[发明专利]一种三维虚拟场景中树冠宽度测量方法

说明书

一种三维虚拟场景中树冠宽度测量方法，属于计算机及森林测量技术领域。通过在三维场景中构建摄像机、在三维场景中构建刻度尺、计算摄像机到树干距离、更新计算刻度尺空间坐标和给定树冠宽度计算方法，实现不同高度树冠宽度的测量。本发明的优点是：可在不直接接触树木的情况下，利用一把刻度尺，便捷地、高精度地测量不同高度的树冠宽度，为掌握树木冠形特征、测算树冠表面积和体积、定量化了解树木生长状况提供有效的技术支撑。

技术领域

本发明涉及一种三维虚拟场景中树冠宽度测量方法，属于计算机及森林测量技术领域。

背景技术

树冠是表征树木形态的重要指标，树冠大小是反映树木健康程度和竞争能力的重要特征参数。获取不同高度树冠宽度特征对于掌握树木生长状况具有重要意义。

常见的不同高度树冠宽度测量方法有：(1)伐倒树木直接测量；(2)利用精密仪器设备测量，如全站仪、三维激光扫描仪、背包式激光雷达等高精度测量设备；(3)利用测高杆或测高仪和皮尺或塔尺相结合测量。以上方法可对不同高度处树冠宽度进行测量，但同时也存在如下问题：(1)第一种方法为有损测量，需要伐倒树木进行测量；(2)第二种方法对仪器设备的要求较高，测量过程、数据处理和因子提取流程较为复杂，需要具备相关专业知识和较高业务能力；(3)第三种方法是通过简单仪器的相互配合实现测量，但当树高值较大时，测量的准确性和稳定性无法有效保证，使得该方法测量结果精度较低。综合以上问题发现，提出一种无损的、便捷的、高精度的树木不同高度树冠宽度测量方法是很有必要的。

三维虚拟仿真技术是新产品生产或新方法研发常用的试验或测试手段，可为产品或方法的现实世界应用提供有效的保障。利用三维虚拟仿真技术优势，将三维虚拟仿真技术与树冠宽度测量方法相结合，提出一种三维虚拟场景中树冠宽度测量方法，实现在三维虚拟场景中对不同高度树冠宽度的有效测量，可为解决现实树冠实际测量存在的问题提供创新思路和技术参考。

发明内容

为了克服现有技术的不足，针对现有不同高度树冠宽度测量方法存在的有损、复杂、精度不稳定等问题，将三维虚拟仿真技术与树冠宽度测量要求相结合，在三维虚拟场景中提出一种不同高度树冠宽度测量方法，实现不同高度树冠宽度的无损、便捷、高精度测量，为改善现实树冠宽度测量方法提供参考，提高不同高度树冠宽度的测量水平。

一种三维虚拟场景中树冠宽度测量方法,含有以下步骤：在三维场景中构建摄像机、在三维场景中构建刻度尺、计算摄像机到树干距离、更新计算刻度尺空间坐标和计算树冠宽度。

第一步、在三维虚拟场景中创建摄像机，摄像机坐标设置为(X,Y,Z)，朝向树木，使得树木整体可见；

第二步、在三维虚拟场景中构建一把尺寸为M cm的刻度尺，刻度尺在摄像机视野内居中放置，且与摄像机本地X轴平行、距摄像机垂直距离为A m；

第三步、在三维虚拟场景中设置一球状物体从摄像机位置沿摄像机本地Z轴方向，向树木主干处水平匀速移动，匀速移动速度为V m/s；记录球体碰撞到树干所用时间，所用时间计为T s；由此，计算摄像机到树干的水平距离S，S＝V×T，单位为m；

第四步、当测量树木高度H处的树冠宽度时，刻度尺的坐标相对于摄像机坐标更新为(0，A×sin(arctan((H-Y)/S))，A×cos(arctan((H-Y)/S))，H-Y为树木高度H数值减去摄像机Y轴坐标值；

第五步、从摄像机位置分别向树木高度H处树冠左右边缘构建连接两点的圆柱体，两圆柱体与刻度尺分别相交于E、F两点；如两圆柱体与刻度尺无交点，则调整第二步中M与A值；计算树木高度H处树冠宽度C，单位为m，C＝(S/cos(arctan((H-Y)/S)))×D/A，其中，D为在摄像机处读出的树冠宽度映射到刻度尺的数值，即E、F空间距离，单位为m。