun4 Ding Changjun4 Yang Zhiyan5 Su Xiaohua4 Shen Yingbai1，2
(1. College of Biological Sciences and Technology，Beijing Forestry University Beijing 100083;
2. National Engineering Laboratory for Tree Breeding，Beijing Forestry University Beijing 100083;
3. Beijing Haoyu World Surveying and Mapping Developing，Limited Beijing 100039; 4. Key Laboratory of Tree Breeding and
Cultivation of State Forestry Administration Ｒesearch Institute of Forestry，CAF Beijing 100091;
5. Liaoning Provincial Institute of Poplar Gaizhou 115200)
Abstract: 【Objectives】Crown architecture is one of important determinants of productivity and yield of plantations
since it comprises branches and leaves orientation and distribution，thereby affecting canopy density，light interception
and carbon assimilation． Identifying and quantifying the underlying factors contributing to crown architecture are
therefore important for a better understanding and optimization of stand productivity． However， the measurement of
crown architecture of a tree is difficulty and consuming． 【Method】To make the crown architecture measurement work
easier，more precision and less consuming，a new method of obtaining architecture character parameters with 3D laser
scanner was studied． To analyze precision of the method，the diameter at breast height ( DBH) and height of poplar
03-04-171 ( (Populus deltoides cl．‘55 /65’ × P． deltoides cl．‘2KEN8’) × ( P． nigra ‘Brummen’× P． nigra
‘Piccarolo’) ) in a 6-year-old forest planted in a stand density of 2 m × 3 m were measured with direct ( harvest) and
scanner method． The crown architecture parameters ( the primary branch length，branch angle， azimuth，branch
第 5 期 王宁宁等: 三维扫描技术在获取杨树树冠结构特征参数上的应用
curvature and ratio of branch bow to string of proletpic branch and sylleptic branch) were measured to analyze the
feasibility of the new method． Ｒegression analysis was used to compare the method of direct measurement ( harvest) and
indirect (3D laser scanner) measurement of the crown architecture parameters． 【Ｒesult】The results showed that the 3D
laser scanner had a high precision(DBH: Ｒ2 = 0. 967 72，P = 8. 26 × 10 － 13 ; Height: Ｒ2 = 0. 965 27，P = 1. 440 29 ×
10 － 12 ) in measuring the crown architecture parameters and could be used in crown architecture measurements． The
scanned results showed that the primer branch length，branch angle and branch azimuth had a similar rhyme in each
growth unit ( the aboveground part that the temperate trees growth in one year) of the trunk，and the six-years-old tree
had five growth unit． The branch was short in the bottom of the growth unit and longer in upper side of each growth unit．
The branch angle in the lower and middle side of growth unit was larger than that in the upper side． The azimuth was
larger in the middle part of growth unit，however smaller in lower and upper site of the growth unit． The proleptic branch
distributed in upper side of each growth unit while the sylleptic branch distributed in middle and lower side． Proleptic
branches accounted for 1 /3 of the total number of crown branches． In conclusion，in each growth unit of stem，branches
in the top of growth unit ( proleptic branch) were longer and upstanding，while the branches in the middle of growth unit
( sylleptic branch) were relatively short and had a large branch angle． The branches in the top of crown were short and
erect，the branches in the middle crown had a larger angle in origin，and the lower branches had a lager azimuth． The
ratio of bow and string branches was steady in all branches of the crown． 【Condusion】The obtained results through 3D
laser scanner were consistent with other measured results，suggesting that the 3D laser scanner method could be used in
measuring and analyzing crown structure．
Key words: 3D laser scanner; Populous; crown architecture; branch length; branch angle; branch azimuth
杨树(Populus)因适应性强、产量高、生长快、易
繁殖等性状成为纸浆林和能源林的理想树种
(Dickmann et al．，1996; Tuskan，1998; Broeckx et
al．，2012;黄秦军等，2014)。树冠结构的形成是由
其遗传因素和环境因素共同决定，分析树冠结构能
够获取遗传因素影响的生长过程和环境因素影响的
树冠可塑性变化的信息(Barthélémy et al．，2007; 胡
启鹏等，2008)。树冠结构包括几何结构和拓扑结
构，几何结构是指树冠的组成部分及每个组成部分
的大小和形状，拓扑结构是指器官和器官之间的连
接方式及器官在树冠中的位置，几何结构描述环境因
素对植物生长的影响，而拓扑结构则描述碳分配问题
(Godin，2000; Teobaldelli et al．，2008)。处于营养生
长阶段的杨树树冠结构参数主要包括枝条长度、分枝
角度、方位角、枝条曲率及弯曲度(Ceulemans et al．，
1990; Broeckx et al．，2012)。
树冠能够影响叶片分布和叶面积指数从而影响
光能的截获，同时，树冠还是碳同化的位置，在生物
量累积中起重 要作用 ( Ceulemans et al．，1990;
Barthelemy et al．，2007; Broeckx et al．，2012)。树冠
结构决定了树木对光的截获和利用，影响生物累积
量(Duursma et al．，2007; Kim et al．，2011)，是理想
株型的重要组成部分。树冠特征参数的研究对林业
生物产量的优化有重要意义和作用 ( Ceulemans et
al．，1990)。树冠特征参数的获取可以优化林业栽
培管理技术，并为优良品种的选育提供理论支撑。
小型树冠结构参数容易获取，而对于大型树木而言，
树冠结构信息的获取是耗费大量人力、财力、物力的
工作，有的信息如方位角等甚至难以通过直接测量
获取。
激光三维扫描是通过测量有形物体表面的三维
坐标数据获取点云从而重构物体表面特征的技术。
该技术通过对目标物体进行扫描，获取点云数据，然
后对点云数据进行预处理和重建优化，从而实现被
测物体的重建(葛宝臻等，2006)。三维扫描技术兴
起于 20 世纪 50 年代的三维坐标测量机，在 20 世纪
80 年代通过三维扫描仪机器视觉的研究获取长足
的发展，该技术已经可以详细获取被测物体的相关
信息。目前，该技术主要应用于医学仿生技术(刘
春军等，2011; 蒋承安等，2013; 焦培峰等，2013)、
人体(林德静等，2005; 王祺明等，2007)、建筑(余
明等，2004)、地形等的数字化与建模，刑侦、作案工
具及弹痕采集，磨具设计与检测，零部件形状及质量
检测(陆国栋等，2005)及工业在线检测等。
三维扫描技术在林业上的应用尚属少见，
Teobaldelli 等(2008)检测了 Lidar 扫描技术测量精
度，并根据测量信息重构了林地中的树木的三维结
构; Morgenroth 等( 2014)用三维图像测量单株树的
树高、胸径并估算材积量。而利用三维扫描技术在
高密度栽植的林地的树冠结构信息研究上的应用尚
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林 业 科 学 51 卷
未见报道。本文尝试应用三维扫描技术，测量密度
为 2 m × 3 m 的林地中 6 年生欧美杨无性系 03-04-
171［(Populus deltoides cl．‘55 /65’ × P． deltoides cl．
‘2KEN8’) × ( P． nigra ‘Brummen’ × P． nigra
‘Piccarolo’)］树冠结构，获取树冠结构参数，并用实
测数据进行检测。目的在于建立快速、准确获取树
木树冠复杂信息新技术以期为杨树优良品种选育和
理想株型的研究提供新的技术支持。
1 材料与方法
1. 1 试验地概况和试验材料
试验林地位于中国辽宁省锦州凌海市原种场
(41°17 N，121° 36 E)，海拔 17 m。试验林地为
2007 年春季埋根造林，造林所用根为 1 年生苗木的
根。林地占地 7. 3 hm2，南北朝向，株距为 2 m，由东
向西方向分布 4 个行距: 3，4，5，6 m，每个行距栽
植 11 行，由北向南包括 3 个小区，作为生物学重复。
每个小区均栽植 22 个无性系，每个无性系在小区内
均为单一品种斑块状种植，3 个重复，重复 2 和重复
3 栽植方式完全相同，重复 1 在无性系栽植位置和
栽植数量上进行了调整，但栽植的无性系及无性系
个数完全相同。林地四周栽植 2 行隔离行。
2013 年 3 月，芽萌动之前，选择株行距 2 m ×
3 m 和 2 m × 5 m 的无性系 02-37-14［(P． deltoides
cv． ‘Shanhaiguanensis’× P． deltoides cl． ‘Harvard’
( I-63 /51)) × P． nigra‘Vereecken’］和 03-04-171，
每个无性系选择 5 株进行标记和观测。
用于树冠特征测量的无性系是在株行距 2 m ×
3 m 种植的 03-04-171。在株行距 2 m × 3 m 的 3 个
重复小区中，各选择 1 株 03-04-171 获取树冠结构信
息。
1. 2 测量方法
1. 2. 1 林地扫描 2013 年春，芽萌动之前，应用浩
宇测绘公司提供的三维激光扫描仪 ( Faro Laser
scanner focus3D 120，FAＲO technologies，Germany，http:
∥www． faroasia． com /products / laser-scanner / cn /)，对选
择的目标树进行扫描。Faro 三维激光扫描仪水平
扫描视野为 360 °，垂直扫描视野为 300°，扫描距离
为 0. 6 ～ 330 m，扫描速度为 976 000 点·s － 1，测距误
差 ± 2 mm。
扫描前在目标树树干上做标记，以区别周围的
树，辅助在软件中进行识别。扫描前，还需要对扫描
场景进行标定(参考球)，用于扫描后站点拼接(图 1
A)。试验中使用的标定目标为白色的球。参考球
的作用是辅助扫描站点拼接以形成完整的三维空间
图像。参考球放置完成后到扫描结束前，参考球不
可移动，而且参考球的放置位置要明显，不要有遮
挡。1 株树的扫描需要 3 ～ 5 个参考球。图 1 A 中
绿色的球即为参考球，拼站前需要删除每一站中的
错误球(图 1 A 中黄色和红色的球)，错误球是软件
将具有球状特征的部分场景错误地认作参考球
造成。
扫描站点是指扫描时仪器放置的位置，进行站
点拼接是指将围绕同一物体布置的扫描站点扫描到
的数据进行整合获取扫描目标整体数据。站点拼接
后获取的扫描目标整体文件包含了目标物体所有的
结构信息。树木是一个圆柱体，从一个角度最多可
以扫描一个圆柱体的三分之一到一半，所以，完成 1
株树的扫描最少需要 3 站(图 1B)。3 站分别从不
同的角度进行扫描，保证站与站之间有观测角度的
交叉，扫描完成后可以获取植株周围的完整信息。
站点的架设要保证在每一站至少能看到 3 个参考
球。在密度林地中进行扫描，架站还需要考虑树冠
的遮挡，选择树冠交叉较少的方位架站，尽量避开树
冠的垂直下方的位置。
1. 2. 2 树冠特征参数的获取 扫描完成后，应用仪
器自 带 软 件 SCENE ( 5. 0， FAＲO technologies，
Germany)进行站点拼接，并将拼接后的场景中其他
无性系和噪点删除，留下目标树。图 1A 即为
SCENE 中一站的场景，图 1B 为站点拼接完成后的
林地场景。SCENE 中的删除操作是大范围的操作，
根据目标树上的标识，粗略地进行删除。
将经 SCENE 拼 接 后 的 文 件 导 入 Geomagic
Studio(2012，3D system，USA)中，利用 Geomagic
Studio 将目标树从周围的品系中分离出来，封装完
毕后，可直接测量树高和冠幅。Geomagic Studio 分
离目标树和相邻树冠时，通过调整视角，根据枝条走
向分离交叉的树冠。测量胸径时，将坐标原点移动
到地面处，沿 Z 轴在 1. 3 m 高度处建立平面，测量平
面面积，即得到胸高处面积，利用圆面积公式计算胸
径。树高和胸径测量结束后，将目标文件导入
Geomagic Spark(2012，3D system，USA)中进行树冠
结构信息的测量。
扫描数据获取后，根据枝条的长度，分枝角和方
位角的规律结合实地观察记录，区分生长单元，早发
枝和同期枝。林地中扫描结束后实测胸径(陈章水
等，2007; Wang et al．，2014)，伐倒测量树高。将实
测数据与扫描获取的数据进行回归分析，估测三维
扫描测量技术应用于树冠测量的精度。
1. 2. 3 树冠特征参数 试验中测量的树冠特征
011
第 5 期 王宁宁等: 三维扫描技术在获取杨树树冠结构特征参数上的应用
参数如图 2 所示。图中 L b 代表枝条长度，L s 代
表枝条两端点间连线的长度，α 代表枝条分枝
角，β 代表枝条两端点间连线与主干的夹角，δ 代
表主干上相邻 2 个枝条之间的角度，即方位角。
其中，α /β 代表枝条曲率，L b /L s 代表枝条弯曲程
度。这些参数均为目前树冠结构研究中常涉及
到的参数( Ceulemans et al．，1990; Broeckx et al．，
2012)。
图 1 从扫描站点数据获取初始点云文件
Fig. 1 Built raw point cloud file from scanner data
(A) 一个扫描站点的场景及参考球; (B) 拼接后的初始点云文件和扫描站点分布
(A) The scene of each scanner stand and the reference ball used to piece together the data of each
scanner stand; (B) The raw point cloud file after mosaic and the distribution of scanner stands
图 2 树冠结构特征参数
Fig. 2 Crown architecture parameters
A 图中 Lb 代表枝条长度，L s 代表枝条两端点间连线的长度，α 代表枝条分枝角，β 代表枝条两端点间连线与主干的夹角; B 图为树冠俯
视图，δ 代表主干上相邻 2 个枝条之间的角度，即方位角。In figure A，Lb，branch length along the branch; L s，branch length as a straight line
between branch origination and branch termination; α，branch angle of origination; β，branch angle of termination; figure B is the vertical view of
crown，δ is branch angle between two neighboring branches．
1. 3 数据分析
对实体直接测量和扫描测量的胸径和树高
做回归分析，分析测量精确度。对树冠结构参数
枝长、分枝角度、方位角、曲率及纸条弯曲度进行
单因素方差分析 ( one-way ANOVA)，差异显著性
用 S-N-K 检验( P ＜ 0. 05 )。对枝条长度、分枝角
度和枝条曲率进行相关分析，计算 Pearson 相关
系数。所有数据分析利用 SPSS17. 0 ( SPSS Inc． ，
USA)完成。
2 结果与分析
2. 1 直接测量和扫描测量精度比较 图 3A 显示，
直接测量和扫描测量回归分析结果显示，实测数据
和 3D 扫描测量的胸径(Ｒ2 = 0. 98，P ＜ 0. 01)和树高
(Ｒ2 = 0. 97，P ＜ 0. 01)呈现良好的直线回归关系。
胸径和树高的实测数据和扫描测量数据的直线斜率
分别为 0. 949 78 和 0. 984 74，接近于 1，截距分别为
0. 002 99 和 0. 237 99，接近于 0，是一条近似通过原
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林 业 科 学 51 卷
点的直线。精度分析结果表明，三维扫描测量值与 实测值有很高的拟合度。
图 3 直接测量和三维扫描测量的胸径和树高
Fig. 3 Comparison of direct ( destructive) and indirect ( terrestrial laser scanning)
(A) 直接测量胸径和三维测量胸径的回归分析;(B)直接测量树高和间接测量树高的回归分析
Measurements of poplar stems (A) DBH and (B) height．
高度测量的截距稍大于胸径，原因在于高度的
测量受外界环境影响较大。林中树木主干顶尖目标
太小，而且上部容易晃动，造成高度测量误差较大。
而胸径的测量部位是主干距离地面 1. 3 m 处，在林
中树木下部不容易晃动，所以测量精度主要受测量
方式的影响: 树干并非完全直立，与坐标系 Z 轴并
非完全平行，测量时选择的平面垂直于 Z 轴，导致
胸径测量产生误差。Feobaldelli 等(2008)同样认为
lidar 扫描的精度受距离和目标物体大小的影响。
通过对测量精度分析可见通过激光扫描获取的冠形
数据具有很高的可靠性和稳定性。此外，在野外进
行三维扫描时应选择晴朗无风的天气，因为雾气会
增加噪点，而风会导致树梢晃动从而影响扫描精度。
2. 2 树冠结构参数分析
枝条长度、分枝角、方位角及枝条曲率在主干上
呈现明显的生长节律(图 4A － D)，一个节律即为主
干上 1 年的枝条分布 ( Ceulemans et al．，1990;
Broeckx et al．，2012)。因为最近 1 年生长的主干上
没有侧枝或侧枝很小，所以图 4 中 6 年生的树干显
示了 5 个生长节律。枝条弯曲程度( Lb /L s)在整个
树干上稳定在 1. 04 附近(图 4E)。枝条长度在每一
年的生长中，主干上每一节中间和下部的枝条较短，
从 40 cm ～ 2 m 不等，节上端的枝条较长，最长的
4. 3 m(图 4A)。分枝角和方位角的分布规律相似，
节中下部的枝条分枝角和方位角较大，分枝角最大
的 80°以上，方位角最大的是 89. 4°;节上部枝条分
枝角和方位角略小，上部枝条分枝角为 30° ～ 40°，
方位角为 40° ～ 70°(图 4B，C)。枝条曲率是枝条起
点分枝角和末端分枝角的比值(α /β)，说明枝条的
弯曲程度，值越大，弯曲程度越大，值越小，枝条越平
直，若值小于 1，则说明枝条末端向地面方向弯曲。
枝条曲率在节中下部较小，最小值 0. 78，但观测的 3
株树所有枝条中，枝条曲率小于 1 的枝条占总数的
9. 3%，节上部枝条曲率较大，最大值可达 3. 558(图
4D)。Broeckx 等 (2012)和 Ceulemans 等 (1990)的
实测数据均说明，主干每一年的生长单元中，中下部
枝条分枝角度较大，上部枝条分枝角度较小。综合
分析，每一节中，节上部枝条长而直立，中下部枝条
短而横向伸展。枝条特征在主干上的分布呈现规律
性。整体树冠观测结果表明，主干第 5 个节的枝条
长度显著小于前 4 个节(P ＜ 0. 05) (图 4A)，而分枝
角度在第 3 个节最大，第 2 和第 4 个节次之，第 1 和
第 5 个节最小(图 4B)，即树冠中部枝条的分枝角度
较大，树冠上下部分枝角较小。第 1，2 节的方位角
显著大于第 3 和第 4 节，第 5 节居于中间(图 4C)。
枝条曲率和弯曲度在节与节之间没有显著差异。
图 5 是树冠中早发枝和同期枝在不同生长单元
的参数比较。一个生长单元即主干上顶芽从萌发到
休眠期间所生长的主干的一段上所包含的器官和组
织。枝条数量结果 (图 5A)显示，在每一个生长单
元中，早发枝的数量远远小于同期枝。树冠中早发
枝数量仅占总数的 31. 5%。在不同的生长单元中，
同期 枝 长度 小于 早发 枝 (图 5B )。 Broeckx 等
(2012)和 Ceulemans 等(1990)的实测结果均显示大
部分杨树无性系的树冠中同期枝数量多于早发枝，
但是 Broeckx 等(2012)观测到一个无性系，其早发
枝数量多于同期枝，但较其他无性系生物量累积少，
原因在于同期枝对早期树冠郁闭和生物量积累有重
211
第 5 期 王宁宁等: 三维扫描技术在获取杨树树冠结构特征参数上的应用
图 4 树冠特征参数
Fig. 4 Crown architecture parameters
横坐标是枝条在主干上的分布序号，从树冠最下部枝条记为 1，依次向上计数，直到最顶端的枝条。(A)枝长; (B)分枝
角; (C)方位角; (D)曲率; (E)枝条弓弦长度比(弯曲度) 。
The abscissa is the serial number of branches distribution in the trunk，from the lower crown branches recorded as 1，in order to
count up，until the top branches． (A) Branch length along the branch; (B) Branch angle of origin; (C) Branch angle between
neighboring branches; (D) Branch curvature; (E) Ｒatio of bow and string of branch
要贡献。图 5A 显示第 3 个和第 5 个生长单元的同
期枝小于其他生长单元。树冠结构受遗传和环境因
素共同决定 ( Barthelemy et al．，2007; 胡启鹏等，
2008)，环境不同，同一无性系的树冠枝条总数、不
同类型枝条数量及冠幅和叶面积系数均有很大差
异。梁涛等(2010) 证明，2009 年锦州市 5—9 月降
水量是历年同期降水量的二分之一，日照时数多，气
温偏高，导致土壤水分指标下降，植被长势较往年同
期差。该研究中所观测杨树无性系栽植于 2007 年
春，第 3 个生长季是 2009 年，所以第 3 个生长单元
同期枝数量少是由于气候因素造成。而第 5 个生长
单元同期枝数量少是由于主干在 2011 年形成，只有
2012 年萌发的枝条。
枝条长度结果(图 5B)显示位于树冠中部的第
2，3，4 个生长单元的早发枝显著长于第一个生长单
元(P ＜ 0. 05)，但 2，3，4 单元的同期枝长度则低于
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林 业 科 学 51 卷
第 1 个生长单元，由此说明，冠幅是跟树冠中部的同
期枝长度有关。树冠上不同生长单元的早发枝分枝
角和方位角没有差异，但第 3 个生长单元的同期枝
分枝角度显著大于其他生长单元，而方位角则小于
其他生长单元(图 5C，D)。分枝角和方位角的变化
是与气候相关还是树冠结构的影响则需要继续分
析。方位角在早发枝和同期枝之间没有表现出显著
差异。枝条曲率结果(图 5E)显示，早发枝曲率大于
同期枝，且早发枝曲率在不同生长单元之间有显著
差异 ( P ＜ 0. 05 )，而同期枝则差异不明显 ( P ＞
0. 05)。Broeckx 等 (2012 )和 Ceulemans 等 (1990)
的实测结果同样证明，早发枝的起点分枝角小于同
期枝。Ceulemans 等(1990)对不同的 3 年生杨树无
性系测量结果显示，第 1 年和第 2 年枝条的曲率在
无性系之间表现出差异。
图 5 树冠中不同类型的枝条(早发枝和同期枝)在不同生长单元(GU)的参数
Fig. 5 The parameters of proleptic branches and sylleptic branches in different growth unit (GU) ．
(A)枝条数量; (B)枝条长度; (C)枝条起点分枝角; (D)方位角; (E)枝条曲率
(A) Branch quantlity; (B) Branch length along the branch; (C) Branch angle of origin; (D) Branch
angle between neighboring branches; (E) Branch curvature
3 结论与讨论
三维扫描在树木中虽有少数应用，但关注点主
要是三维重建 (葛娟等，2013; Teobaldelli et al．，
2008; Morgenroth et al．， 2013 )。 Teobaldelli 等
(2008)和 Morgenroth 等(2013)分别利用 lidar 技术
和 3D 图像对树木进行扫描和测量，但两者主要关
注三维结构的可视化及材积估算，并未关注树冠结
构，而该试验利用三维扫描技术高精度的测量获得
了详细的树冠结构信息。
精度比较结果(图 3)显示，实测数据和 3D 扫描
测量的胸径和树高的回归直线为近似通过原点的直
线，说 明 3D 扫描测量 具 有 很 高 的 测 量 精 度。
Teobaldelli 等(2008) 通过测量不同树高位置枝条
的长度检测了用 lidar 扫描的方法的精度，回归直线
截距为 0. 009，斜率为 1. 002 9，Ｒ2 = 0. 93，同样具有
较高的测量精度。这些结果说明三维扫描具有很高
的测量精度，可用于树冠结构的测量。
与传统测量(经纬仪)相比，三维扫描技术具有
较高的测量效率，能够缩短外业时间，减少因季节变
化等因素对测量的影响; 此外，在高密度栽植的林
地中，林冠郁闭后，枝条之间相互交叉，经纬仪测量
难度较大。三维扫描技术与破坏性测量相比的优点
显而易见，三维扫描可以不用对林地产生破坏，而且
能够获取破坏性测量不易测量到的数据，如分枝角
和方位角; 此外，砍伐树木，造成树冠结构信息损
失，而且砍伐树木会导致整个林地环境的变化，对后
续试验或生产产生不可恢复的影响。Broeckx 等
411
第 5 期 王宁宁等: 三维扫描技术在获取杨树树冠结构特征参数上的应用
(2012) 和 Ceulemans 等(1990)用直接测量法分别
测量了 2 年生和 3 年生的杨树树冠信息，但均需要
对样本进行砍伐，导致连续 2 年的数据不是取自同
一株树，而三维扫描技术则不需要对样本进行破坏，
可持续观测同一株树的生长和树冠结构的变化。
三维扫描与其他测量方法相比最大的优点在于
时效性。三维扫描技术能够快速记录(扫描一站用
时 5 min)某一时间内的林冠参数(尤其是大型树木
的树冠)，而且不受白天和夜晚的限制。但应用三
维扫描技术测量树冠结构参数要注意选择无风天气
进行，因为林木达到一定高度后，树枝顶端晃动会影
响扫描精度。
整体树冠中的枝条可以分为 2 类:一类是上一
年顶芽封顶之前就已经形成的，侧芽经过休眠期后
伸长而形成的枝，叫做早发枝;另一类是当年生长过
程中由当年侧芽发育而来，叫同期枝。Broeckx 等
(2012) 和 Ceulemans 等(1990)对杨树树冠破坏性
采样观测结果显示，早发枝位于每一节顶端，长度较
长，同期枝位于每一节中下部，长度较短。图 4 的结
果显示 03-04-171 的树冠枝条有 2 种表现:一种是位
于每一节顶端的分枝角小、长度较大的枝条，为早发
枝;另一类是位于节中部的分枝角较大、长度较短的
枝条，为同期枝。Broeckx 等(2012)和 Ceulemans 等
(1990)实测的结果同样表明早发枝分枝角度小，枝
条长度大，而同期枝分枝角度大，枝条长度小，笔者
的观测结果与其实测结果一致，这说明利用三维扫
描技术观测和分析树冠结构具有很强的可靠性和精
确度，三维扫描技术能够精确地记录树冠结构。此
外，枝条长度、分枝角和方位角在年与年的轮生枝中
具有节律性，但枝条弯曲度并没有在枝条类别和枝
条年龄上体现出任何差异。而且，在每一个生长季
产生的轮生枝中，枝条长度、分枝角和方位角遵循一
定的分布规律。在直接测量的研究中，方位角在树
冠中的分布规律均未见报道 ( Ceulemans et al．，
1990; Broeckx et al．，2012)。
树冠结构参数在不同的无性系和生长环境中表
现出差异 ( Ceulemans et al．，1990; Broeckx et al．，
2012; Barthelemy et al．，2007; 胡启鹏等，2008)，通
过比较不同亲本的无性系树冠结构参数，可以辅助
进行品种选择。此外，在林分中，树木的竞争主要表
现在树冠对光的竞争能力(Novoplansky，2009)，通
过比较不同无性系在不同环境中的冠型参数，有助
于推动竞争机理的研究。其他环境因素如干旱、盐
碱胁迫等也会对树冠的结构产生影响( Pierik et al．，
2014)，探索不同胁迫条件下树冠的结构变化，有助
于解释胁迫对生长的影响。
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(责任编辑 王艳娜)
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