[发明专利]一种基于三维激光扫描系统的树冠测量方法

说明书

技术领域

 本发明涉及一种树冠测量方法，尤其涉及一种基于三维激光扫描系统的树冠测量方法。

背景技术

树冠是树木全部分枝和叶的总体，它是树木生长发育以及其它功能作用的结构基础。树冠的形状取决于树木的遗传特性和环境因素，形态各异的树冠，给有关的研究工作带来困难。

目前测量树冠的方法主要是冯仲科及其学生进行研究。发表的文献有冯仲科的“精准林业[M]”和“基于三维激光扫描成像系统的树冠生物量研究[J]”、熊妮娜的“一种基于三维激光扫描系统测量树冠体积方法的研究——以油松为例[J]”、邓向瑞的“三维激光扫描系统在立木材积测定中的应用[J]”、罗旭的博士论文“基于三维激光扫描测绘系统的森林计测学研究[D]”和唐雪海的博士论文“北京市城六区三维绿量估算与分析研究[D]”。以上几种方法的技术路线基本一致，都是将树冠看作一个小圆锥和多个圆台，将圆台圆锥的体积累加获得树冠体积。其中，以唐雪海提出用的不规则底面面积充当圆台底面面积的方法较为精确。

唐雪海利用三维激光扫描系统获得单木点云数据，形成完整的单木树冠点云数据，然后将一立木沿竖直方向分割成若干等高的区分段，把单木的整个树冠看成由顶端的一个小圆锥和下面n个圆台组成的立体，树冠体积即为这一圆锥和n个圆台体积之和（参见图1）。其中，圆锥和圆台的底面面积通过对树冠部分的点进行测量获得，将截取的这部分数据投影在XY坐标系平面上，通过这些数据构建成不规则圆形，对不规则圆形进行面积计算。用平行于Y轴垂直于X轴的竖直线将不规则圆形分割成n个等宽的区间段。将不规则圆形的面积看作头尾两个三角形及n-2个梯形之和来计算面积（参见图2）。

其体积公式为:

 

其中，V为树冠体积，n为圆台和圆锥的数量，h为圆台高度，S为截面面积。

其表面积公式为:

其中，S为树冠表面积，S_i为树冠截面面积，且S₀=S_n=0。

但是，树冠是一个非封闭可穿透的空间实体，利用三维激光扫描仪进行扫描，使用平行于Y轴垂直于X轴的竖直线将不规则圆形分割成n个等宽的区间段来计算截面面积，没有考虑内部点的影响，这样计算所得的底面积会小于真实值。因此，目前的方法存在精度不高、无法计算树冠表面积、无法形成树冠数字表面模型等问题。

由此可见，如何引入新的数据处理方法，获取树冠的表面点，构造树冠数字表面模型，并以此为基础高速、精确求算树冠体积和表面积，是树冠测定的关键问题。

发明内容

本发明实施例所要解决的技术问题在于，提供一种基于三维激光扫描系统的树冠测量方法，通过引入平面直角坐标系并采用分象限构造多边形的方法，将区分段内的空间点云数据进行筛选处理，精确地提取树冠表面点以构建树冠三维模型。

为了解决上述技术问题，本发明实施例提供了一种基于三维激光扫描系统的树冠测量方法，包括：获取三维激光扫描系统采集的目标树木的空间点云数据；将所述空间点云数据沿竖直方向由树冠顶部至树冠底部分割成多个等高的区分段；根据所述区分段内的空间点云数据构造多边形；根据所述多边形构造树冠三维模型。

作为上述方案的改进，所述根据区分段内的空间点云数据构造多边形的步骤包括：将所述区分段内的空间点云数据投影到同一平面内；根据所述空间点云数据构建第一平面直角坐标系，使所述空间点云数据均分布在第一象限内；在所述空间点云数据中提取目标点，所述目标点包括距离所述第一平面直角坐标系的X轴最近的点、距离X轴最远的点、距离Y轴最近的点、距离Y轴最远的点；计算所述目标点的X轴坐标及Y轴坐标的中值；以所述中值为原点，根据所述目标点构建第二平面直角坐标系；根据所述目标点在第二平面直角坐标系的分布情况构造多边形。

作为上述方案的改进，所述在空间点云数据中提取目标点的步骤包括：在所述第一平面直角坐标系的X轴及Y轴上设立第一点阵；沿X轴划分等宽区间，使所述X轴上的第一点阵的点与所述X轴的等宽区间一一对应；在所述X轴的等宽区间内，提取距离所述X轴的等宽区间所对应的第一点阵的点最近、最远的空间点云数据为初选点；沿Y轴划分等宽区间，使所述Y轴上的第一点阵的点与所述Y轴的等宽区间一一对应；在所述Y轴的等宽区间内，提取距离所述Y轴的等宽区间所对应的第一点阵的点最近、最远的初选点为目标点。