一种利用地基激光雷达精准测定植被叶面积的方法技术

本发明专利技术公开了一种基于地基激光雷达点云重建树木叶片三维模型并精准测定叶面积的方法。针对现有叶面积估算的弊端和不足，为了降低叶面积估算成本，在不损伤树木的情况下，本发明专利技术提供了一个利用地基激光雷达精准估算叶面积的方法，使用该方法重建叶片三维模型并精准估算叶面积，为叶面积估测提供了一个更加高效准确的方法。本发明专利技术的研究目标包括：(1)开发树木叶片点云的自动建模方法，有利于更多人使用；(2)开发一种新的精准估算叶面积方法。(2)开发一种新的精准估算叶面积方法。(2)开发一种新的精准估算叶面积方法。

【技术实现步骤摘要】
一种利用地基激光雷达精准测定植被叶面积的方法
一、

[0001]本专利技术涉及一种基于地基激光雷达点云的用于精准估算植被叶面积自动重建叶片模型的方法。
二、技术背景
[0002]从激光雷达三维点云中重建出高精度的树木叶片模型并进行精准估算叶面积一直是林学、计算机图形学、树木生理生态学等众多学科研究的热点问题之一。叶片不仅是树木最重要的器官之一，同时也是树木叶片生理功能、形态特征分析、冠层光分布计算等研究的基础。叶片重建和参数计算对于理解树木的光合、呼吸、蒸腾作用以及碳和养分循环，评估相关生物学参数非常重要。叶面积是反映树木生长状态的重要指标，对于生态系统的监测、保护和恢复具有重要的参考价值。另外，叶面积还可以为森林资源调查、森林覆盖度评估、森林火灾预警等提供量化指标。而树木叶片三维模型不仅可以为森林结构参数获取、林分生长模拟等提供基础数据。还为研究树木光合作用、水分利用和生态适应性提供重要依据。因此获取高精度的植物叶片信息是目前农学、林学与生态学研究领域重点关注的问题。但由于传统的遥感方法只能提供相对粗糙的叶面积估计值，并且无法识别不同植物层之间的叶片分布，激光扫描仪需要物理接触，因此操作较为困难且昂贵。传统方法存在的问题表明需要一种新的叶面积估算方法，该方法能够提高叶面积的精确度并且易于操作。其中，地基激光雷达作为一种非接触式的植被数据采集工具，具有较高的水平角度分辨率和多角度反射率能力，被认为是一种有潜力的叶面积估算方法。本专利技术通过研究的基于地基激光雷达点云的叶片重建算法用于从点云中提取叶片的叶面积。提出了一种精准估算叶面积并高效的叶片模型自动重建方法。
[0003]将地基激光雷达点云重建叶片三维模型并精准估算叶面积将是一个新的尝试。将来自地基激光雷达点云作为叶片模型的输入数据会降低叶片三维重建的成本，因为地基激光雷达点云更容易获取。这种方法还真实还原了叶片原有的结构特征并大幅度提高了估算叶面积的精度。基于地基激光雷达精准估算叶面积的方法在乔木应用方面相关报道很少。本专利技术与已有的方法相比优势如下：
[0004](1)开发了一个地基激光雷达精准估算叶面积自动重建叶片模型的方法，首次基于地基激光雷达点云的叶片三维重建算法去处理乔木点云并精准估算叶面积。
[0005](2)证明了基于地基激光雷达对乔木叶片点云进行三维建模的可行性，为叶面积精准估算提供了一个更加高效的方法。
[0006](3)在叶片结构重建方面，模型更加接近树木叶片真实生长状态，可以更加高效的对树木的所有叶片点云进行三维重建并更加精准的估算叶面积。
三、
技术实现思路

[0007]对现有叶面积估算的弊端和不足，在不损伤树木的情况下，本专利技术提供了一个利用地基激光雷达精准估算叶面积的方法，使用该方法重建树木叶片三维几何结构并提取叶
面积，为叶面积估测提供了一个更加精准的方法。
[0008]主要
技术实现思路
：
[0009]一种利用地基激光雷达精准估算叶面积的方法。本专利技术的技术方案主要包含以下步骤：
[0010]1.采集地基激光雷达树木点云。使用FARO高精度三维激光扫描仪，获取树木的点云信息；然后生成树木三维点云，然后进行点云配准，将多个视角下的点云数据进行配准，以保证完整性和准确性。对原始的点云数据进行降噪和滤波：对于数据中含有的杂乱噪声和背景信息进行过滤和降噪，保留有用的树木信息。从单棵树木进行枝叶分离，实现从单棵树木点云中提取所有的叶片点云数据。分割后可对叶片点云数据进行逐一检查，对没有完全分割的树枝和叶片进行人工重新分割。将枝叶分离后的数据再进行叶叶分离，得到单个叶片的点云数据，进行批量重建，使模型更加接近树木叶片真实生长状态。
[0011]2.基于地基激光雷达获取的叶片点云中自动重建叶片三维模型并精准的估算叶面积。叶片结构模型是基于地基激光雷达点云的单个叶片几何结构的3D模型。利用重建好的三维模型对叶面积进行精准的估算，可以提高估算叶面积的精度。
[0012]算法的设计和实现过程如下：
[0013]①
将点投影到拟合平面上
[0014]将空间中的三维点集按照某个方向投影到一个平面上，得到该三维点集的投影平面。获取激光雷达点云点P的x,y,z坐标，将他们分别赋值给P1,P2,P3,从三个点P1,P2和P3构造一个平面。找出这个点P的平面法线n，并从点P和平面法线n构造一个平面。并在此平面上定义的第一个正交基和第二个正交基。将三维点转换为相对于由三个点定义的局部坐标系的二维点，正交向量分别为b1、b2和n1。经过3D
‑
>2D和2D
‑
>3D转换后，如果原始三维点不在平面上，则生成的三维点将坐标等于输入点在平面上的投影。转换由三个正交向量b1定义的局部坐标系中的二维点，如果原始三维点不在平面上，则生成的三维点将坐标等于输入点在平面上的投影。一个点在这个平面上的投影。为给定点p计算平面。计算点p到该平面的平方距离。由其两个端点Ps和Pt给出是否与该平面相交，并测试直线是否与该平面相交。如果它们确实相交，点p存储相交点。它们不相交，这意味着线段的两个端点位于平面的同一侧。确定点相对于此平面的相对方向。p在正侧为1，p属于平面为1，p在负侧为
‑
1。法线方向为(A，B，C)，投影点是p
‑
lambda(A，B，C)，平面方程计算如下：
[0015]a*x+b*y+c*z+d＝0
ꢀꢀꢀꢀ
(1)
[0016]②
投影点的Delaunay三角剖分
[0017]将
①
中获取的投影点进行Delaunay三角剖分，首先创建一组点，这些点将被用作网格的构建基础。然后计算Delaunay三角剖分，使用这组点计算Delaunay三角剖分。首先，找到一个外接圆不包含任何其他点的三角形，将其加入初始三角剖分中，然后针对其余的点进行插入操作，不断更新三角剖分直到满足Delaunay条件为止。对三角形质量进行优化。将Delaunay三角形形变成定义的网格，使所有三角形都满足最小角度阈值，并且边长比例比较均匀。插入约束边界，在网格中插入约束边界，使用区域外部边界、内部障碍物边界进行约束。对网格进行精细化处理，对已经存在的三角形进行细分，生成更高精度的网格。
[0018]③
从三角剖分创建曲面网格
[0019]曲面网格是一个一致且可定向的多边形网格，可能有一个或多个边界。面是简单
的多边形，边是线段。每条边连接两个顶点，并且由两个面共享(包括边界边的空面)。曲面网格可以有任意数量连接的组件以及一些自相交。有拓扑类型的基类(在内部它基本上是一个索引)比如顶点、半边缘、边、面等，利用生成Delaunay三角剖分，在保证表面光滑性的前提下，通过连接相邻点之间的边构造三角形，从而将整个模型分成若干个三角形(添加位置点p的新顶点，然后添加具有顶点列表P的新面，添加三角形，设置一个连接顶点v1、v2、v3的新三角形)。利用三角剖本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于地基激光雷达点云重建树木叶片三维模型的方法，其特征在于：提高了叶面积估算精度，在不损伤树木的情况下本发明提供了一个地基激光雷达精准估算叶面积的方法，使用该方法重建叶片三维几何结构并精准估算叶面积，为估算叶面积提供了一个更加高效的方法。2.根据权利要求1所述的一种基于地基激光雷达点云重建树木叶片三维模型的方法，其特征在于，所述该种基于地基激光雷达点云重建树木叶片三维模型的方法的技术方案：(1)采集地基激光雷达树木点云。使用FARO高精度三维激光扫描仪，获取树木的点云信息；然后生成树木三维点云，然后进行点云配准，将多个视角下的点云数据进行配准，以保证完整性和准确性。对原始的点云数据进行降噪和滤波：对于数据中含有的杂乱噪声和背景信息进行过滤和降噪，保留有用的树木信息。最后从单棵树木进行枝叶分离，实现从单棵树木点云中提取所有的叶片点云数据。分割后可对叶片点云数据进行逐一检查，对没有完全分割的树枝和叶片...

【专利技术属性】
技术研发人员：肖辉杰，辛智鸣，朱长珂，范光鹏，
申请(专利权)人：北京林业大学，
类型：发明
国别省市：