本發(fā)明涉及三維點云技術量化評估果樹樹形特征領域，具體說是利用點云構建桃樹冠層特征的指標評估桃樹樹形，通過精確分析桃樹的冠層結構特征，優(yōu)化桃樹的栽培管理和生產效率。

背景技術：

1、桃樹是我國廣泛種植的果樹，具有喜光、發(fā)枝力強等特點。由于冠層枝葉茂密、相互交錯，結構較為復雜，不同樹形的冠層特征存在明顯差異，不同形態(tài)特征的冠層結構對果樹的生長狀況、病蟲害防治及產量有重要影響。常見的桃樹樹形包括主干形、y字形和開心形。主干形樹形緊湊、易于管理，適用于平原及丘陵地帶的密植園區(qū)，產量中等偏高；y字形樹形通風透光性能良好，適合風大和降水充沛地區(qū)的果園，產量高且果實品質優(yōu)良；開心形樹形開放，適合低密度種植的果園，尤其是在土壤肥沃且降水較少的地區(qū)，能夠獲得高產大果。為深入分析這些樹形差異，利用激光雷達點云數(shù)據(jù)，構建一系列指標來定量評估桃樹樹形特征。在休眠期，分析1級主枝數(shù)量、1級主枝間夾角（該指標只針對主枝數(shù)量大于2）、2級枝條枝類比、2級枝條起始位置高度、中心點位置高度，以指標集合[n1、、r2、hs、hm]表示，用于表達不同樹形的枝干結構特征；在葉幕期，計算冠幅面積、縱橫比、有效葉面積、葉面積指數(shù)、覆蓋度和有效葉面積垂直分布，以指標集合[s、ar、ela、lai、c、elam]表示，定量描述冠層總體特征和葉面積垂直分布特征。通過這11項特征指標實現(xiàn)利用點云對桃樹關鍵期冠層形態(tài)特征的精準表達與定量評估。

2、激光雷達是檢測果樹冠層幾何參數(shù)的常用設備，應用于數(shù)字化果園管理。激光雷達是以非接觸式的方式快速獲取高密度、高精度的三維點云數(shù)據(jù)，不會對研究物體產生破壞，而且獲得的數(shù)據(jù)精度較高、信息豐富，在果樹結構參數(shù)提取方面有著巨大潛力。

3、目前，激光雷達獲取果樹冠層特征信息主要通過對冠層點云的三維重建或提取冠層整體結構信息。點云數(shù)據(jù)構建的定量樹木模型是包含大量原始數(shù)據(jù)的集合，需要進一步計算來描述樹冠的總體特征指標。然而，基于點云數(shù)據(jù)對果樹不同樹形的冠層特征進行定量評估的研究尚不多見。

技術實現(xiàn)思路

1、針對現(xiàn)有技術方法的不足，本發(fā)明旨在提供一種通過具體指標來定量評估桃樹樹形特征的方法。該方法構建了一系列特定指標，包括表達枝條特征的指標：1級主枝數(shù)量n1、1級主枝間夾角（只針對主枝數(shù)量大于2）、2級枝條枝類比r2、2級枝條起始點高度位置hs及中心點高度位置hm，以指標集合[n1、、r2、hs、hm]表示；表達冠層總特征和葉面積垂直分布特征的指標：冠幅面積、縱橫比、有效葉面積、葉面積指數(shù)、覆蓋度、葉面積垂直分布，以指標集合[s、ar、ela、lai、c、elam]表示。使用這11項特征指標表征桃樹樹形特征，實現(xiàn)對不同樹形冠層形態(tài)特征的差異化定量評估。

2、為實現(xiàn)上述目標，本發(fā)明采用的技術方案是：通過對休眠期枝條點云數(shù)據(jù)分析，構建定量的三維模型，以提取和計算1級主枝數(shù)量n1、1級主枝間夾角（只針對主枝數(shù)量大于2）、2級枝條枝類比r2、2級枝條起始點高度位置hs及2級枝條中心點高度位置hm等指標，以指標集合[n1、、r2、hs、hm]表示；同時，通過對葉幕期冠層點云的平面投影、輪廓多邊形擬合、輪廓外接矩形的長短軸計算以及體素法等數(shù)據(jù)處理，獲取冠層的幾何參數(shù)，并用于提取冠幅面積、縱橫比、有效葉面積、葉面積指數(shù)、覆蓋度等指標，以指標集合[s、ar、ela、lai、c、elam]表示；沿樹高的豎直方向從下到上對樹冠分層，分別計算各層平面點云的有效葉面積用以表示葉面積垂直分布，基于上述11項指標，對桃樹不同樹形的冠層特征進行定量評估。

3、本發(fā)明提供了一種通過具體指標來定量評估桃樹樹形特征的方法，包括如下步驟：

4、步驟1，分別在桃樹休眠期和葉幕期通過地基激光雷達設備獲取桃樹點云數(shù)據(jù)；

5、步驟2，對步驟1得到的桃樹點云數(shù)據(jù)進行預處理，移除與研究目標無關點云和測量過程中不可避免的誤差導致的噪聲點云，得到單棵桃樹冠層點云數(shù)據(jù)；

6、步驟3，通過休眠期桃樹枝條點云獲取休眠期桃樹枝干特征指標，對經過步驟2處理得到的休眠期桃樹枝條點云，進行三維定量模型重建，用以計算1級主枝數(shù)量n1、1級主枝間夾角（只針對主枝數(shù)量大于2）、2級枝條枝類比r2、2級枝條起始點高度位置hs及2級枝條中心點高度位置hm等指標，以指標集合[n1、、r2、hs、hm]表示，一級枝條指標表達樹形，二級枝條指標表達了開花結果的功能枝條數(shù)量及分布特征；

7、步驟4：通過葉幕期桃樹枝葉點云獲取葉幕期桃樹冠層特征指標。對葉幕期桃樹枝葉點云數(shù)據(jù)，沿樹高的垂直方向按高度均勻分為多層。然后，對每棵樹的整體點云和分層后的點云分別進行平面投影。對投影后的平面點云進行輪廓多邊形擬合、外接矩形長短軸計算、以及體素法等處理，以獲取冠層的幾何參數(shù)，并提取冠幅面積、縱橫比、有效葉面積、葉面積指數(shù)、覆蓋度等指標，并分別計算葉幕期各層平面點云的有效葉面積，得到冠幅葉面積在垂直方向上的分布指標，以指標集合[s、ar、ela、lai、c、elam]表示。

8、作為本發(fā)明的優(yōu)選，步驟3中所述“通過休眠期桃樹枝條點云獲取休眠期桃樹枝干特征指標”具體步驟為：

9、步驟3-1，讀取單棵桃樹休眠期點云數(shù)據(jù)，通過從樹基開始擴展覆蓋集并識別最大連通組件以確定樹干路徑；

10、步驟3-2，基于覆蓋集的連通性變化原理局部拓撲分析識別分叉節(jié)點，對點云進行初始分段；

11、步驟3-3，分析所有初始分段的子段中離分枝基部最遠的尖端，修正段的拓撲結構或分枝結構，使段延伸到最遠的尖端，以確保每個段盡可能準確地對應實際的分枝。通過1級枝條與樹干的連接點以及2級枝條與1級主枝的連接點分別確定1、2級枝條起始點。根據(jù)點云密度和位置，計算其質心找到2級枝條的中心位置。以此獲得1級主枝間夾角、2級枝條起始點高度位置和中心點高度位置。

12、步驟3-4，采用最小二乘擬合進行幾何重建，得到1級枝條數(shù)量和2級枝條長枝（>60cm）、中枝（>40cm且<60cm）、短枝（<40cm）數(shù)量，計算枝類比。

13、作為本發(fā)明的優(yōu)選，步驟4中所述“通過葉幕期桃樹獲取定量指標”的具體步驟為：

14、步驟4-1，讀取單棵桃樹葉幕期點云數(shù)據(jù)，計算點云z最大和最小值，設置單層厚度5cm，分割單棵桃樹點云得到不同高度的5cm厚度的冠幅分層點云；

15、步驟4-2，分別對冠幅及各分層點云進行xoy面的水平投影，得到冠幅和各分層點云二維投影數(shù)據(jù)，即樹冠及分層冠幅的二維點云。

16、步驟4-3，冠幅面積（s）,通過冠層平面點云外圍點連線構成的冠幅多邊形面積表示。首先提取冠層投影水平面輪廓點，再通過douglas-peucker算法獲取冠幅的近似輪廓多邊形，并使用向量交叉積計算輪廓多邊形的面積；

17、步驟4-4，通過冠層最小鄰接矩形長軸（a）與短軸(b)的比值表示冠幅縱橫比（ar），其公式為：ar=b/a。

18、步驟4-5，單棵桃樹有效葉面積(ela)，通過分層有效葉面積累加求和取得。其中，單層有效葉面積通過葉面積密度與冠幅面積乘積計算得到。首先計算各層葉面積密度，然后按照冠幅面積的計算方法分別計算單層冠幅投影面積，以此計算單棵桃樹各分層的有效葉面積；

19、步驟4-6，單層葉面積密度（lad）通過體素法計算，首先將點云數(shù)據(jù)分割成體素網格，判斷網格里是否有點，有點的體素單元被賦值為?1，沒有點的單元被賦值為?0，?其中沒有點的單元被認為是冠層中存在的間隙。具體體素化公式如下：

20、；?；??；?。

21、式中:i、j、k—單層點云第p層x、y、z方向的體素數(shù)目；int—取整函數(shù)；xmin、ymin、zmin—單層點云第p層x、y、z方向的最小值；?xmax、ymax、zmax—單層點云第p層x、y、z方向的最大值；δi、δj、δk?—x、y、z方向的體素大??；i×j×k—單層點云第p層的體素單元網格總數(shù)量；n1（p）—為單層點云第p層含有點云的體素單元數(shù)量，nt（p）—單層點云第p層的總體素單元數(shù)量。

22、步驟4-7，計算分層冠幅的有效葉面積elam，用于表示樹冠的葉面積垂直分布，計算公式如下：??；式中：ladm—為第m層點云的葉面積密度，sm為第m層點云的冠幅投影面積。

23、步驟4-8，計算單棵樹的有效葉面積計算公式如下：??；式中：n為單棵樹在z方向的總層數(shù)。

24、步驟4-9，葉面積指數(shù)（lai）計算公式如下：?；

25、步驟4-10，樹冠覆蓋度（c）通過冠層投影面積占冠層分配區(qū)域面積的百分比表示，計算公式如下：??；式中，dr和dp表示栽種桃樹的行距和株距。

26、作為本發(fā)明的優(yōu)選，還包括步驟5：進行實例驗證；具體包括對y字形桃樹獲取11項樹形特征指標，對其形態(tài)特征進行評估比。