[发明专利]一种基于机载激光雷达树点云重建三维树模型的方法

说明书

本发明涉及计算机科学技术领域，公开了一种基于机载激光雷达树点云重建三维树模型的方法，包括：S1、将机载激光雷达树点云投影至平面形成高度图；S2、采用切片法交互式分隔获取单棵树点云；S3、基于单棵树点云构造连通图；S4、基于植物学规律构建树点云的方向场；S5、基于贪婪算法生成树骨架；S6、基于管道模型和广义圆柱体重建树的三维几何模型，这种重建三维树模型的方法，实现稀疏树点云的有效重建，且重建后的树模型能够较好地保留原始点云的细节特征。

技术领域

本发明涉及计算机科学技术领域，特别涉及一种基于机载激光雷达树点云重建三维树模型的方法。

背景技术

树是地球上不可或缺的植物，树的三维重建在计算机动画、虚拟现实、林学、农学等领域具有广泛的研究与应用价值。一方面，重建的三维树木模型可提供树木生物量、叶面积指数和产量等表型参数信息，为森林管理与决策提供新手段；另一方面，通过计算机生成的树木模型能直观向非专业人员展现农林业科研工作中的复杂模型，也可为机器人喷药等提供重要的空间信息。然而，由于树木分支结构复杂、种类繁多，如何实现真实世界树木的三维重建一直是计算机图形学、计算机视觉、植物学等交叉学科研究领域中的难点。

激光雷达是基于激光测距原理开发的用于获取目标三维信息的软硬件系统，早期由于其价格昂贵且扫描精度偏低，很少用于获取树木点云。但近年来，随着激光雷达设备价格的不断下降和扫描精度的不断提高，采用激光扫描设备获取植物三维数据成为可能，从而有助于以较高精度实现大规模树木的结构参数提取和景观层面的三维重建。根据采集平台的差异性，激光雷达主要分为地基激光雷达系统和机载激光雷达系统。地基激光雷达系统主要将激光雷达安装在地面固定或移动平台上，通过旋转扫描装置获取目标点云信息；而机载激光雷达系统则将扫描设备安装在无人机或有人驾驶飞机上获取地面目标信息。采用地基激光雷达系统采集的树木点云密度高，枝干信息清晰，但采用机载激光雷达系统获取的点云密度低且枝干辨析度低。针对地基激光雷达系统及相关树木点云的处理与三维重建，在遥感和图形学领域已经开展了较多研究，但面向机载激光雷达系统获取的低密度且枝干辨析度低的树点云分割与重建则较少有研究者涉及，因此本发明拟提出一种基于高度图的交互式层次分割方法提取单棵树点云，然后采用基于双约束的贪婪算法实现树的几何重建，从而解决低密度树点云难以分割与重建这一技术问题。

前期研究采用地面激光雷达获取的高密度树点云[1-3][1]H.Xu,N.Gossett,andB.Chen,“Knowledge and heuristic based modeling of laser-scanned trees,”ACMTransactions on Graphics,vol.26,no.4,pp.1-19,2007.[2]Y.Livny,F.Yan,M.Olson,B.Chen,H.Zhang,and J.El-Sana,“Automatic reconstruction of tree skeletalstructures from point clouds,”ACM Transactions on Graphics,vol.29,no.6,pp.1-8,2010.[3]Y.Livny,S.Pirk,Z.Cheng,F.Yan,O.Deussen,D.Cohen-Or,and B.Chen,“Texture-lobes for tree modelling,”ACM Transactions on Graphics,vol.30,no.4,pp.1-10,2011.重建了真实树的三维几何模型，上述方要求点云中树枝骨架清晰，而机载激光雷达只能采集到树的稀疏点云，难以体现树的分枝结构。