基于移動二維激光掃描的單木三維綠量測量方法技術

一種基于移動二維激光掃描的單木三維綠量測量方法，該方法采用移動二維激光掃描系統對單木進行若干個角度的掃描，獲取樹冠完整信息，利用移動軌跡直線方程、移動速度的信息建立激光掃描線參數方程，基于樹冠體積即掃描線不可見區域這一準則，去除待測空間中激光掃描線穿透部分，保留未穿透部分，得到樹冠體積模型，從而準確測量單木三維綠量。本發明專利技術利用移動二維激光掃描測量單木三維綠量，有效利用所有冠層表面點和內部點，體積模型精確度高；本發明專利技術無需人工篩選剔除點云，計算速度快。

Three dimensional Green measurement method of single tree based on moving two dimensional laser scanning

A single tree 3D green quantity measurement method of Mobile two-dimensional laser scanning based on the method of using mobile two-dimensional laser scanning system for a number of angles of single wood scanning, acquiring crown complete information, the information of laser established by trajectory linear equation, the moving speed of the scanning line parameter equation, namely the canopy volume scanning line is not visible area based on this principle, the removal of the laser scanning line to be measured in part through space, retain the penetrating part, get the crown volume model, thus accurate measurement of single tree 3D green quantity. The invention uses mobile two-dimensional laser scanning measurement of single tree 3D green quantity, the effective use of all canopy surface and internal volume, model accuracy is high; the invention does not need manual screening out point cloud computing speed.

【技術實現步驟摘要】
基于移動二維激光掃描的單木三維綠量測量方法
本專利技術涉及單木三維綠量測量方法，尤其是基于激光處理技術的單木三維綠量測量方法，具體地說是一種基于移動二維激光掃描的單木三維綠量測量方法。
技術介紹
三維綠量最早是作為城市園林綠化水平而提出的，稱為“綠化三維量”，指綠色植物莖葉所占據的空間體積，以m3來計算。對樹木而言，三維綠量即樹冠體積，其有效測定為森林資源調查、森林生態環境效益評價、林業精準管理提供有用信息，對現代林業發展具有重要意義。遙感技術為樹木三維綠量測量提供了有效手段，具體有以下兩種途徑：(1)航空航天遙感。采用衛星、飛機等航空航天飛行器搭載相機、三維激光掃描儀等傳感器獲取樹木冠頂信息，提取冠幅、樹高等易測因子，利用回歸方程推算其他樹冠因子，用簡單幾何體近似樹冠計算其體積。(2)地面激光遙感。設立多個地面三維激光掃描站點獲取單木多角度點云數據，將樹冠模擬為圓錐、圓臺等規則幾何體或不規則臺體的疊加，如圖1、圖2所示，圖1是將樹冠體積模擬為圓錐、圓臺等規則幾何體的疊加的示意圖，圖2是某個臺體的截面示意圖，用配準融合后的點云數據計算樹冠體積。航空航天遙感手段僅適用于大范圍樹木三維綠量估計，無法準確測量單木三維綠量、建立單木三維綠量與各樹冠因子的回歸模型。而現有基于地面激光遙感技術的單木三維綠量測量方法僅利用樹冠表面點，忽略冠體內空間分布，建模時人工篩選出表面點，剔除內部點，人工參與多，測量準確度有待進一步提高。
技術實現思路
本專利技術的目的是針對現有基于激光技術的單木三維綠量測量方法中存在的冠體模型建立人工參與多、不夠精準等問題，提出一種基于移動二維激光掃描的快速、準確的單木三維綠量測量方法。本專利技術的技術方案是：一種基于移動二維激光掃描的單木三維綠量測量方法，該方法采用移動二維激光掃描系統對單木進行若干個角度的掃描，獲取樹冠完整信息，建立激光掃描線參數方程，基于樹冠體積即掃描線不可見區域這一準則，去除待測空間中激光掃描線穿透部分，保留未穿透部分，得到樹冠體積模型，從而準確測量單木三維綠量。本專利技術的方法具體包括以下步驟：步驟1、獲取樹冠信息：采用移動二維激光掃描系統對單木進行若干個角度的直線掃描，記錄測量數據及移動速度；步驟2、計算每一條掃描線的參數方程；步驟3、建立待測量空間離散化模型；步驟4、去除待測量空間中激光掃描線穿透部分，保留未穿透部分，得到樹冠離散化體積模型；步驟5、根據樹冠離散化體積模型，計算單木三維綠量。本專利技術的步驟1中，獲取樹冠信息時，首先規劃掃描路徑，確保獲取樹冠完整信息，前述掃描路徑是，在待測樹木的兩側設置兩條平行的移動軌跡或者圍繞待測樹木，設置若干條首尾依次連接的直線移動軌跡。本專利技術的步驟2具體包括以下步驟：步驟21、以地面樹干位置為坐標原點O建立直角坐標系O-xyz，其中，xy平面與地面平行，z軸垂直地面向上，任一移動軌跡l與xy平面平行，原點O到l的垂線的垂點為PO，Pl是某一時刻二維激光掃描儀在移動軌跡l上的位置，二維激光掃描儀在任一時刻獲取掃描平面均與對應的移動軌跡l垂直；對于Pl時刻獲取的掃描平面，s是其中一條掃描線；步驟22、采用下述公式獲取二維激光掃描儀的移動軌跡l所在的直線方程Pl；Pl＝PO+eltl,PO＝[dsinθ-dcosθh]'，el＝[cosθsinθ0]'，其中，el是l的單位方向向量，tl是Pl與PO的距離，d是原點O與移動軌跡l在xy平面的距離,h是激光傳感器相對于地面的高度，θ是移動軌跡l與x軸的夾角，v是移動速度，分別表示測量點Pl、PO的測量時刻；步驟23、采用下述公式獲取測量點Pl處某條激光掃描線s所在的直線方程Ps：Ps＝Pl+ests，es＝[cosαsinθ-cosαcosθsinα]'；式中,es是s的單位方向向量，ts是s上的點與Pl的距離，ts∈[0,ds]，ds是測量返回值，α是激光掃描線s與xy平面的夾角。本專利技術的步驟3具體包括以下步驟，步驟31、將待測量空間離散化為小立方體，小立方體的分辨率Δ采用下述公式表示：Δ＝max(Δl,Δs)其中，Δl為掃描儀移動軌跡方向el上的分辨率，Δl＝vΔt，v為移動速度，Δt為掃描周期；Δs為同一掃描周期相鄰掃描點z方向最大間隔，Δs＝DΔα，D為最遠測量距離，Δα為掃描儀弧度分辨率；步驟32、設置待測量空間范圍[xmin,xmax],[ymin,ymax],[zmin,zmax]；其中：[xmin,xmax]、[ymin,ymax]由待測樹木的冠幅決定，[zmin,zmax]由冠高決定，則待測量空間中各小立方體即體素的坐標范圍是[xmin+Δ×i,xmin+Δ×(i+1)]、[ymin+Δ×j,ymin+Δ×(j+1)]、[zmin+Δ×k,zmin+Δ×(k+1)]，其中，i,j,k分別表示體素在x、y、z方向的編號。本專利技術的[xmin,xmax]表示待測樹木的橫向冠幅的兩端坐標，[ymin,ymax]表示待測樹木的縱向冠幅的兩端坐標，[zmin,zmax]表示待測樹木冠高的底端和頂端坐標。本專利技術的步驟4具體為：對于移動軌跡l上位置Pl的任一條掃描線s，s參數方程為Ps＝Pl+ests，ts∈[0,ds]，ds是測量返回值，ts是s上的點與位置Pl的距離；以體素Δ為間隔，計算掃描線s上不同ts處的點坐標Ps，若它位于某個體素內，則標記該體素為刪除，未刪除體素即樹冠離散化體積模型。本專利技術的步驟5具體為：統計未刪除體素個數，乘以每個體素體積，得到樹冠體積，即單木三維綠量。本專利技術的有益效果：本專利技術與現有技術相比，其顯著優點如下：(1)本專利技術利用移動二維激光掃描系統測量單木三維綠量，有效利用所有冠層表面點和內部點，體積模型精確度高；(2)無需人工篩選剔除點云，計算速度快。附圖說明圖1是將樹冠體積模擬為圓錐、圓臺等規則幾何體的疊加示意圖。圖2是某個臺體的截面示意圖。圖3是移動二維激光掃描坐標系的示意圖。圖4是待測單木的示意圖之一。圖5是移動二維激光對應于圖4的測量角度掃描獲取的點云示意圖。(坐標單位為mm)圖6是待測單木的示意圖之二。圖7是移動二維激光對應于圖6的測量角度掃描獲取的點云示意圖。(坐標單位為mm)圖8是樹冠離散化體積模型示意圖。(坐標單位為mm)具體實施方式下面結合附圖和實施例對本專利技術作進一步的說明。一種基于移動二維激光掃描的單木三維綠量測量方法，該方法采用移動二維激光掃描系統(前述系統可以采用小車、軌道等移動設備，在移動設備上安裝二維激光掃描傳感器)對單木進行若干個角度的掃描，獲取樹冠完整信息，建立激光掃描線參數方程，基于樹冠體積即掃描線不可見區域這一準則，去除待測空間中激光掃描線穿透部分，保留未穿透部分，得到樹冠體積模型，從而準確測量單木三維綠量。本專利技術的方法具體包括以下步驟：步驟1、獲取樹冠信息：采用移動二維激光掃描系統對單木進行若干個角度的直線掃描，記錄測量數據及移動速度；獲取樹冠信息時，首先規劃掃描路徑，確保獲取樹冠完整信息，前述掃描路徑是，在待測樹木的兩側設置兩條平行的移動軌跡或者圍繞待測樹木，設置若干條首尾依次連接的直線移動軌跡。步驟2、計算每一條掃描線的參數方程；步驟2具體包括以下步驟：步驟21、以地面樹干位置為坐標原點O建立直角坐標系O-xyz，其中，本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種基于移動二維激光掃描的單木三維綠量測量方法，其特征是該方法采用移動二維激光掃描系統對單木進行若干個角度的掃描，獲取樹冠完整信息，建立激光掃描線參數方程，基于樹冠體積即掃描線不可見區域這一準則，去除待測空間中激光掃描線穿透部分，保留未穿透部分，得到樹冠體積模型，從而準確測量單木三維綠量。

【技術特征摘要】
1.一種基于移動二維激光掃描的單木三維綠量測量方法，其特征是該方法采用移動二維激光掃描系統對單木進行若干個角度的掃描，獲取樹冠完整信息，建立激光掃描線參數方程，基于樹冠體積即掃描線不可見區域這一準則，去除待測空間中激光掃描線穿透部分，保留未穿透部分，得到樹冠體積模型，從而準確測量單木三維綠量。2.根據權利要求1所述的基于移動二維激光掃描的單木三維綠量測量方法，其特征是該方法具體包括以下步驟：步驟1、獲取樹冠信息：采用移動二維激光掃描系統對單木進行若干個角度的直線掃描，記錄測量數據及移動速度；步驟2、計算每一條掃描線的參數方程；步驟3、建立待測量空間離散化模型；步驟4、去除待測量空間中激光掃描線穿透部分，保留未穿透部分，得到樹冠離散化體積模型；步驟5、根據樹冠離散化體積模型，計算單木三維綠量。3.根據權利要求2所述的基于移動二維激光掃描的單木三維綠量測量方法，其特征是步驟1中，獲取樹冠信息時，首先規劃掃描路徑，確保獲取樹冠完整信息，前述掃描路徑是，在待測樹木的兩側設置兩條平行的移動軌跡或者圍繞待測樹木，設置若干條首尾依次連接的直線移動軌跡。4.根據權利要求2所述的基于移動二維激光掃描的單木三維綠量測量方法，其特征是步驟2具體包括以下步驟：步驟21、以地面樹干位置為坐標原點O建立直角坐標系O-xyz，其中，xy平面與地面平行，z軸垂直地面向上，任一移動軌跡l與xy平面平行，原點O到l的垂線的垂點為PO，Pl是某一時刻二維激光掃描儀在移動軌跡l上的位置，二維激光掃描儀在任一時刻獲取掃描平面均與對應的移動軌跡l垂直；對于Pl時刻獲取的掃描平面，s是其中一條掃描線；步驟22、采用下述公式獲取二維激光掃描儀的移動軌跡l所在的直線方程Pl；Pl＝PO+eltl,PO＝[dsinθ-dcosθh]'，el＝[cosθsinθ0]'，其中，el是l的單位方向向量，tl是Pl與PO的距離，d是原點O與移動軌跡l在xy平面的距離,h是激光傳感器相對于地面的高度，θ是移動軌跡l與x軸的夾角，v是移動速度，分別表示測量點Pl、PO的測量時刻；步驟23、采用下述公式獲取測量點Pl處某條...

【專利技術屬性】
技術研發人員：李秋潔，周宏平，鄭加強，趙亞琴，張慧春，束義平，徐波，韋雷，胡天真，孫溪童，周敏，
申請(專利權)人：南京林業大學，
類型：發明
國別省市：江蘇,32