基于Lidar数据的大规模三维森林可视化场景建立方法技术

本发明专利技术公开了一种基于激光雷达(Light Detection And Ranging，Lidar)数据的大规模三维森林可视化场景建立方法。利用激光雷达扫描获得的森林点云数据，首先提取出地面点和非地面点。地面点通过插值建立数字地形模型(DEM)数据，在非地面点中利用自顶向下的基于距离的单木分割算法，提取出单木及单木相关参数，通过OSG引擎对DEM地形数据、树木模型、专题数据进行组织与管理，建立场景模型，并开发出大规模的三维森林可视化场景建立方法。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种基于激光雷达森林点云数据的地形构建、林木模型提取和三维可视化的方法，具体是一种基于Lidar数据的大规模三维森林可视化场景建立技术。
技术介绍
激光雷达(Light Detection And Ranging，简称LIDAR)技术的兴起为解决如何快速获取大规模空间数据的问题提供了新的选择。激光雷达技术属于一种主动式的信息获取技术，从出现至今已经过了多年的发展，逐渐兴起并且越来越受到相关行业的重视。激光雷达测量技术是从20世纪中后期出现并逐步发展起来的一门新型技术，机载LIDAR系统是一个集成系统，包含了多个设备，主要有激光测距单元、光学机械扫描单元、控制记录单元、GPS接收机和惯性测量单元IMU(Inertial Measure Unit)等，其中激光测距单元又包括了激光发射器和接收机。激光测距单元主要是用于测量激光发射器与目标反射点之间的距离；光学机械扫描单元使机载LIDAR系统可以实现对目标表面沿某方向进行逐点测量；GPS接收机和IMU主要用来获取平台的姿态和位置，这两个设备联合起来又被称为导航系统，或者是POS(Positioning and Orientation system)系统，通过这些设备的组合解算获取点云数据空间信息。森林是复杂室外场景的一个典型代表，它不仅整体模型复杂，如树木种类繁多，数量庞大，而且其中每一个个体树木所包含的枝叶数不胜数，森林绘制的数据量非常庞大，远远超出了当前图形硬件的处理能力，对森林进行建模与绘制就显得更加困难。因此要实现三维森林场景的构建以及森林场景中交互式实时漫游，必须采用一些特殊的优化处理技术，来保证场景的实时渲染。同时，高精度地形数据也是海量数据，如何对其组织和管理，也存在技术难题。传统的树木模型建模都是通过3DMax，Maya，Creator等三维软件，通过坐标和纹理构建三维模型，并且需要调用树木的模型库，浪费大量的时间、人力；同时，通过软件创建的树木的模型并不是真实地理范围内树木的模型，它们的高度、冠幅、空间分布并不和真实地理场景中的树木相匹配，不能构建出真实的三维森林场景，不利于环保、国土、林业等以此为依据开展森林资源调查、规划、保护等应用，远远不能满足实际应用的需求。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种基于Lidar数据的大规模三维森林可视化场景建立技术，首先对目标区获取的点云数据进行预处理，采用单木分割算法提取森林中的单株林木信息。在此基础上利用OSG图形引擎，通过对大规模地形及森林景观进行数据的组织和管理，开发出大规模的三维森林可视化场景建立方法，以解决上述
技术介绍
中提出的森林参数获取困难、三维森林场景与现实差距较大、无法在生产中应用等问题。为实现上述目的，本专利技术提供一种基于Lidar数据的大规模三维森林可视化场景建立技术，利用实地扫描的点云数据，采用自顶向下的基于距离的单木分割算法，提取出单木及单木相关参数(树高、位置、冠幅、空间分布等)，再基于两级四叉树地形组织，通过OSG引擎对地形数据、树木模型、专题数据进行组织与管理，建立场景模型，然后通过动态Impostor技术混合OSG分页技术进行森林场景渲染；具体实施步骤为：1、Lidar数据预处理：(1)提取地面点和非地面点：根据Lidar数据，提取出地面点和非地面点的点云数据；(2)建立数字地形模型(DEM)数据：通过提取出的地面点，经插值生成DEM地形数据；2、在非地面点中提取树木点云信息：由上一步骤1中提取出的非地面的点云数据，归一化样区内的点到同一高程面上，找出最高点作为目标树的树冠点，通过点云间的空间距离与阈值的比较，从上往下找出归属于本棵树的点云集，之后移除本棵树的点云继续找寻剩下的最高点，按此方法依次迭代下去，直至所有点都被划归到单独的树木点集内，即利用本专利技术提出的自顶向下的基于距离的单木分割算法提取出单棵树木；3、树木点云信息自动建模：利用步骤2中提取出的树木点云信息，建立单棵树木模型，由单棵树木参数信息汇总，建立树木模型库；4、专题数据准备，包括数字线状图及土地利用图；5、基于两级四叉树地形组织，通过OSG引擎对DEM地形数据、树木模型、专题数据进行组织与管理，建立场景模型；6、通过动态Impostor技术混合OSG分页技术进行树木渲染。本专利技术利用实地扫描的森林三维点云数据，区分出地面点与非地面点，利用地面点生成数字地形模型，在非地面点中利用自顶向下的基于距离的单木分割算法，提取出单木及相关参数，通过OSG引擎对DEM地形数据、树木模型、专题数据进行组织与管理，建立场景模型，并进行了树木渲染，构建出真实的三维森林场景，具备很高的实际应用价值。附图说明图1为本专利技术中DEM地形数据实例图。图2为本专利技术基于Lidar数据的大规模三维森林可视化场景建立技术流程图。图3为本专利技术中impostor动态纹理生成技术的实例图。具体实施方式下面将结合本专利技术实施例，对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本专利技术保护的范围。本专利技术实施例中，如图2所示，本专利技术提供一种基于Lidar数据的大规模三维森林可视化场景建立技术，利用实地扫描的点云数据，采用自顶向下的基于距离的单木分割算法，提取出单木及单木相关参数(树高、位置、冠幅、空间分布等)，再基于两级四叉树地形组织，通过OSG引擎对地形数据、树木模型、专题数据进行组织与管理，建立场景模型，然后通过动态Impostor技术混合OSG分页技术进行森林场景渲染；具体实施步骤为：1、Lidar数据预处理：(1)提取地面点和非地面点：根据Lidar数据，提取出地面点和非地面点的点云数据；(2)建立数字地形模型(DEM)数据：通过提取出的地面点，经插值生成DEM地形数据，如图1；2、在非地面点中提取树木点云信息：由上一步骤(1)中提取出的非地面的点云数据，利用本专利技术的单木分割算法，提取出单棵树木，归一化样区内的点到同一高程面上，找出最高点作为目标树的树冠点，通过点云间的空间距离与阈值的比较，从上往下找出归属于本棵树的点云集，之后移除本棵树的点云继续找寻剩下的最高点，按此方法依次迭代下去，直至所有点都被划归到单独的树木点集内，即利用本专利技术提出的自顶向下的基于距离的单木分割算法提取出单棵树木；3、本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于Lidar数据的大规模三维森林可视化场景建立技术，其特征在于：利用实地扫描的点云数据，采用自顶向下的基于距离的单木分割算法，提取出单木及单木相关参数，再基于两级四叉树地形组织，通过OSG引擎对地形数据、树木模型、专题数据进行组织与管理，建立场景模型，然后通过动态Impostor技术混合OSG分页技术进行森林场景渲染；具体实施步骤为，(1)、Lidar数据预处理：1)提取地面点和非地面点：根据Lidar数据，提取出地面点和非地面点的点云数据；2)建立数字地形模型(DEM)数据：通过提取出的地面点，经插值生成DEM地形数据；(2)、在非地面点中提取树木点云信息：由上一步骤(1)中提取出的非地面的点云数据，归一化样区内的点到同一高程面上，找出最高点作为目标树的树冠点，通过点云间的空间距离与阈值的比较，从上往下找出归属于本棵树的点云集，之后移除本棵树的点云继续找寻剩下的最高点，按此方法依次迭代下去，直至所有点都被划归到单独的树木点集内，即利用本专利技术提出的自顶向下的基于距离的单木分割算法提取出单棵树木；(3)、树木点云信息自动建模：利用步骤(2)中提取出的树木点云信息，建立单棵树木模型，将单棵树木参数信息汇总，建立树木模型库；(4)、专题数据准备，包括数字线状图及土地利用图；(5)、基于两级四叉树地形组织，通过OSG引擎对DEM地形数据、树木模型、专题数据进行组织与管理，建立场景模型；(6)、通过动态Impostor技术混合OSG分页技术进行树木渲染。...

【技术特征摘要】
1.一种基于Lidar数据的大规模三维森林可视化场景建立技术，其特征在于：利用
实地扫描的点云数据，采用自顶向下的基于距离的单木分割算法，提取出单木及单木相关
参数，再基于两级四叉树地形组织，通过OSG引擎对地形数据、树木模型、专题数据进行
组织与管理，建立场景模型，然后通过动态Impostor技术混合OSG分页技术进行森林场
景渲染；具体实施步骤为，
(1)、Lidar数据预处理：
1)提取地面点和非地面点：根据Lidar数据，提取出地面点和非地面点的点云数据；
2)建立数字地形模型(DEM)数据：通过提取出的地面点，经插值生成DEM地形数据；
(2)、在非地面点中提取树木点云信息：
由上一步骤(1)中提取出的非地面的点云数据，归一化样区内的点到同一高程面...

【专利技术属性】
技术研发人员：郭庆华，徐光彩，孙喜亮，翟秋萍，刘瑾，薛宝林，
申请(专利权)人：中国科学院植物研究所，
类型：发明
国别省市：北京;11