一種基于激光掃描點(diǎn)云的三維樹(shù)木重建方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種基于激光掃描點(diǎn)云的三維樹(shù)木重建方法，通過(guò)在激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)中建立多個(gè)水平橫截面，并搜尋底層水平橫截面上的環(huán)狀點(diǎn)集來(lái)確定樹(shù)干位置，解決了采用手工標(biāo)記樹(shù)木位置時(shí)費(fèi)時(shí)費(fèi)力的問(wèn)題，操作快速且精確度高；此外，本發(fā)明通過(guò)在高層水平橫截面搜尋密集點(diǎn)片輪廓，確定樹(shù)冠各橫截面的寬度，從而曲線擬合出樹(shù)木的形狀和大小，有效提高了三維場(chǎng)景重建中樹(shù)木效果的處理效率。
【專(zhuān)利說(shuō)明】 一種基于激光掃描點(diǎn)云的三維樹(shù)木重建方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于計(jì)算機(jī)圖形學(xué)和計(jì)算機(jī)視覺(jué)【技術(shù)領(lǐng)域】，具體涉及一種利用激光掃描點(diǎn)云數(shù)據(jù)生成三維樹(shù)木模型的方法。

【背景技術(shù)】
[0002]近年來(lái)伴隨數(shù)字化手段的快速發(fā)展，基于數(shù)字化的重建方法在場(chǎng)景重建中獲得越來(lái)越多的重視，按照輸入數(shù)據(jù)的不同，該方法又可以分為基于照片的重建和基于激光掃描點(diǎn)云的重建。例如，google和百度街景就是采用基于照片拼接的重建；而在城建規(guī)劃、農(nóng)林業(yè)測(cè)量等領(lǐng)域，多采用基于激光掃描點(diǎn)云的重建。
[0003]在采用激光掃描方法進(jìn)行三維場(chǎng)景重建時(shí)，由于與樹(shù)木對(duì)應(yīng)的點(diǎn)云往往具有不規(guī)貝U、時(shí)變等特性，需要對(duì)樹(shù)木進(jìn)行特殊處理。在實(shí)踐中最常用的是手工標(biāo)記樹(shù)木的位置，然而該方法只適用于樹(shù)木量不大的情況下。當(dāng)場(chǎng)景巨大、樹(shù)木的數(shù)量繁多時(shí)，手工標(biāo)記成為一件耗時(shí)耗力的事情，嚴(yán)重影響三維場(chǎng)景重建的效率。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明的目的旨在于設(shè)計(jì)一種能夠快速、準(zhǔn)確的在激光掃描點(diǎn)云數(shù)據(jù)中判斷樹(shù)木位置的方法，以解決現(xiàn)有方法費(fèi)時(shí)費(fèi)力且不適用于大規(guī)模場(chǎng)景重建的問(wèn)題。
[0005]為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案:
[0006]—種基于激光掃描點(diǎn)云的三維樹(shù)木重建方法，其特征在于，該重建方法包括如下步驟:
[0007]步驟S1:在激光掃描獲取到的點(diǎn)云數(shù)據(jù)中確定大地校準(zhǔn)平面Htl ；
[0008]步驟S2:在距離大地校準(zhǔn)平面Htl上方Ill處確定水平橫截面H1，在距離水平橫截面H1上方h2處確定水平橫截面H2，在距離水平橫界面H2上方h3處確定水平橫截面成…，在距離水平橫截面Hlri上方hn處確定水平橫截面Hn ；
[0009]步驟S3:在水平橫截面H1中搜尋環(huán)狀點(diǎn)集，由環(huán)狀點(diǎn)集所在的位置確定樹(shù)干所在位置；
[0010]步驟S4:在高水平橫截面H2、H3…，Hn中圈定樹(shù)冠考察區(qū)，并在樹(shù)冠考察區(qū)內(nèi)搜尋圍繞樹(shù)干的密集點(diǎn)片輪廓，獲取各橫截面上密集點(diǎn)片輪廓的直徑；
[0011]步驟S5:依據(jù)各橫截面上密集點(diǎn)片輪廓的直徑，得到各橫截面上的樹(shù)冠寬度，曲線擬合樹(shù)木形狀。
[0012]進(jìn)一步的，所述平面HpHyH3…，Hn不是固定的，可以在垂直方向上進(jìn)行上下浮動(dòng)。
[0013]進(jìn)一步的，所述各橫截面上密集點(diǎn)片輪廓的直徑等于該橫截面上樹(shù)冠的寬度。
[0014]優(yōu)選的，所述曲線擬合樹(shù)木形狀的方法包括最小二乘法、bessell曲線法或cubic曲線法。
[0015]優(yōu)選的，若已知對(duì)應(yīng)于不同樹(shù)冠模型的典型曲線，則所述曲線擬合樹(shù)木形狀的方法還可以是神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法或貝葉斯網(wǎng)絡(luò)分類(lèi)法，利用上述方法在樹(shù)木類(lèi)庫(kù)中進(jìn)行匹配，所述樹(shù)木類(lèi)庫(kù)中保存有對(duì)應(yīng)于不同樹(shù)木樹(shù)冠類(lèi)型的典型曲線。
[0016]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)和積極效果是:本發(fā)明通過(guò)在激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)中建立水平橫截面，并搜尋底層水平橫截面上的環(huán)狀點(diǎn)集來(lái)確定樹(shù)干位置，避免了采用手工標(biāo)記樹(shù)木位置，操作快速且精確度高；此外，本發(fā)明通過(guò)在高層水平橫截面搜尋密集點(diǎn)片輪廓，確定樹(shù)冠各橫截面的寬度，從而曲線擬合出樹(shù)木的形狀和大小，有效提高了三維場(chǎng)景重建中樹(shù)木重建的效率。
[0017]結(jié)合附圖閱讀本發(fā)明實(shí)施方式的詳細(xì)描述后，本發(fā)明的其他特點(diǎn)和優(yōu)點(diǎn)將變得更加清楚。

【專(zhuān)利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0018]圖1為本發(fā)明實(shí)施例中提出的激光掃描得到的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)。
[0019]圖2為本發(fā)明實(shí)施例中提出的大地校準(zhǔn)平面和各水平橫截面。
[0020]圖3為本發(fā)明實(shí)施例中提出的水平橫截面H1的俯視圖。
[0021]圖4為本發(fā)明實(shí)施例中提出的水平橫截面H1上的樹(shù)干位置圖。
[0022]圖5為本發(fā)明實(shí)施例中提出的水平橫截面H2的俯視圖。
[0023]圖6為本發(fā)明實(shí)施例中提出的水平橫截面H3的俯視圖。
[0024]圖7為本發(fā)明實(shí)施例中提出的曲線擬合后得到的樹(shù)木形狀圖。
[0025]圖8為本發(fā)明實(shí)施例中提出的樹(shù)木重建方法的流程圖。

【具體實(shí)施方式】
[0026]下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的【具體實(shí)施方式】進(jìn)行詳細(xì)地描述。
[0027]本實(shí)施例以城建規(guī)劃為例，給出基于激光掃描點(diǎn)云數(shù)據(jù)判斷樹(shù)木位置、形狀和大小的方法。本實(shí)施例中所采取的激光掃描方法可以為車(chē)載雷達(dá)掃描、地面雷達(dá)掃描或低空航載雷達(dá)掃描，但并不局限于上述方式。
[0028]圖1為本實(shí)施例所提供的通過(guò)激光掃描得到的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)，包括一組可以判定為建筑物的規(guī)則點(diǎn)云和三組可以模糊判斷為樹(shù)木的不規(guī)則點(diǎn)云。由規(guī)則點(diǎn)云的分布情況可以判斷出建筑物的位置以及所占空間，但由于與樹(shù)木對(duì)應(yīng)的點(diǎn)云不規(guī)則，因此很難直接判斷出樹(shù)木所在的位置和其形狀與大小。
[0029]在圖1所示的激光掃描獲取到的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)中確定大地校準(zhǔn)平面Htl，所述大地校準(zhǔn)平面Htl用于對(duì)本實(shí)施例后續(xù)步驟中確定的各水平橫截面提供水平校準(zhǔn)。
[0030]在距離大地校準(zhǔn)平面H。上方Ill處確定水平橫截面H1，在距離水平橫截面H1上方h2處確定水平橫截面H2，在距離水平橫界面H2上方h3處確定水平橫截面成…，在距離水平橫截面Hlri上方hn處確定水平橫截面Hn。
[0031]其中^述距離卜匕七…上均為變量’根據(jù)不同的情況可以使卜匕七…上取不同的數(shù)值，即各個(gè)水平橫截面并不是固定的，而是可以在一定的垂直距離內(nèi)上下浮動(dòng)。
[0032]如圖2所示，基于掃描獲取的點(diǎn)云中不規(guī)則點(diǎn)云分布的高度，本實(shí)施例在大地校準(zhǔn)平面Htl上方選定了三個(gè)水平橫截面H1、H2、H3，并將三個(gè)距離值分別設(shè)定為0.Sm,1.2m和1.8m。這樣設(shè)置的目的是為了使水平橫截面H1處于三組不規(guī)則點(diǎn)云對(duì)應(yīng)的樹(shù)木的樹(shù)干位置，而使水平橫截面H2、H3處于三組不規(guī)則點(diǎn)云對(duì)應(yīng)的樹(shù)木的樹(shù)冠位置。
[0033]如圖3、4所示，在水平橫截面氏中搜尋環(huán)狀點(diǎn)集，由環(huán)狀點(diǎn)集所在的位置確定樹(shù)干所在位置；由于樹(shù)干在某一平面上的橫截面為圓環(huán)形，因此掃描數(shù)據(jù)中環(huán)狀點(diǎn)集所在的位置為實(shí)際中樹(shù)木的樹(shù)干所在的位置。
[0034]如圖5、6所示，在高水平橫截面H2、H3…，Hn中圈定樹(shù)冠考察區(qū)，在樹(shù)冠考察區(qū)內(nèi)搜尋圍繞樹(shù)干的密集點(diǎn)片輪廓，并獲取各橫截面上密集點(diǎn)片輪廓的直徑。
[0035]其中，所述各橫截面上密集點(diǎn)片輪廓的直徑與該橫截面上樹(shù)冠覆蓋區(qū)域的寬度相坐寸ο
[0036]本實(shí)施例中，在水平橫截面H2上對(duì)應(yīng)的三顆樹(shù)木的樹(shù)冠寬度從左至右分別為0.4m, 0.3m, 0.5m，在水平橫截面H3上對(duì)應(yīng)的三顆樹(shù)木的樹(shù)冠寬度從左至右分別為0.2m, Om,0.3mο
[0037]如圖7所示，依據(jù)在各橫截面上獲取到的樹(shù)冠寬度，曲線擬合出樹(shù)木形狀。
[0038]所述曲線擬合樹(shù)木形狀的方法可以采用最小二乘法、bessell曲線法或cubic曲線法，但并不限于上述方法。
[0039]若預(yù)先設(shè)置有對(duì)應(yīng)于不同樹(shù)木樹(shù)冠模型的典型曲線，則上述曲線擬合樹(shù)木形狀的方法還可以是神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法或貝葉斯網(wǎng)絡(luò)分類(lèi)法，利用上述方法在樹(shù)木類(lèi)庫(kù)中進(jìn)行匹配，所述樹(shù)木類(lèi)庫(kù)中保存有對(duì)應(yīng)于不同樹(shù)木樹(shù)冠類(lèi)型的典型曲線，但并不限于上述方法。
[0040]本發(fā)明實(shí)施例所提供的基于激光掃描點(diǎn)云的樹(shù)木重建方法的具體流程圖如圖8所示。
[0041]對(duì)本領(lǐng)域的技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，可根據(jù)以上描述的技術(shù)方案以及構(gòu)思，做出其它各種相應(yīng)的改變以及形變，而所有的這些改變以及形變都應(yīng)該屬于本發(fā)明權(quán)利要求的保護(hù)范圍之內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種基于激光掃描點(diǎn)云的三維樹(shù)木重建方法，其特征在于，該重建方法包括如下步驟: 步驟S1:在激光掃描獲取到的點(diǎn)云數(shù)據(jù)中確定大地校準(zhǔn)平面Htl ； 步驟S2:在距離大地校準(zhǔn)平面Htl上方Ill處確定水平橫截面H1，在距離水平橫截面H1上方h2處確定水平橫截面H2,在距離水平橫界面H2上方h3處確定水平橫截面H3…，在距離水平橫截面Hlri上方hn處確定水平橫截面Hn ； 步驟S3:在水平橫截面H1中搜尋環(huán)狀點(diǎn)集，由環(huán)狀點(diǎn)集所在的位置確定樹(shù)干所在位置； 步驟S4:在高水平橫截面H2、H3…，Hn中圈定樹(shù)冠考察區(qū)，并在樹(shù)冠考察區(qū)內(nèi)搜尋圍繞樹(shù)干的密集點(diǎn)片輪廓，獲取各橫截面上密集點(diǎn)片輪廓的直徑； 步驟S5:依據(jù)各橫截面上密集點(diǎn)片輪廓的直徑，得到各橫截面上的樹(shù)冠寬度，曲線擬合出樹(shù)木形狀。
2.根據(jù)權(quán)利要求1中所述的一種基于激光掃描點(diǎn)云的三維樹(shù)木重建方法，其特征在于，所述平面民、H2、H3…，Hn不是固定的，可以在垂直方向上進(jìn)行上下浮動(dòng)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1中所述的一種基于激光掃描點(diǎn)云的三維樹(shù)木重建方法，其特征在于，所述各橫截面上密集點(diǎn)片輪廓的直徑等于該橫截面上樹(shù)冠的寬度。
4.根據(jù)權(quán)利要求1中所述的一種基于激光掃描點(diǎn)云的三維樹(shù)木重建方法，其特征在于，所述曲線擬合樹(shù)木形狀的方法可以是最小二乘法、bessell曲線法或cubic曲線法。
5.根據(jù)權(quán)利要求1中所述的一種基于激光掃描點(diǎn)云的三維樹(shù)木重建方法，其特征在于，若已知對(duì)應(yīng)于不同樹(shù)冠模型的典型曲線，則所述曲線擬合樹(shù)木形狀的方法還可以是神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法或貝葉斯網(wǎng)絡(luò)分類(lèi)法。
【文檔編號(hào)】G06T17/00GK104318611SQ201410582575
【公開(kāi)日】2015年1月28日 申請(qǐng)日期:2014年10月27日 優(yōu)先權(quán)日:2014年10月27日
【發(fā)明者】祁海江 申請(qǐng)人:祁海江