本發(fā)明涉及地面激光掃描點云數(shù)據(jù)處理和信息提取
技術(shù)領(lǐng)域：
，尤其是涉及一種從地面激光雷達(dá)點云數(shù)據(jù)中提取樹干直徑的方法。
背景技術(shù)：
：地面三維激光掃描技術(shù)(TerrestrialLaserScanningTechnology，簡稱TLS)是一種新型的測繪技術(shù)，產(chǎn)生于20世紀(jì)90年代，其可以快速準(zhǔn)確的獲得目標(biāo)物體表面的點云數(shù)據(jù)信息，從而為構(gòu)建目標(biāo)物體的三維模型提供了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。經(jīng)過近20多年來的發(fā)展，三維激光掃描儀已經(jīng)可以連續(xù)快速地對被觀測物體進(jìn)行非接觸式測量，其通過獲取物體表面至掃描儀的距離和發(fā)射強度獲取大量物體表面的三維點云數(shù)據(jù)。使用TLS提取林業(yè)相關(guān)參數(shù)是近10年來的研究熱點。森林是由單棵樹木組成的，在林業(yè)研究與生產(chǎn)中，林業(yè)工作者需要提取單棵樹木(簡稱單木)的直徑與樹高等數(shù)據(jù)，為計算單棵樹木的材積與生物量、構(gòu)建樹木生長方程等研究與應(yīng)用提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。因此，使用TLS提取單木的參數(shù)是使用TLS提取林業(yè)其他參數(shù)的基礎(chǔ)。樹干直徑作為單木的直接測定因子之一，是林業(yè)生產(chǎn)與研究中基礎(chǔ)參數(shù)之一。目前使用TLS提取樹干材積與生物量的方法多建立在使用TLS提取樹干直徑的基礎(chǔ)上，因此使用TLS精確地提取樹干直徑是精確提取樹干材積與生物量及林分相關(guān)參數(shù)的基礎(chǔ)，也是TLS實際應(yīng)用于林業(yè)測量的技術(shù)基礎(chǔ)。目前，使用TLS提取樹干直徑的方法主要有以下三種方法：擬合圓柱體、擬合圓與凸包折線。這三類方法都是根據(jù)高度在樹干的某一個高度范圍處(如1.2米至1.4米)選定用于提取樹干直徑的樹干點云，以此部分選定的樹干點云為基礎(chǔ)提取樹干直徑；擬合圓柱體的方法是直接將選定的樹干點云擬合為圓柱體，圓柱體的直徑即為樹干直徑；擬合圓的方法則將選定的樹干點云投影至水平面后在二維平面上對投影點云擬合圓，圓的直徑即為樹干直徑；凸包折線方法將選定的樹干點云投影至水平面后計算投影點集在二維平面上的凸包點，相鄰?fù)拱c相連構(gòu)成凸多邊形，凸多邊形周長除以圓周率Ω得到樹干直徑。根據(jù)樹干直徑的定義，樹干直徑是樹干橫斷面上的直徑。因此，準(zhǔn)確定位樹干的橫斷面是準(zhǔn)確提取樹干直徑的前提。樹干橫斷面是樹干生長方向垂直的一個斷面。樹干是一個不規(guī)則的幾何體，存在著不同程度的彎曲與扭曲，因此樹干橫斷面不一定與水平面平行，特定高度處的樹干橫斷面只與此高度處的樹干生長方向相關(guān)。外業(yè)調(diào)查時，調(diào)查人員根據(jù)圍尺所圍軌跡與樹干生長方向是否垂直調(diào)整圍尺的測量軌跡以確保直徑測量的正確性。圍尺在人為拉力的作用下將緊貼著樹干橫斷面的凸出部分，此時圍尺軌跡可看作一條過橫斷面凸包部位的閉合連續(xù)曲線。根據(jù)樹干直徑與樹干橫斷面的定義，現(xiàn)有使用TLS提取樹干直徑的三種方法存在著如下缺點：(1)用于提取樹干直徑的點云并未建立在定位樹干橫斷面的基礎(chǔ)上，直接根據(jù)樹干高度選定用于提取樹干直徑的點云必然導(dǎo)致提取的樹干直徑值不準(zhǔn)確；(2)提取樹干直徑的擬合方法構(gòu)建的樹干橫斷面幾何形狀與圍尺測量時構(gòu)成的幾何形狀不符，樹干橫斷面是一個不規(guī)則的幾何體，擬合圓柱體與擬合圓構(gòu)建的是規(guī)則的圓形橫斷面，凸包折線構(gòu)建的凸多邊形不能反映圍尺測量時圍尺軌跡的連續(xù)變化特征；現(xiàn)有方法構(gòu)建的樹干橫斷面形狀與圍尺測量直徑時形成的幾何形狀存在著偏差，這也必然導(dǎo)致現(xiàn)有方法提取的樹干直徑值不準(zhǔn)確。技術(shù)實現(xiàn)要素：有鑒于此，本發(fā)明的目的是針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種從地面激光雷達(dá)點云數(shù)據(jù)中提取樹干直徑的方法，用以實現(xiàn)是從地面三維激光掃描儀掃描的樹干點云中提取給定高度h處的樹干直徑。為達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案：一種從地面激光雷達(dá)點云數(shù)據(jù)中提取樹干直徑的方法，包括如下步驟：步驟1，從地面三維激光掃描儀獲取的樹木點云中提取樹干點云；步驟2，計算樹干在高度h處樹干橫斷面的定位點；計算樹干點云中的最低點，并以所述最低點為基礎(chǔ)計算樹干的高度；以最低點為基準(zhǔn)，以向量為平面的法向量，在最低點的上方h處與h+預(yù)設(shè)距離處分別構(gòu)建的兩個平面；位于兩個平面中間的樹干點云構(gòu)成了一個樹干點云塊，將樹干點云塊點云投影到樹干高度h處的平面上得到一個平面點云集，計算平面點云集構(gòu)成的凸包多邊形的質(zhì)心點，所述質(zhì)心點為平面點云集的幾何中心點與樹干在高度h處樹干橫斷面的定位點；步驟3，計算樹干在高度h處的生長方向與樹干橫斷面；樹干在高度h處的生長方向即是樹干在高度h處的樹干橫斷面的法向量；采用迭代方法計算樹干在高度h處的生長方向；第k次迭代計算為：構(gòu)建過定位點且法向量為的一個平面，所述平面為基準(zhǔn)平面；計算樹干在高度h處的生長方向其中，協(xié)方差矩陣的最大特征值對應(yīng)的特征向量為樹干在高度h處的生長方向平面法向量賦值為進(jìn)行第k+1次迭代；初次迭代時法向量為迭代結(jié)束條件為：相鄰兩次迭代得到的兩個樹干生長方向與的夾角θk小于0.5度或者θk與θk+1的角度差小于0.5度；迭代結(jié)束時的樹干生長方向即為樹干在高度h處的生長方向；以樹干在高度h處的生長方向為平面的法向量，通過定位點構(gòu)建樹干在高度h處的樹干橫斷面；步驟4，獲取用于計算樹干直徑的樹干點云及其凸包點；步驟5，構(gòu)建經(jīng)過凸包點的一條閉合三次B樣條曲線以模擬圍尺軌跡，提取樹干直徑。優(yōu)選的，所述步驟1，從地面三維激光掃描儀獲取的樹木點云中提取樹干點云，包括：使用地面三維激光掃描儀配備的點云處理軟件對地面三維激光掃描儀在多站掃描的點云進(jìn)行配準(zhǔn)得到單木的點云數(shù)據(jù)，經(jīng)移除地表點云、移除樹枝點云、移除離散噪聲點后得到樹干點云。優(yōu)選的，所述步驟2中，遍歷樹干點云集得到z坐標(biāo)值最小的一個點，并將得到的所述點設(shè)為樹干點云的最低點。優(yōu)選的，所述預(yù)設(shè)距離為0.5厘米。優(yōu)選的，所述步驟3中，計算樹干在高度h處的生長方向包括：以基準(zhǔn)平面為基礎(chǔ)，分別構(gòu)建5個與此平行的平面，其中3個平面位于基準(zhǔn)平面上方，2個平面位于基準(zhǔn)平面下方，且相鄰平面間的距離為0.5厘米；得到5個樹干點云塊與5個幾何中心點；對5個幾何中心點采用主成分分析方法計算樹干在高度h處的生長方向優(yōu)選的，所述步驟4，獲取用于計算樹干直徑的樹干點云及其凸包點，包括：在樹干橫斷面上方構(gòu)建一個與樹干橫斷面平行且距離為1厘米的平面，位于樹干橫斷面與平面間的樹干點云即為用于計算樹干直徑的樹干點云，將此部分點云投影至樹干橫斷面上得到一個三維空間上的平面點云集，采用幾何變換中的旋轉(zhuǎn)操作，將此平面點云集旋轉(zhuǎn)為與水平面平行的一個二維空間上的平面點云集，根據(jù)凸包算法計算此平面點云集的凸包點集QDhull。優(yōu)選的，所述步驟5，構(gòu)建經(jīng)過凸包點的一條閉合三次B樣條曲線以模擬圍尺軌跡，提取樹干直徑，包括：將QDhull首部的3個點依次加入到QDhull的尾部，同時也將尾部的3個點依次加入到QDhull的首部構(gòu)成插值點Q＝{Qk},k＝0,1,...,n；使用向心參數(shù)法計算插值點Q的節(jié)點參數(shù)值令d為總弦長，參數(shù)值定義為：再根據(jù)節(jié)點參數(shù)值使用平均值法計算節(jié)點向量U＝{u0,u1,...,um}，有其中，p＝3表示樣條曲線的次數(shù)，n＝|Q|表示插值點的個數(shù)，m＝n+p-1；然后采用全局曲線插值的方法求解非有理三次B樣條曲線的控制點，根據(jù)等式關(guān)系：其中，Ni,p(u)表示為：得到一個系數(shù)矩陣為(n+1)×(n+1)的線性方程組，求解方程組得到n+1個控制點{Pi}，根據(jù)非有理三次B樣條曲線的表達(dá)式：得到一條連續(xù)的曲線，該曲線會在QDhull的第一個節(jié)點Q0附近相交；設(shè)置QDhull的第一個節(jié)點Q0為首節(jié)點，從首節(jié)點處開始構(gòu)建，當(dāng)曲線環(huán)繞一周到達(dá)首節(jié)點時停止曲線的構(gòu)建即可得到完整的閉合曲線，此條閉合曲線就是模擬圍尺測量軌跡的曲線；非有理三次B樣條曲線是一條參數(shù)曲線，可表示為：根據(jù)弧長公式，對于給定的參數(shù)區(qū)間u∈α,β，曲線在此區(qū)間的弧長s計算公式可表示為：使用數(shù)值積分中的復(fù)合辛普森求積公式方法計算得到閉合曲線的長度L，則樹干直徑可表示為L/π。本發(fā)明的有益效果是：本發(fā)明根據(jù)樹干點云定位在樹干高度h處樹干橫斷面，獲取用于提取樹干直徑的樹干點云及其凸包點集的方法，在定位樹干橫斷面基礎(chǔ)上，結(jié)合圍尺測量直徑時的場景，通過構(gòu)建一條閉合的連續(xù)曲線模擬圍尺測量軌跡以提取樹干的直徑；本發(fā)明提取的直徑相較于現(xiàn)有技術(shù)，其誤差小、準(zhǔn)確性更高。本發(fā)明首先在給定高度處準(zhǔn)確定位樹干橫斷面，再根據(jù)圍尺寬度選擇用于提取樹干直徑的樹干點云，然后將選定的點云投影至樹干的橫斷面上，在計算投影點云凸包點的基礎(chǔ)上，使用三次B樣條方法構(gòu)建一條過凸包點的閉合曲線以模擬圍尺的測徑軌跡，從而提取樹干直徑。實驗表明，本發(fā)明能較好地模擬圍尺的測量軌跡，將從TLS提取樹干直徑的精度提高到了毫米級，滿足了林業(yè)測量的精度要求。本發(fā)明的其它特征和優(yōu)點將在隨后的說明書中闡述，并且，部分地從說明書中變得顯而易見，或者通過實施本發(fā)明而了解。本發(fā)明的目的和其他優(yōu)點可通過在所寫的說明書、權(quán)利要求書、以及附圖中所特別指出的結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)和獲得。附圖說明圖1是本發(fā)明的方法流程圖。圖2是定位樹干橫斷面的示意圖。圖3是獲取用于計算樹干直徑的點云示例圖。圖4是模擬的圍尺軌跡示例圖。具體實施方式下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明作進(jìn)一步描述。如圖1所示，本發(fā)明提供一種從地面激光雷達(dá)點云數(shù)據(jù)中提取樹干直徑的方法，包括如下步驟：步驟1，從地面三維激光掃描儀獲取的樹木點云中提取樹干點云；步驟2，計算樹干在高度h處樹干橫斷面的定位點；計算樹干點云中的最低點，并以所述最低點為基礎(chǔ)計算樹干的高度；以最低點為基準(zhǔn)，以向量為平面的法向量，在最低點的上方h處與h+預(yù)設(shè)距離處分別構(gòu)建的兩個平面；位于兩個平面中的樹干點云構(gòu)成了一個樹干點云塊，將樹干點云塊點云投影到樹干高度h處的平面上得到一個平面點云集，計算平面點云集構(gòu)成的凸包多邊形的質(zhì)心點，所述質(zhì)心點為平面點云集的幾何中心點與樹干在高度h處樹干橫斷面的定位點；步驟3，計算樹干在高度h處的生長方向與樹干橫斷面；樹干在高度h處的生長方向即是樹干在高度h處的樹干橫斷面的法向量；采用迭代方法計算樹干在高度h處的生長方向；第k次迭代計算為：構(gòu)建過定位點且法向量為的一個平面，所述平面為基準(zhǔn)平面；計算樹干在高度h處的生長方向其中，協(xié)方差矩陣的最大特征值對應(yīng)的特征向量為樹干在高度h處的生長方向平面法向量賦值為進(jìn)行第k+1次迭代；初次迭代時法向量為迭代結(jié)束條件為：相鄰兩次迭代得到的兩個樹干生長方向與的夾角θk小于0.5度或者θk與θk+1的角度差小于0.5度；迭代結(jié)束時的樹干生長方向即為樹干在高度h處的生長方向；以樹干在高度h處的生長方向為平面的法向量，通過定位點構(gòu)建樹干在高度h處的樹干橫斷面；步驟4，獲取用于計算樹干直徑的樹干點云及其凸包點；步驟5，構(gòu)建經(jīng)過凸包點的一條閉合三次B樣條曲線以模擬圍尺軌跡，提取樹干直徑。在一個實施例中，本發(fā)明提供一種從地面激光雷達(dá)點云數(shù)據(jù)中提取樹干直徑的方法，包括：步驟1，從地面三維激光掃描儀獲取的樹木點云中提取樹干點云。使用地面三維激光掃描儀配備的點云處理軟件對地面三維激光掃描儀在多站掃描的點云進(jìn)行配準(zhǔn)得到單木的點云數(shù)據(jù)，經(jīng)移除地表點云、移除樹枝點云、移除離散噪聲點后得到樹干點云。步驟2，計算樹干在高度h處樹干橫斷面的定位點。根據(jù)z軸的坐標(biāo)值，計算樹干點云中的最低點，并以此點為基礎(chǔ)計算樹干的高度；以最低點為基準(zhǔn)，以向量為平面的法向量，在最低點的上方h處與h+0.5厘米處分別構(gòu)建的兩個平面，樹干高度h處的平面如圖2所示。圖2中，虛線2為計算定位點時的下平面，點1為定位點，虛線3為樹干在高度h處的的橫斷面，箭頭所指方向為樹干橫斷面的法向量。圖3是獲取用于計算樹干直徑的點云示例圖。圖3中，虛線2是樹干的橫斷面，虛線1是與虛線2平行且到虛線2所在平面距離為1厘米的一個平面，位于虛線1與虛線2中間的樹干點云為即為用于計算樹干直徑的點云。位于兩個平面中的樹干點云構(gòu)成了一個樹干點云塊，將此部分點云投影到樹干高度h處的平面上得到一個平面點云集，計算此平面點云集構(gòu)成的凸包多邊形的質(zhì)心點，質(zhì)心點即為此平面點云集的幾何中心點，同時也是樹干在高度h處樹干橫斷面的定位點。步驟3，計算樹干在高度h處的生長方向與樹干橫斷面。樹干在高度h處的生長方向即是樹干在高度h處的樹干橫斷面的法向量。采用迭代方法計算樹干在高度h處的生長方向，第k次迭代計算為：構(gòu)建過定位點且法向量為的一個平面，稱此平面為基準(zhǔn)平面。以基準(zhǔn)平面為基礎(chǔ)，分別構(gòu)建5個與此平行的平面，其中3個平面位于基準(zhǔn)平面上方，2個平面位于基準(zhǔn)平面下方，且相鄰平面間的距離為0.5厘米；由此得到5個樹干點云塊與5個幾何中心點，對5個幾何中心點采用主成分分析方法計算樹干在高度h處的生長方向其中，協(xié)方差矩陣的最大特征值對應(yīng)的特征向量為樹干在高度h處的生長方向平面法向量賦值為進(jìn)行第k+1次迭代；初次迭代時法向量為迭代結(jié)束條件為：相鄰兩次迭代得到的兩個樹干生長方向與的夾角θk小于0.5度或者θk與θk+1的角度差小于0.5度；迭代結(jié)束時的樹干生長方向即為樹干在高度h處的生長方向；以樹干在高度h處的生長方向為平面的法向量，過定位點構(gòu)建樹干在高度h處的樹干橫斷面。步驟4，獲取用于計算樹干直徑的樹干點云及其凸包點。在得到樹干在高度h處的樹干橫斷面的基礎(chǔ)上，在此樹干橫斷面上方構(gòu)建一個與樹干橫斷面平行且距離為1厘米(圍尺的寬度)的平面，位于樹干橫斷面與平面間的樹干點云即為用于計算樹干直徑的樹干點云，將此部分點云投影至樹干橫斷面上得到一個三維空間上的平面點云集，采用幾何變換中的旋轉(zhuǎn)操作，將此平面點云集旋轉(zhuǎn)為與水平面平行的一個二維空間上的平面點云集，根據(jù)凸包算法計算此平面點云集的凸包點集QDhull。步驟5，構(gòu)建過凸包點的一條閉合三次B樣條曲線以模擬圍尺軌跡，從而提取樹干直徑。將QDhull首部的3個點依次加入到QDhull的尾部，同時也將尾部的3個點依次加入到QDhull的首部構(gòu)成插值點Q＝{Qk},k＝0,1,...,n；使用向心參數(shù)法計算插值點Q的節(jié)點參數(shù)值令d為總弦長，參數(shù)值定義為再根據(jù)節(jié)點參數(shù)值使用平均值法計算節(jié)點向量U＝{u0,u1,...,um}，有其中，p＝3表示樣條曲線的次數(shù)，n＝|Q|表示插值點的個數(shù)，m＝n+p-1；然后采用全局曲線插值的方法求解非有理三次B樣條曲線的控制點，根據(jù)等式關(guān)系：其中，Ni,p(u)表示為得到一個系數(shù)矩陣為(n+1)×(n+1)的線性方程組，求解方程組得到n+1個控制點{Pi}，根據(jù)非有理三次B樣條曲線的表達(dá)式：得到一條連續(xù)的曲線，該曲線會在QDhull的第一個節(jié)點Q0附近相交，為此可設(shè)置QDhull的第一個節(jié)點Q0為首節(jié)點，從首節(jié)點處開始構(gòu)建，當(dāng)曲線環(huán)繞一周到達(dá)首節(jié)點時停止曲線的構(gòu)建即可得到完整的閉合曲線，此條閉合曲線就是模擬圍尺測量軌跡的曲線。圖4模擬的圍尺軌跡示例圖，(a)與(c)分別是樹干橫斷面點云旋轉(zhuǎn)后得到的平面點云集，(b)與(d)是對應(yīng)的模擬圍尺測徑軌跡的閉合曲線。非有理三次B樣條曲線是一條參數(shù)曲線，可表示為：其中，u是參數(shù)，(xi,yi,zi)是曲線s(u)上的點，根據(jù)弧長公式，對于給定的參數(shù)區(qū)間u∈α,β，曲線在此區(qū)間的弧長s計算公式可表示為：本發(fā)明中，f(u)的原函數(shù)難以使用初等函數(shù)明確表達(dá)，因此使用數(shù)值積分中的復(fù)合辛普森求積公式方法計算得到閉合曲線的長度L，則樹干直徑可表示為L/π。以外業(yè)調(diào)查時獲取的31條樹干直徑數(shù)據(jù)作為真實值，采用本發(fā)明中的獲取用于計算樹干直徑的樹干點云的方法獲取對應(yīng)位置處的樹干點云，再分別使用擬合圓、凸包折線與本發(fā)明中的模擬圍尺測徑的方法提取樹干直徑，與外業(yè)調(diào)查的實測直徑相比，3種方法提取樹干直徑的精度比較如下表所示。表1不同方法實驗結(jié)果對照比MAPE/％RMSE/cmR2擬合圓2.66591.03150.9853凸包折線0.34480.16280.9868本發(fā)明0.34990.15560.9885表中評測指標(biāo)的含義及計算公式如下：平均絕對百分比誤差MAPE(meanabsolutepercentageerror)、均方根誤差RMSE(rootmeansquareerror)和決定系數(shù)R2；對應(yīng)計算公式如下：n為樣本單元，D是直徑的實測值，其平均值用表示，表示從樹干點云提取的直徑值。上述評價指標(biāo)中MAPE與RMSE越小越好(R2則越大越好)，這說明從樹干點云中提取直徑的準(zhǔn)確性越高。本發(fā)明通過獲取單木的樹干點云數(shù)據(jù)，定位樹干在指定高度處的樹干橫斷面，獲取用于提取樹干直徑的樹干點云并計算得到用于模擬圍尺測量軌跡的凸包插值點，根據(jù)凸包插值點構(gòu)建一條閉合的非有理三次B樣條曲線模擬圍尺測徑軌跡，最后根據(jù)閉合曲線長度計算樹干直徑。與現(xiàn)有方法相比，本發(fā)明能顯著提高從樹干點云中提取樹干直徑的精度，能滿足當(dāng)前林業(yè)測量精度的要求，為地面三維激光掃描儀在林業(yè)調(diào)查中的實際應(yīng)用提供了技術(shù)支撐。需要說明的是，以上實施例僅用以說明本發(fā)明的技術(shù)方案而非限制，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員對本發(fā)明的技術(shù)方案所做的其他修改或者等同替換，只要不脫離本發(fā)明技術(shù)方案的精神和范圍，均應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的權(quán)利要求范圍當(dāng)中。當(dāng)前第1頁1 2 3