[发明专利]一种车载行道树点云分类与特征信息提取方法

权利要求书

1.一种车载行道树点云分类与特征信息提取方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1.将原始点云投影到XOY平面上，建立二维规则格网索引，统计每个非空格网内点云高程的最小值，结合频率分布直方图统计分析地面点云高度分布，分离出非地面点，完成地面滤波；

S2.以测区内行道树平均胸径为尺度，对非地面点云建立三维规则格网索引，实现格网化，若非空格网内点云数量小于5，则作为噪声点滤除；

S3.以树干胸径高度处的非空格网为中心，建立八邻域格网检索窗口，即格网移动检测窗口，分别向上和向下进行生长；在生长过程中计算八邻域格网检索窗口内点云所形成凸包的面积与直径，进行树干形态学分析，根据树干的几何特征设定相应的生长终止条件，提取完整的行道树树干部分点云；

S4.通过理查德方程建立行道树胸径-冠幅理论生长模型，以树干所在格网为中心进行环形邻域分析，判断其多个环形邻域格网中是否有点云，排除人造杆目标的干扰，提取完整行道树树冠点云。

2.根据权利要求1所述的一种车载行道树点云分类与特征信息提取方法，其中步骤S1包括如下子步骤：

S1.1.统计每个非空格网内点云高程的最小值，形成高程最小值集合Z_i，其中，i＝1，2，……，k；

S1.2.获取高程最小值集合Z_i的取值区间[Z_min，Z_max]，并将上述区间等距划分为若干小区间，统计落入每个小区间内点的个数，生成对应的频率分布直方图；

S1.3.获取频率分布直方图中峰值区间所对应的点云高程，即地面点高程Z_ground，将原始点云中高程值小于Z_ground的点云滤除，完成地面滤波，保留非地面点。

3.根据权利要求1所述的一种车载行道树点云分类与特征信息提取方法，其中步骤S3包括如下子步骤：

S3.1.由树干胸径高度距离地面1.3m～1.4m的一层格网开始处理，随机选择任意非空格网作为种子格网SV，以SV为中心创建八邻域格网检索窗口；

S3.2.对八邻域格网检索窗口内点云进行凸包检测，计算最小凸包的面积与直径，具体计算方法如下：

S3.2.1.遍历目标点云数据，获取y坐标最小的点，记为凸包起始点P₀；

S3.2.2.依次计算剩余点云和P₀之间的连线L_i与X轴夹角的余弦值cosθ_i，并将余弦值集合按照从大到小排序，排序后的点记为：P₁、P₂、....、P_k；

S3.2.3.将最低点P₀和排序好的点中的第一个点P₁压入栈中，然后从P₂开始计算，计算栈顶两个点与P₀点三点向量是否是逆时针转动，若是，则将该点压入栈中，否则将栈顶元素推出，遍历结束后存留在栈里面的点集就是凸包外围的点；

S3.2.4.分别计算凸包外围点两两之间的水平距离d，其最大水平距离即为当前凸包的直径D；以P₀(x₀,y₀)为顶点，沿顺时针方向依次取出两个相邻的凸包点P_i(x_i,y_i)和P_i+1(x_i+1,y_i+1)，构成平面三角形，利用三角形面积公式计算当前三角形的面积S_i的计算式为：

当前凸包按照上述方式被分割成n个相邻小三角形，小三角形面积之和即为凸包面积S，计算公式为：

S3.3.自八邻域格网检索窗口所在的层号开始，分别沿竖直方向向上和向下，以八邻域格网检索窗口为最小聚类单元进行聚类生长；在此过程中计算八邻域格网检索窗口范围内点云所形成凸包的面积S与直径D；设置聚类生长终止条件为：八邻域格网检索窗口内不存在点云或者八邻域格网检索窗口内点云所形成凸包的直径与面积大于阈值；若满足上述条件，则竖直方向聚类生长结束；

S3.4.统计步骤S3.3中所形成聚类体在竖直方向上相邻凸包的面积之差的百分比，若存在至少连续相邻3层的凸包面积之差小于30％，则认为是路灯杆或行道树树干，反之，应舍弃。

4.根据权利要求1所述的一种车载行道树点云分类与特征信息提取方法，其中步骤S4包括如下子步骤：

S4.1.理查德方程表达式为：y＝a(1-e^-ct)^b,(a0,b0,c0)，式中，t代表树龄，是常量，a代表了林木的最大生长值，b是与林木同化作用有关的参数，c代表生长速率；将理查德方程中的参数a、b、c扩展成关于冠幅CW的函数，建立行道树胸径-冠幅理论生长模型，表达式为：y＝f₁(CW)·(1-e^-f3(CW)t)f₂(CW)，式中，f₁(CW)代替参数a，f₂(CW)代替参数b，f₃(CW)代替参数c；

S4.2.以杆柱状部分所在格网为中心，判断其上部多个环形邻域格网中是否存在点云，根据下列公式计算杆目标的理论冠幅CW、邻域搜索范围I_max和环形邻域格网总数N_grid：

式中，函数f表示理查德函数运算，C为杆目标胸径，CW为当前杆目标的理论冠幅半径，d_step为规则格网步长，I_max为邻域搜索最大环数，N_grid为邻域格网总数，I为邻域环序号，[]为取整运算；统计环形邻域范围中非空格网数n，若n≥N_grid/2，则判别为树冠；若nN_grid/2，则判别为人造杆目标，需要去除；环形邻域内满足上述搜索条件的点云即为单株行道树的树冠点云。