本發(fā)明涉及一種樹干參數(shù)提取技術，尤其是涉及一種基于激光點云數(shù)據(jù)的樹干材積獲取方法。

背景技術：

地面三維激光掃描技術(terrestriallaserscanningtechnology，簡稱tls)是一種新型的測繪技術，產生于20世紀90年代。tls可快速準確的獲得目標物體表面的點云數(shù)據(jù)信息，從而可以快速構建目標物體的三維模型。經過近20多年來的發(fā)展，三維激光掃描儀已經可以連續(xù)快速地對被觀測物體進行非接觸式測量，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)相關參數(shù)是近10年來的研究熱點。

樹干材積是測樹學中的基本測樹因子，是樹木經濟價值的直接體現(xiàn)，也是計算樹木生物量與碳儲量的基礎。傳統(tǒng)上將樹干簡化為一個繞中心軸旋轉的旋轉體，以此為基礎估算樹干材積。然而樹干形狀是不規(guī)則的，旋轉體的簡化結構過于簡化了樹干的幾何形狀，在此基礎上計算得到的樹干材積必定與樹干的真實材積存在著差異，也正因如此，如何準確計算樹干材積是林業(yè)工作者一直關注的問題。

技術實現(xiàn)要素：

有鑒于此，本發(fā)明的目的是針對現(xiàn)有技術的不足，提供一種基于激光點云數(shù)據(jù)的樹干材積獲取方法，用以根據(jù)樹干點云獲取精確的樹干材積。

為達到上述目的，本發(fā)明采用以下技術方案：

一種基于激光點云數(shù)據(jù)的樹干材積獲取方法，包括如下步驟：

步驟1，對樹干點云垂直分段；

步驟2，逐一計算各個垂直分段的體積；

步驟3，計算所有垂直分段體積的累加和。

優(yōu)選的，所述步驟1，對樹干點云垂直分段，包括：

以高度為標準，計算樹干點云中的最低點plowest，其中zlowest為最低點plowest的高度值，并以所述最低點plowest為基礎計算樹干的高度；

構建平面π0與π1，其方程分別為z＝zlowest與z＝zlowest+thickness，其中thickness是每一個垂直分段的高度；則位于平面π0與π1間的點云形成樹干點云的一個垂直分段q0；繼續(xù)向上構建平面π2，其方程為z＝zlowest+thickness*2，則位于平面π1與π2間的樹干點云形成另一個垂直分段q1；則，平面πi的方程可表示為z＝zlowest+thickness*i，位于平面πi與πi+1間的樹干點云形成點云垂直分段qi；其中，平面πi與平面πi+1分別稱為垂直分段qi的下平面與上平面；按照上述垂直分段的構建方法直至樹梢部位得到若干個樹干點云的垂直分段。

優(yōu)選的，所述步驟2，逐一計算各個垂直分段的體積，包括：

計算垂直分段在下平面的投影點集；

計算垂直分段的斷面輪廓點；

構建斷面輪廓曲線并計算樹干斷面的斷面積；

計算垂直分段的體積。

優(yōu)選的，所述計算垂直分段在下平面的投影點集，包括：

計算垂直分段qi在其下平面的投影點集qi′；將垂直分段qi中的樹干點云投影至垂直分段qi的下平面πi得到一個平面點集qi′；計算平面點集qi′的凸包多邊形的質心點作為平面點集qi′的幾何中心點ci。

優(yōu)選的，所述計算垂直分段的斷面輪廓點，包括：

設點pm為垂直分段qi中的一個點，pm′表示點pm在垂直分段qi下平面的投影，則幾何中心點ci與投影點pm′構成的向量與x軸的夾角可表示為：根據(jù)角度分區(qū)的角度值θ，將平面點集qi′中的點分為個角度分區(qū)，每個角度分區(qū)qij中的點可表示為：計算每一個角度分區(qū)qij中點的重心點，所述重心點為所述角度分區(qū)中所有點的幾何平均值；并將所述重心點作為所述角度分區(qū)的輪廓點，由此得到垂直分段qi的個輪廓點。

優(yōu)選的，所述構建斷面輪廓曲線并計算樹干斷面的斷面積，包括：設垂直分段qi的斷面輪廓點集合用rprofile表示，首先采用非有理三次b樣條曲線構建一條插值于點集rprofile的閉合曲線，所述閉合曲線即為斷面輪廓曲線；斷面輪廓曲線所圍區(qū)域的面積即為樹干斷面的斷面積。

優(yōu)選的，所述構建斷面輪廓曲線并計算樹干斷面的斷面積，包括：

將rprofile首部的3個點依次加入到rprofile的尾部同時也將尾部的3個點依次加入到rprofile的首部，構成插值點r＝{rk},k＝0,1,...,n；

使用弦長參數(shù)法計算插值點r的節(jié)點參數(shù)值令d為總弦長，節(jié)點參數(shù)值定義為：

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,u0,...,um}，有

其中，p＝3表示樣條曲線的次數(shù)，n＝|r|表示插值點的個數(shù)，m＝n+p-1；

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，得到系數(shù)矩陣為(n+1)×(n+1)的線性方程組：

其中，ni,p(u)表示為

求解方程組得到n+1個控制點{pi}，根據(jù)非有理三次b樣條曲線的表達式p＝3；可得到一條連續(xù)曲線，設置rprofile的第一個節(jié)點r0為首節(jié)點，從首節(jié)點處開始構建，當曲線環(huán)繞一周到達首節(jié)點時停止曲線的構建，即可得到完整的閉合曲線，所述的閉合曲線即為斷面輪廓曲線；

斷面輪廓曲線是一條閉合曲線，根據(jù)格林公式將該閉合曲線所圍區(qū)域的面積轉換為第一類曲線積分的計算，從而得到樹干斷面的斷面積si。

優(yōu)選的，所述計算垂直分段的體積，包括：

計算垂直分段qi的體積vi，將垂直分段近似為一個柱體，斷面形狀為斷面輪廓曲線所圍區(qū)域的形狀，則根據(jù)柱體體積公式，垂直分段qi的體積vi可表示為vi＝si*thickness。

優(yōu)選的，所述步驟3，計算所有垂直分段體積的累加和，包括：所有垂直分段體積的累加和即為樹干材積，樹干材積的計算公式可表示為v＝thickness*∑si，v為樹干材積。

優(yōu)選的，所述垂直分段的高度值thickness為0.5厘米。

本發(fā)明的有益效果是：

傳統(tǒng)上使用區(qū)分求積法計算伐倒木的樹干材積，其建立在將樹干簡化為樹干橫斷面是圓，樹干中心軸為直線的旋轉體的基礎上，該方法將樹干區(qū)分成若干等長或不等長的區(qū)分段，使各區(qū)段的干形更接近于正幾何體，再根據(jù)近似求積式計算各分段材積，合計各分段材積得到樹干材積。計算立木的樹干材積的傳統(tǒng)方法是采用經驗公式，將立木高度與直徑的測量值代入材積經驗公式得到立木的樹干材積。由于材積經驗公式建立在伐倒木材積計算的基礎上，因此伐倒木與立木的材積計算都建立在樹干橫斷面為圓，樹干中心軸為直線的規(guī)則旋轉體的幾何理論基礎之上。然而樹干形狀是不規(guī)則的，樹干橫斷面也不是規(guī)則的圓形，因此在此簡化基礎上計算的材積與樹干的真實材積存在著差異。

本發(fā)明建立在精確計算樹干斷面積的基礎上，通過精確獲取樹干斷面的輪廓點，進而構建一條閉合的斷面輪廓曲線，閉合曲線所圍面積即為斷面面積，該段斷面積計算方式建立在獲取樹干斷面輪廓的基礎上，貼近于樹干斷面的真實輪廓；而且使用的thickness值為0.5厘米，對于一段長度為0.5厘米的樹干，其在各處的斷面幾乎相同，因此本發(fā)明計算的垂直分段的體積非常接近于垂直分段的真實體積。相對比傳統(tǒng)上伐倒木和立木的不同材積計算方法，本發(fā)明在獲取樹干點云的基礎上，無需區(qū)分伐倒木還是立木，均可使用本發(fā)明的方法計算樹干材積。

本發(fā)明在精確計算樹干斷面斷面積的基礎上精確計算樹干材積，相比于傳統(tǒng)的將樹干斷面簡化為圓來計算樹干斷面的斷面積的方法，本發(fā)明在獲取樹干斷面輪廓的基礎上計算樹干斷面的斷面積，具有較高的精確性，從而為準確提取樹干生物量、碳儲量與樹干量材優(yōu)化等與樹干材積的相關研究與應用提供基礎數(shù)據(jù)。

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、權利要求書、以及附圖中所特別指出的結構來實現(xiàn)和獲得。

附圖說明

圖1是本發(fā)明一種基于激光點云數(shù)據(jù)的樹干材積獲取方法的流程圖。

圖2是本發(fā)明一種基于激光點云數(shù)據(jù)的樹干材積獲取方法步驟2的流程圖。

圖3是樹干點云垂直分段的示例圖。

圖4是斷面輪廓曲線的示例圖。

具體實施方式

下面結合附圖和實施例對本發(fā)明作進一步描述。

如圖1所示，本發(fā)明提供一種基于激光點云數(shù)據(jù)的樹干材積獲取方法，包括如下步驟：

步驟1，對樹干點云垂直分段；

步驟2，逐一計算各個垂直分段的體積；

步驟3，計算所有垂直分段體積的累加和。

步驟1，對樹干點云垂直分段，包括：

根據(jù)z軸坐標，也即高度值，計算樹干點云中的最低點plowest，設最低點plowest的z軸坐標為zlowest，并根據(jù)最低點為基礎計算樹干的高度；

構建平面π0與π1，其方程分別為z＝zlowest與z＝zlowest+thickness，其中thickness是每一個垂直分段的高度值。則位于π0與π1間的點云形成樹干點云的一個垂直分段q0；繼續(xù)向上構建平面π2，其方程為z＝zlowest+thickness*2，則位于平面π1與π2間的樹干點云形成另一個垂直分段q1；則，平面πi的方程可表示為z＝zlowest+thickness*i，位于平面πi與πi+1間的樹干點云形成點云垂直分段qi；其中，平面πi與平面πi+1分別稱為垂直分段qi的下平面與上平面；按照上述垂直分段的構建方法直至樹梢部位得到若干個樹干點云的垂直分段；如圖3所示，圖中上平面1與上平面2之間是垂直分段qi。

thickness的值可根據(jù)實際需求預先設定，其值的大小可調，其值越小越好，但考慮到點云密度的影響，在一個實施例中，thickness的值為0.5厘米。thickness的值越小，計算得到的體積越精確，但受點云密度的影響，若thickness的值太小，則垂直分段中包括的點云太少，容易導致計算的斷面輪廓點無法反映斷面的真實輪廓，若thickness的值太大，樹干在此段范圍內干形有較大變化，則導致體積計算精度降低。

如圖2所示，步驟2，逐一計算垂直分段qi的體積vi，包括如下步驟：

步驟201，計算垂直分段在下平面的投影點集；

步驟202，計算垂直分段的斷面輪廓點；

步驟203，構建斷面輪廓曲線并計算樹干斷面的斷面積；

步驟204，計算垂直分段的體積。

對于一個特定的垂直分段qi，將qi中的樹干點云投影至垂直分段的下平面得到平面投影點集qi′，計算平面點集qi′構成的凸包多邊形的質心點ci，根據(jù)點ci和qi′中點構成的向量與角度分區(qū)的角度值θ度對投影點集qi′進行角度分區(qū)，再計算每一個角度分區(qū)的重心點，個角度分區(qū)的重心點構成斷面的輪廓點rprofile；再采用非有理三次b樣條曲線構建一條過點集rprofile的閉合曲線，該曲線為斷面輪廓曲線；然后再使用格林公式計算閉合曲線所圍區(qū)域的面積的積分轉換為第一類曲線積分，計算得到樹干斷面的斷面積si；垂直分段qi的體積vi可表示為vi＝thickness*si平方厘米。

在一個實施例中，θ值為1度(θ的值越小，斷面輪廓點越多，斷面輪廓會越準確，但受點云密度的影響，當θ太小，容易導致角度分區(qū)中無點云，當θ值為1度時，可確保斷面在360個方位上都有輪廓點，基本上能真實反映樹干斷面的輪廓特征)。該實施例中，采用平面點集凸包多邊形的質心點作為平面點集的幾何中心點；根據(jù)角度分區(qū)的角度值與平面點集的幾何中心點對平面點集進行角度分區(qū)的方法。

步驟2具體包括如下步驟：

計算垂直分段qi在其下平面的投影點集qi′，將垂直分段qi中的樹干點云投影至垂直分段qi的下平面πi得到一個平面點集qi′；計算平面點集qi′的凸包多邊形的質心點作為平面點集qi′的幾何中心點ci；

設點pm為垂直分段qi中的一個點，pm′表示點pm在垂直分段qi下平面的投影，則幾何中心點ci與投影點pm′構成的向量與x軸的夾角可表示為：

根據(jù)角度分區(qū)的角度值θ，將平面點集qi′中的點分為個角度分區(qū)，每個角度分區(qū)qij中的點可表示為：pm′∈qi′}，計算每一個角度分區(qū)qij中點的重心點(該角度分區(qū)中所有點的幾何平均值)，并將該重心點作為該角度分區(qū)的輪廓點，由此得到垂直分段qi的個輪廓點；

構建斷面輪廓曲線并計算樹干斷面的斷面積，設垂直分段qi的斷面輪廓點集合用rprofile表示，首先采用非有理三次b樣條曲線構建一條插值于點集rprofile的閉合曲線，該閉合曲線即為斷面輪廓曲線；斷面輪廓曲線所圍區(qū)域的面積即為樹干斷面的斷面積。具體方法為：

將rprofile首部的3個點依次加入到rprofile的尾部同時也將尾部的3個點依次加入到rprofile的首部，構成插值點r＝{rk},k＝0,1,...,n；

使用弦長參數(shù)法計算插值點r的節(jié)點參數(shù)值令d為總弦長，參數(shù)值定義為：

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,u0,...,um}，有

其中，p＝3表示樣條曲線的次數(shù)，n＝|r|表示插值點的個數(shù)，m＝n+p-1；

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，得到系數(shù)矩陣為(n+1)×(n+1)的線性方程組：

其中，ni,p(u)表示為

求解方程組得到n+1個控制點{pi}，根據(jù)非有理三次b樣條曲線的表達式p＝3；可得到一條連續(xù)曲線，設置rprofile的第一個節(jié)點r0為首節(jié)點，從首節(jié)點處開始構建，當曲線環(huán)繞一周到達首節(jié)點時停止曲線的構建，即可得到完整的閉合曲線，所述的閉合曲線即為斷面輪廓曲線；圖4斷面輪廓曲線的示例圖；

斷面輪廓曲線是一條閉合曲線，根據(jù)格林公式可將該閉合曲線所圍區(qū)域的面積轉換為第一類曲線積分的計算，從而得到樹干斷面的斷面積si；

計算垂直分段qi的體積vi，將垂直分段近似為一個柱體，斷面形狀為斷面輪廓曲線所圍區(qū)域的形狀，則根據(jù)柱體體積公式，垂直分段qi的體積vi可表示為vi＝si*thickness。

步驟3，計算所有垂直分段體積的累積和，包括：

合計步驟2計算的每一個垂直分段的體積即得到樹干的材積，其公式為v＝thickness*∑si。在一個實施例中，thickness的值為0.5厘米，則公式可表示為v＝0.5*∑si。

需要說明的是，以上實施例僅用以說明本發(fā)明的技術方案而非限制，本領域普通技術人員對本發(fā)明的技術方案所做的其他修改或者等同替換，只要不脫離本發(fā)明技術方案的精神和范圍，均應涵蓋在本發(fā)明的權利要求范圍當中。