一种基于点云的树木骨架构建与树木结构化参数提取方法技术

本发明专利技术公开提供一种基于点云的树木骨架构建与树木结构化参数提取方法，包括如下步骤：步骤1，移除噪声点并获取点间遍历关系；步骤2，生成树木点云块；步骤3，生成树木骨架点；步骤4，树木骨架点连接与分类；步骤5，树木骨架优化；步骤6，树木结构化参数提取。本发明专利技术以地面三维激光扫描仪扫描获取的树木点云为数据，构建一种可准确反映树木几何形状特征及树木组成结构特征的树木骨架，并根据骨架提取树木的结构化参数，为树木精确测量与森林精准经营提供技术支撑。提供技术支撑。提供技术支撑。

【技术实现步骤摘要】
一种基于点云的树木骨架构建与树木结构化参数提取方法


[0001]本专利技术涉及一种单株树木骨架构建与参数提取
，尤其是涉及一种基于点云的树木骨架构建与树木结构化参数提取方法。

技术介绍

[0002]树木骨架是树木复杂几何形状的一种简化表示方式，其通过点与点之间的线段表示树木的几何拓扑结构。构建与树木几何结构相符的树木骨架并由此提取树木几何结构参数，如树干高度、树枝长度、树枝生长高度、树枝与依附生长的树干或树枝的角度等，构建的骨架与提取的参数对研究树木的生长规律、生长趋势具有重要的意义。现有树木骨架构建方法构建的树木骨架不能贴近树木的真实几何结构，不能表示树木骨架中的树干、一级枝、二级枝等树木组成结构信息，更无法从中提取树木的结构化参数，如树干高度、树枝高度与长度(一级枝、二级枝)，树枝数量(如一级枝个数、二级枝个数、一级枝上二级枝的个数),树干或树枝在某一位置处的生长方向等。

技术实现思路

[0003]有鉴于此，本专利技术的目的提供一种基于点云的树木骨架构建与树木结构化参数提取方法，能够准确构建可以反映树木几何拓扑结构及树木组成元素的树木骨架，并提取树木的结构化参数。
[0004]为达到上述目的，本专利技术采用以下技术方案：
[0005]一种基于点云的树木骨架构建与树木结构化参数提取方法，包括如下步骤：
[0006]步骤1，移除噪声点并获取点间遍历关系；
[0007]步骤2，生成树木点云块；
[0008]步骤3，生成树木骨架点；
[0009]步骤4，树木骨架点连接与分类；
[0010]步骤5，树木骨架优化；
[0011]步骤6，树木结构化参数提取。
[0012]优选的，所述步骤1，移除噪声点并获取点间遍历关系包括：
[0013]步骤101，移除噪声点，包括：以地面三维激光扫描仪扫描一株树木得到的树木点云P0为输入数据，以选定的邻域距离半径eps与邻域距离半径eps中点的最小个数minPts为参数，对树木点云执行基于密度的聚类算法DBSCAN，得到多个点数量大小不同的聚类簇；参数eps与minPts值的选择应使得这些聚类簇中点的数量最多的一个簇能覆盖树木80％高度以上的点，此时该数量最多的一个簇即是提取树木骨架的树木点云P，其它簇均是噪声点并进行移除；
[0014]步骤102，获取点间遍历关系，包括：以树木点云P为输入，再次以参数邻域距离半径eps与minPts值执行DBSCAN算法，其过程如下：从树木点云P中Z轴最小的点开始遍历，按照点坐标的Z值升序的形式逐一对点遍历，并计算点遍历的先后次序关系；具体为：对一个
点p
i
(x
i
,y
i
,z
i
)，若点p
j
位于点p
i
的邻域距离半径eps范围内，且p
j
的先序节点未标注，则标注p
j
的先序节点为p
i
；若点p
i
是第一个开始遍历的点，则点p
i
的先序节点是其自身；由于树木点云P是步骤101中得到的一个完整的聚类簇，因此树木点云P中的每一个点都有一个先序节点，即可获取到树木点云P中点间的遍历关系。
[0015]优选的，所述步骤2，生成树木点云块，包括：
[0016]根据预设的高度参数h与树木点云P在Z轴上的最小值Z
min
与最大值Z
max
，将树木点云P划分为个垂直分段，每个垂直分段高度均为h；然后对每个垂直分段分别执行以参数eps与minPts的DBSCAN聚类算法，在每一个垂直分段上得到多个聚类簇，每个聚类簇是一个树木点云块P
i
，所有垂直分段的所有聚类簇构成所有的树木点云块，所有树木点云块的并集即为树木点云P。
[0017]优选的，所述步骤3，生成树木骨架点，包括：对于第k个垂直分段的一个树木点云块P
i
，将P
i
投影至平面Z＝Z
min
+h*k(Z
min
是树木点云P在Z轴上的最小值，得到一个投影点集P
i
′
，计算投影点集P
i
′
的凸包多边形的质心点c
i
，构建插值于凸包点的一条闭合三次Bezier曲线，该闭合曲线的长度除以2π即得到树木点云块的半径r；以质心点c
i
为反演中心，r为反演半径，对于P
i
′
中的一个点p
j
′
∈P
i
′
，计算点p
j
′
的反演点p
j
″
使得c
i
p
j
′
·
c
i
p
j
″
＝r2，并称p
j
′
是p
j
″
的对应点；对P
i
′
中所有点执行点反演计算得到点集P
i
′
的一个反演点集P
i
″
，计算反演点集P
i
″
的凸包，然后获取凸包中每一个点在树木点云块P
i
中的对应点，并依照次序构建一个多边形，计算该多边形的质心点c
i
′
并作为树木点云块P
i
的树木骨架点；一个树木点云块对应一个树木骨架点，对所有树木点云块进行上述计算得到所有树木点云块的树木骨架点。
[0018]优选的，所述步骤4，树木骨架点连接与分类，包括：
[0019]步骤401，树木点云块P
i
是树木点云P的子集，因此可根据树木点云P中点间的遍历关系计算树木点云块P
i
与树木点云块P
j
的先后遍历关系，即可得到树木骨架点间的先后连接关系，包括：对树木点云块P
i
中点的先序节点做归属个数统计并做降序排列，若树木点云块P
i
中点的先序节点属于树木点云块P
j
个数的降序排列第一，即树木点云块P
i
中点的先序节点属于树木点云块P
j
的数量最多，则树木点云块P
i
的先序树木点云块为P
j
，对应的，树木点云块P
i
的树木骨架点c
i
′
的先序节点为树木点云块P
j
的树木骨架点c
j
′
，即c
i
′
是c
j
′
的子节点，c
j
′
是c
i
′
的父节点；逐一对树木点云块执行上述操作，得到树木骨架点间的先后连接关系；
[0020]步骤402，根据本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于点云的树木骨架构建与树木结构化参数提取方法，其特征在于：包括如下步骤：步骤1，移除噪声点并获取点间遍历关系；步骤2，生成树木点云块；步骤3，生成树木骨架点；步骤4，树木骨架点连接与分类；步骤5，树木骨架优化；步骤6，树木结构化参数提取。2.根据权利要求1所述的一种基于点云的树木骨架构建与树木结构化参数提取方法，其特征在于：所述步骤1，移除噪声点并获取点间遍历关系包括：步骤101，移除噪声点，包括：以地面三维激光扫描仪扫描一株树木得到的树木点云P0为输入数据，以选定的邻域距离半径eps与邻域距离半径eps中点的最小个数minPts为参数，对树木点云执行基于密度的聚类算法DBSCAN，得到多个点数量大小不同的聚类簇；参数eps与minPts值的选择应使得这些聚类簇中点的数量最多的一个簇能覆盖树木80％高度以上的点，此时该数量最多的簇即是提取树木骨架的树木点云P，其它簇均是噪声点并进行移除；步骤102，获取点间遍历关系，包括：以树木点云P为输入，再次以参数邻域距离半径eps与minPts值执行DBSCAN算法，其过程如下：从树木点云P中Z轴最小的点开始遍历，按照点坐标的Z值升序的形式逐一对点遍历，并计算点遍历的先后次序关系；具体为：对一个点p
i
(x
i
,y
i
,z
i
)，若点p
j
位于点p
i
的邻域距离半径eps范围内，且p
j
的先序节点未标注，则标注p
j
的先序节点为p
i
；若点p
i
是第一个开始遍历的点，则点p
i
的先序节点是其自身。3.根据权利要求2所述的一种基于点云的树木骨架构建与树木结构化参数提取方法，其特征在于：所述步骤2，生成树木点云块，包括：根据预设的高度参数h与树木点云P在Z轴上的最小值Z
min
与最大值Z
max
，将树木点云P划分为个垂直分段，每个垂直分段高度均为h；然后对每个垂直分段分别执行以参数eps与minPts的DBSCAN聚类算法，在每一个垂直分段上得到若干个聚类簇，每个聚类簇是一个树木点云块P
i
，所有垂直分段的所有聚类簇构成所有的树木点云块，所有树木点云块的并集即为树木点云P。4.根据权利要求3所述的一种基于点云的树木骨架构建与树木结构化参数提取方法，其特征在于：所述步骤3，生成树木骨架点，包括：对于第k个垂直分段的一个树木点云块P
i
，将P
i
投影至平面Z＝Z
min
+h*k得到一个投影点集P
i
′
，Z
min
是树木点云P在Z轴上的最小值，计算投影点集P
i
′
的凸包多边形的质心点c
i
，构建插值于凸包点的一条闭合三次Bezier曲线，该闭合曲线的长度除以2π即得到树木点云块的半径r；以质心点c
i
为反演中心，r为反演半径，对于P
i
′
中的一个点p
j
′
∈P
i
′
，计算点p
j
′
的反演点p
j
″
使得c
i
p
j
′
·
c
i
p
j
″
＝r2，p
j
′
是p
j
″
的对应点；对P
i
′
中所有点执行点反演计算得到点集P
i
′
的一个反演点集P
i
″
，计算反演点集P
i
″
的凸包，然后获取凸包中每一个点在树木点云块P
i
中的对应点，并依照次序构建一个多边形，计算该多边形的质心点c
i
′
并作为树木点云块P
i
的树木骨架点；一个树木点云块对应一个树木骨架点，对所有树木点云块进行上述计算得到所有树
木点云块的树木骨架点。5.根据权利要求4所述的一种基于点云的树木骨架构建与树木结构化参数提取方法，其特征在于：所述步骤4，树木骨架点连接与分类，包括：步骤401，树木点云块P
i
是树木点云P的子...

【专利技术属性】
技术研发人员：尤磊，洪亮，李小可，刘勇，
申请(专利权)人：中国林业科学研究院资源信息研究所，
类型：发明
国别省市：