用于分類LiDAR數(shù)據(jù)的方法和設備的制作方法
【專利摘要】一種編程的計算機或非易失性計算機可讀取存儲介質(zhì)具有可被處理器執(zhí)行的指令，以識別與植被項或其他物體相關聯(lián)的LiDAR數(shù)據(jù)點。每個LiDAR數(shù)據(jù)點被檢測以確定其是否落在對于更高的LiDAR點限定的封閉的表面的值內(nèi)。如果結(jié)果為是，則LiDAR點通過和先前識別的植被項相關聯(lián)的LiDAR點被分組。如果結(jié)果為否，則識別新的植被項。
【專利說明】用于分類LiDAR數(shù)據(jù)的方法和設備
[0001]本申請被授權(quán)并且要求于2011年9月26日提交的且名為“Method and Apparatusfor Sorting LiDar Data”的美國非臨時專利申請N0.13/245，514的優(yōu)先權(quán)權(quán)益，其內(nèi)容通過引用被包含在此。
【技術(shù)領域】
[0002]在此公開的技術(shù)涉及遙感且具體地涉及用于將LiDAR數(shù)據(jù)點分組以識別植被項的系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0003]作為對于例如林片(forest tract)等的感興趣區(qū)域的物理上的巡查的替代，許多土地所有者使用遙感技術(shù)來輔助森林管理。這樣的遙感技術(shù)可用于估計在感興趣的區(qū)域內(nèi)的樹木的數(shù)量以及評估其平均高度、樹齡、市場價值和其他信息。一個廣泛使用的遙感技術(shù)是光探測和測距(LiDAR)。使用LiDAR，飛機在感興趣區(qū)域上方飛行且飛機上的傳送和感測單元將激光脈沖指向地面。從植被和/或地面反射的激光脈沖被檢測單元接收。因為飛機的速度和高度是已知的，所以每個脈沖的往返時間提供了對于每個反射的脈沖的三維坐標。坐標可在計算機中被組合以產(chǎn)生感興趣區(qū)域的地形圖。
[0004]分析LiDAR數(shù)據(jù)的一個問題是能夠確定哪個LiDAR數(shù)據(jù)點與感興趣區(qū)域內(nèi)的單獨的樹木或其他的植被項相關聯(lián)。為此，一個技術(shù)在美國專利N0.7，474，964中公開(“‘964”)，該專利通過引用被包含在此。在‘964專利中，對于LiDAR點限定了數(shù)字傘。位于更高的點的重疊的數(shù)字傘區(qū)域內(nèi)的那些LiDAR點被假定與相同的植被項相關聯(lián)。雖然在‘964專利中描述的技術(shù)很好地起作用，但可對于例如在感興趣區(qū)域內(nèi)的樹木或其他物體的單獨的植被項進行改進。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0005]圖1A和圖1B圖示了用于將LiDAR數(shù)據(jù)點分組的已知的技術(shù)；
[0006]圖2A和圖2B圖不了根據(jù)所公開的技術(shù)的一個實施例的用于將LiDAR點分組的技術(shù)；
[0007]圖3圖示了用于實施所公開的技術(shù)的計算機系統(tǒng)的一個實施例；
[0008]圖4圖示了曲線圖，所述曲線圖示出了來自感興趣區(qū)域的一組LiDAR數(shù)據(jù)點如何通過高度進行分類；
[0009]圖5圖示了用于確定相鄰的LiDAR數(shù)據(jù)點是否屬于與單獨的植被項相關聯(lián)的相同的組或不同的組的一個技術(shù)；
[0010]圖6是通過計算機系統(tǒng)執(zhí)行以根據(jù)所公開的技術(shù)的一個實施例將LiDAR數(shù)據(jù)點分組的步驟的流程圖；
[0011]圖7圖示了確定與兩個橢球體相關聯(lián)的LiDAR點是否相交的一個方法。【具體實施方式】
[0012]如將在下文中進一步詳述，在此公開的技術(shù)涉及將LiDAR數(shù)據(jù)點分組以識別植被項或其他物體的方法。在一個實施例中，LiDAR數(shù)據(jù)點與通過封閉表面界定的體積相關聯(lián)。具有它們體積的相交的那些LiDAR數(shù)據(jù)點被分組或與單獨的植被項相關聯(lián)。不具有相交的體積的那些LiDAR點與不同的植被項相關聯(lián)。在一個實施例中，界定了體積的封閉表面是橢球體。在其他實施例中，封閉表面例如取決于正在被分析的植被的特征形狀可以是球體、柱體、錐體或其他封閉的三維表面。
[0013]圖1A和圖1B圖示了將LiDAR數(shù)據(jù)點分組以識別植被項的一個已知的方法。如在上文中在美國專利No7，474，964中所述，LiDAR數(shù)據(jù)點50、54、56表示了從第一植被項(例如，樹木)60的反射，而LiDAR數(shù)據(jù)點64和66表示來自第二樹木70的反射。為計算區(qū)域內(nèi)的樹木的數(shù)量，數(shù)字冠傘與LiDAR數(shù)據(jù)點50、54、56中的每一個相關聯(lián)。每個傘的尺寸取決于反射的激光脈沖的高度和在被分析的區(qū)域內(nèi)占優(yōu)的樹木類型的特征。位于任何這些限定的數(shù)字傘下方的任何LiDAR數(shù)據(jù)點被分類為屬于相同的植被項。對于缺少更好的項，LiDAR數(shù)據(jù)點的集簇的組經(jīng)常被稱為“塊”。如在圖1A中可見，LiDAR數(shù)據(jù)點64、66位于與LiDAR點54相關聯(lián)的數(shù)字傘下方。因此，這些LiDAR數(shù)據(jù)點可能被錯誤地假定為處在相同的塊內(nèi)，盡管它們與第二樹木相關聯(lián)。通過將傘下方的任何LiDAR數(shù)據(jù)點分組作為相同的塊的一部分，在給定的感興趣區(qū)域內(nèi)的樹木的數(shù)量可能被低估。
[0014]為了改進在‘964專利中描述的技術(shù)，所公開的技術(shù)操作以限定圍繞每個LiDAR數(shù)據(jù)點的封閉表面。封閉表面可以是卵形(例如，橢球體)、球體、柱體、錐體或其他形狀。特定的形狀可取決于在感興趣區(qū)域內(nèi)被感測的植被的自然形狀，或可基于哪個形狀產(chǎn)生最精確的結(jié)果的統(tǒng)計來選擇。封閉表面形狀可以是對稱的或非對稱的。在替代的實施例中，不同的封閉表面可對于例如用于較高的點的橢球體和用于較低的點的球體的LiDAR點來限定。為本公開的目的，封閉表面被描述為是橢球體。然而，將認識到的所公開的技術(shù)也應用于其他形狀。
[0015]如在圖2A中可見，LiDAR數(shù)據(jù)點80、82、84通過來自單獨的樹木90的反射被生成。每個LiDAR數(shù)據(jù)點與相應的橢球體80e、82e、84e相關聯(lián)。在一個實施例中，橢球體的尺寸取決于相應的LiDAR數(shù)據(jù)點的高度。較高的那些LiDAR數(shù)據(jù)點具有相應的更大的橢球體，且相反距地面較低的那些LiDAR數(shù)據(jù)點具有相應較小的橢球體。
[0016]在一個實施例中，橢球體不以LiDAR數(shù)據(jù)點為中心而是移動了距離dZ，所述距離dZ取決于LiDAR點的高度。在一個實施例中，距離dZ被確定為dZzmaHRjQ-C。，O)，其中Ri是基于所感興趣的樹種的地面真實數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析所選擇的橢球體的半徑，且C。是統(tǒng)計項，所述統(tǒng)計項被選擇使得每個塊幾乎存在一個樹木。作為初始估計，將C。的值被選擇為
0.1。橢球體的初始半徑及其延伸和C。的最終值在優(yōu)化過程中確定，所述優(yōu)化過程查詢每個塊識別了多少樹木且然后調(diào)整橢球體的參數(shù)使得每塊的樹木數(shù)量接近I。
[0017]圖2A也示出了與第二樹木100相關聯(lián)的LiDAR數(shù)據(jù)點94、96。LiDAR數(shù)據(jù)點94、96與相應的橢球體94e和96e相關聯(lián)。為了確定LiDAR數(shù)據(jù)點是否屬于單獨的植被項或者多個植被項，計算機系統(tǒng)確定與每個LiDAR數(shù)據(jù)點相關聯(lián)的橢球體的任一個是否相交或落在另一個橢球體的體積內(nèi)。如果如此，則LiDAR數(shù)據(jù)點在與單獨的植被項相關聯(lián)的單獨的塊內(nèi)被分組在一起。如果LiDAR數(shù)據(jù)點的橢球體不處在先前限定的橢球體的體積內(nèi)，則計算機系統(tǒng)確定在LiDAR數(shù)據(jù)中已發(fā)現(xiàn)新的植被項且對于此植被項限定新的塊。在圖2A中所示的示例中，與LiDAR數(shù)據(jù)點96相關聯(lián)的橢球體96e位于與LiDAR數(shù)據(jù)點94相關聯(lián)的橢球體94e的體積內(nèi)。因此，LiDAR數(shù)據(jù)點94和96在識別了分離的植被項或樹木100的相同的塊中被分組在一起。
[0018]如在圖2B中可見，當在LiDAR數(shù)據(jù)點上向下看時，LiDAR數(shù)據(jù)點80、82、84被分組至IJ第一塊內(nèi)，且LiDAR數(shù)據(jù)點94、96被分組到第二塊內(nèi)，以識別分離的植被項。相比之下，如在圖1A中所示，LiDAR數(shù)據(jù)點50、54、56、64、66被分組到僅限定了相應的單獨的植被項的單獨塊內(nèi)。
[0019]圖3圖示了可用于實施所公開的技術(shù)的代表性的計算機系統(tǒng)。計算機系統(tǒng)200包括被配置為執(zhí)行存儲在例如CD、DVD、硬盤驅(qū)動器、閃存驅(qū)動器的非易失性計算機可讀取介質(zhì)202上的或經(jīng)由例如互聯(lián)網(wǎng)204的計算機通信鏈路從遠程源接收的程序指令的一個或多個可編程處理器(未示出)。
[0020]計算機系統(tǒng)操作以執(zhí)行程序指令，以便將LiDAR數(shù)據(jù)分類為代表單獨的或相距緊密的植被項的塊。LiDAR數(shù)據(jù)的組可組合為圖，所述圖可在顯示器210上顯示或可使用打印機212打印在物理介質(zhì)上。替代地，數(shù)據(jù)的組可存儲在例如數(shù)據(jù)庫220的計算機存儲上，以用于隨后的觀察和分析。替代地，LiDAR數(shù)據(jù)的組可經(jīng)由計算機通信鏈路傳遞到一個或多個位于遠處的計算機系統(tǒng)，以用于觀察或分析。
[0021 ] 在一個實施例中，通過對于LiDAR數(shù)據(jù)點的第一次分類，將LiDAR數(shù)據(jù)點分組為代表單獨的或相距緊密的植被項的塊。如在圖4中所示，例如森林的感興趣區(qū)域230可被巡查且與數(shù)百萬的LiDAR數(shù)據(jù)點相關聯(lián)。LiDAR數(shù)據(jù)點存儲在計算機可讀取介質(zhì)內(nèi)且通過計算機系統(tǒng)200接收，所述計算機系統(tǒng)200分析數(shù)據(jù)點以限定代表單獨的或相距緊密的植被項。為了加速處理，可將感興趣區(qū)域分為更小的子區(qū)域，例如區(qū)域234，所述子區(qū)域234例如為20X20或30X30平方米。然而，應認識到的是取決于所涉及的計算機系統(tǒng)的處理能力和存儲器可使用其他的尺寸。
[0022]在一個實施例中，每個LiDAR數(shù)據(jù)點與x、y和z坐標相關聯(lián)，其中z代表了反射的LiDAR脈沖的海拔高度。LiDAR數(shù)據(jù)點首先根據(jù)其海拔高度被分類，所述分類以要被分析的LiDAR數(shù)據(jù)點的組內(nèi)的最聞點開始，如在圖4中所不。在一個實施例中，假定組內(nèi)的最聞LiDAR數(shù)據(jù)點與樹木或其他獨立植被項的頂部相關聯(lián)。組內(nèi)的剩余的LiDAR數(shù)據(jù)點被分析以確定它們是否處在具有更高的海拔的組內(nèi)的LiDAR數(shù)據(jù)點限定的封閉表面的邊界內(nèi)。
[0023]圖5圖示了由來樹木252的頂部的反射所造成的LiDAR數(shù)據(jù)點250。對于LiDAR數(shù)據(jù)點250限定了橢球體254。橢球體254具有通過其短軸和長軸限定的尺寸，所述短軸和長軸取決于LiDAR點250的高度。LiDAR點的高度和所造成的橢球體的尺寸之間的關系可基于對于要被拍攝的特定的感興趣的地理區(qū)域或植被種類的地面真實數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析選擇。例如，一些樹木可能是高的并且?guī)в行〉墓诓浚缁ㄆ焖?，而其他樹木可能具有更寬的冠部，例如落葉樹木等。另外，所造成的橢球體的尺寸可能取決于其他因素，例如所感興趣的森林的封閉度。具有更大封閉度的冠層典型地包含帶有更小的冠部的樹木。估計通過LiDAR數(shù)據(jù)巡查的感興趣區(qū)域的封閉度的一個方法在公開的美國專利申請N0.12/645，348(“‘348”)中描述，其通過引用被包含在此。
[0024]一旦橢球體已形成，將數(shù)據(jù)組內(nèi)的另外的LiDAR點與通過橢球體包圍的體積進行對比。在所示的示例中，識別了 LiDAR點260。為確定LiDAR點260是否代表新的樹木或是與LiDAR點250相關聯(lián)的樹木的一部分，計算機系統(tǒng)確定LiDAR點260的坐標是否處在橢球體254的邊界內(nèi)。在一個實施例中，計算機系統(tǒng)通過計算LiDAR點260的x和y坐標是否位于在LiDAR點260的高度處獲取的橢球體254的半徑R2內(nèi)來對此進行確定。如果X和y坐標位于半徑R2內(nèi)，則LiDAR點260被包括在對于LiDAR點250所限定的相同的塊內(nèi)。如果X和y坐標不處在半徑R2內(nèi)，則LiDAR點260可限定與例如樹木270的另一個植被項相關聯(lián)的新的塊。
[0025]如將認識到，存在可用于確定LiDAR點是否應被包括在相同的塊內(nèi)或應被分組在不同的塊內(nèi)的其他技術(shù)。例如，可對于每個LiDAR點限定橢球體且計算機系統(tǒng)可確定橢球體的表面是否重疊或接觸。如果是，則與接觸或重疊的橢球體相關聯(lián)的任何LiDAR數(shù)據(jù)點被包括在相同的塊內(nèi)。
[0026]如果使用對于橢球體的精確的幾何公式且從方程來代數(shù)地計算所述相交，則確定兩個橢球體是否相交是計算上復雜的運算。在一個實施例中，對于LiDAR點的集簇的目的不需要精確。當已知如下情況時如下描述的方法對于測試相交非常近似:
[0027]I)第一橢球體的原點具有比第二橢球體更大的Z值(B卩，高度)。
[0028]2)兩個橢球體是球形的(L=R)或在Z方向上是延長的(L>R)。
[0029]在圖7中所示的示例中，假定第一橢球體定心在x=0、Z=O的全局坐標處。第二橢球體的原點為(tx, tz)。第一橢球體的半徑和長度被指定為(Rl、LI)。第二橢球體的半徑和長度被指定為(R2、L2)。
[0030]為確定橢球體是否重疊
[0031]I)計算t=tx/tz的值。在幾何術(shù)語中這是I/ (兩個橢球體的連心線的斜率)。
[0032]2)確定第一橢球體上的點，其中平行于橢球體的線的斜率等于t。首先，使用橢球體方程的一階導數(shù)發(fā)現(xiàn)必須的X值且求解X，其中斜率=t:
【權(quán)利要求】
1.一種將LiDAR數(shù)據(jù)分類為組的計算機實施的方法，包括: 接收關于感興趣區(qū)域的一組LiDAR數(shù)據(jù)點； 分析所述組中的LiDAR數(shù)據(jù)點中的每一個以確定LiDAR數(shù)據(jù)點是否具有在對于所述組中的一個或多個其他LiDAR數(shù)據(jù)點限定的封閉表面內(nèi)的位置；以及 如果是，則將所述LiDAR數(shù)據(jù)點添加到與物體相關聯(lián)的先前限定的LiDAR數(shù)據(jù)點組；以及 如果否，則限定與新的物體相關聯(lián)的新的LiDAR數(shù)據(jù)點組。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述物體是森林中的樹木。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述封閉表面是橢球面。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述封閉表面是球面。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述封閉表面是錐面。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述封閉表面是柱面。
7.根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其中，所述LiDAR數(shù)據(jù)點是否在所述封閉表面內(nèi)的確定通過確定被分析的所述LiDAR數(shù)據(jù)點的坐標是否在被分析的所述LiDAR數(shù)據(jù)點的高度處獲取的橢球體的半徑內(nèi)來進行。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述對于每個LiDAR數(shù)據(jù)點限定的封閉表面具有取決于所述LiDAR數(shù)據(jù)點的高度的尺寸。
9.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其中，所述對于每個LiDAR數(shù)據(jù)點限定的封閉表面具有取決于從其獲得所述LiDAR數(shù)據(jù)的封閉度值的尺寸。
10.一種識別與森林中的單獨的樹木相關聯(lián)的LiDAR數(shù)據(jù)點的計算機實施的方法，包括: 接收關于感興趣區(qū)域的一組LiDAR數(shù)據(jù)點； 基于在所述組中的每個LiDAR數(shù)據(jù)點的高度將所述LiDAR數(shù)據(jù)點進行分類； 限定用于所述組中的所述LiDAR數(shù)據(jù)點中的每一個的封閉表面；以及 將具有重疊的封閉表面的一組LiDAR數(shù)據(jù)點限定為代表單獨的樹木。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的計算機實施的方法，其中，所述封閉表面通過橢球體限定。
12.根據(jù)權(quán)利要求10所述的計算機實施的方法，其中，所述封閉表面通過球體限定。
13.根據(jù)權(quán)利要求10所述的計算機實施的方法，其中，所述封閉表面通過錐體限定。
14.根據(jù)權(quán)利要求10所述的計算機實施的方法，其中，所述封閉表面通過柱體限定。
15.—種非易失性計算機可讀取介質(zhì)，所述非易失性計算機可讀取介質(zhì)在其上存儲有指令，所述指令可被計算機執(zhí)行以識別與植被項相關聯(lián)的LiDAR數(shù)據(jù)點，其中，所述指令導致處理器進行: 接收關于感興趣區(qū)域的一組LiDAR數(shù)據(jù)點； 分析所述組中的LiDAR數(shù)據(jù)點中的每一個以確定LiDAR數(shù)據(jù)點是否具有在對于所述組中的一個或多個其他LiDAR數(shù)據(jù)點限定的封閉表面內(nèi)的位置；和 如果是，則將所述LiDAR數(shù)據(jù)點添加到與植被項相關聯(lián)的先前限定的LiDAR數(shù)據(jù)點組；以及 如果否，則限定與新的植被項相關聯(lián)的新的LiDAR數(shù)據(jù)點組。
【文檔編號】G01V3/00GK103827697SQ201280046943
【公開日】2014年5月28日 申請日期:2012年9月13日 優(yōu)先權(quán)日:2011年9月26日
【發(fā)明者】杰弗里·J·韋爾蒂 申請人:韋爾豪澤Nr公司