[发明专利]一种基于车载激光扫描点云的树木枝干建模方法及系统

权利要求书

1.一种基于车载激光扫描点云的树木枝干建模方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、对树木点云进行预处理获得树木基本信息，所述树木基本信息包括树木点范围、平均点距和高程最低点，利用所述树木基本信息及树木点云构建邻近图，并以m倍平均点距作为近邻点搜索半径，进行近邻图矩阵初始化；

S2、以高程最低点作为树根点，采用单源最短路径算法，搜索每个点到达树根点的最短路径，得到树木的初始骨架线；

S3、基于树木初始骨架线进行树木骨架线分级处理，并以枝条延伸方向优先原则进行树木骨架线优化处理；树木骨架线分级处理包括主骨架线识别和枝干骨架线的识别，主骨架线识别具体以树根骨架节点作为起始点进行搜索，通过寻找当前节点的子节点，根据子节点数量以及经过该节点的枝干长度进行识别，将没有子节点的节点标记为枝端点，计算所有枝端点到树根骨架节点的路径长度，作为该枝干的长度，以树根骨架节点作为起始点进行搜索，寻找当前节点沿树梢方向的相邻节点作为子节点，而当前节点则为该子节点的父节点，进行判断：若当前节点只有一个子节点，则将该子节点纳入主骨架线中，继续搜索；若当前节点有多个子节点，则进一步判断经过这些子节点的枝干长度，若经过某一子节点的所有枝干长度都较短，则标记该点为分叉点，停止主骨架线搜索；否则将有长枝干经过的子节点纳入主骨架线中，继续搜索后续子节点；直到某一子节点的所有枝干均为短枝干停止；

S4、利用树木点云信息统计树根骨架节点半径，并根据异速生长理论进行骨架线节点半径的估算；

S5、基于树木骨架线，以骨架节点作为圆锥台截面中心点，骨架节点半径作为圆锥台截面半径，顺序绘制圆锥台，进行树木枝干模拟，并采用局部三角剖分方法修复圆锥台之间的缝隙，完成树木模型的重建。

2.根据权利要求1所述的建模方法，其特征在于，步骤S2中的采用单源最短路径算法搜索每个点到达树根骨架节点的最短路径的具体方法如下：

S21、将树木点云的高程最低点标记为该树的树根骨架节点，并计算所有树木点云与树根骨架节点的距离；

S22、利用邻近图，以树根骨架节点为父节点，寻找其沿树梢方向的相邻节点作为子节点，若存在距离父节点最近、且未处理的子节点，则将其标记为当前节点；

S23、寻找当前节点的所有下一子节点，计算树根骨架节点至当前节点与当前节点至下一子节点的距离和，并与原先储存的树根骨架节点至下一子节点的距离比较，若距离和较小，则更新搜索路径，直至当前节点的所有下一子节点都处理完毕；

S24、寻找距离树根骨架节点最近，且尚未标记的子节点，作为当前节点，重复步骤S23，若所有节点均已标记，则全局最短路径搜索完毕。

3.根据权利要求1所述的建模方法，其特征在于，步骤S3中所述枝干骨架线识别包括一级骨架线识别和次一级骨架线识别，具体实现方法如下：

一级骨架线识别具体为，以主骨架的分叉点作为一级枝干的起始生长位置，一级枝干数为该分叉点的子节点个数，对于主骨架的分叉点，一级枝干的纳入需要满足两个条件之一：1)该枝干是经过该分叉点的唯一的一条枝干；2)该枝干是经过该分叉点的所有枝干中路径最长的枝干；当满足上述某一个条件时，将当前枝干标记为一级枝干，同时寻找经过主骨架线上分叉点的下一条一级枝干，直到找出所有满足上述两个条件之一的骨架线，即完成一级骨架线的识别；

次一级骨架线识别具体为，从上一级别枝干上的分叉点开始，同样以一级骨架的识别条件进行当前级别所有骨架线的搜索，当遍历完所有的骨架线，则完成当前级别的骨架线识别，迭代进行下一级骨架线搜索，当所有骨架处理完毕，即完成骨架线的分级过程。

4.根据权利要求1所述的建模方法，其特征在于，步骤S3中以枝条延伸方向优先原则进行树木骨架线优化处理，包括骨架线节点连接关系调整和骨架线分叉点处理，所述骨架线节点连接关系调整是指：对于顺序连接的骨架节点如A、B、C，其中A为B的前置节点，B为C的前置节点，若BC连线方向与AB连线方向夹角超过阈值T₁，则将C的前置节点从B调整为A；所述骨架线分叉点处理是指：若经过当前节点的两条子骨架线夹角小于阈值T₂，则进行合并处理。