基于地面激光雷达点云数据的单木三维建模

论文摘要

植被是地球上最复杂的生态系统,其三维模型的精确重建对研究植被碳氮循环、叶面积指数、材积量估算等具有重要意义。地基激光雷达作为一种新型的测绘技术,其光斑小,具有快速、高效、强穿透性、高密度等特点,不仅为树木点云数据的准确获取提供了一种新方法,还为树木的真实感、高精度建模提供了重要数据支持。如何利用地基激光雷达数据快速、准确地构建树木三维模型已经成为人们研究的热点。本文以单株荷花木兰和单株香樟树为研究对象,利用地基激光雷达扫描仪获取的点云数据,提出了一种基于枝干点云提取方法和树木高精度三维重建技术。论文的主要研究工作及结论如下:（1）枝干点云提取算法:针对树木点云的分布情况,即位于枝干部位的点云分布规律大致呈圆柱状态,叶片部分的点云近似平面的特点,提出了一种基于分类与分割相结合的枝干点云提取新算法。首先,采用轴向包围盒算法将树木点云数据沿水平方向进行分层。然后,利用K-means聚类方法和随机采样一致性算法（RANSAC）将冠层点云分为三类:枝干点云、叶片点云和枝干与叶片混合点云。最后,利用基于随机采样一致性的圆柱分割算法提取枝干与叶片混合点云中枝干点云以获得枝干点云的精确提取,从而实现枝干点云与叶片点云的分离。本文将所提取枝干点云的结果与单独使用基于RANSAC的圆柱分割算法提取枝干点云的结果进行对比验证,并利用召回率和精确率测试了算法的性能。使用该方法提取的荷花木兰与香樟的冠层枝干点云的平均召回率和平均精确率分别为94.60%、92.02%和93.62%、91.46%。与单独利用随机采样一致性（RANSC）算法提取的枝干点云相比,该方法在提取枝干点云时具有更高的精度。（2）树木生长参数及枝干骨架点提取:通过最小二乘法拟合圆、凸包算法等实现对树高、胸径和冠幅的提取。由于树木的骨架点位于树木枝干的中心可以有效的表征枝干的几何形态或拓扑特征,本文利用L1-中值算法提取树木骨架点,并利用密度权重法对其进行优化,获得枝干骨架点。（3）树木三维模型构建:结合L1-中值算法提取枝干骨架点及通过最小二乘法拟合圆算法获取对应骨架点的半径信息,通过OpenGL绘制广义圆柱体构建枝干三维模型。针对单片叶子数据量小且与枝干具有不同的几何形态特征,首先对叶片点云数据通过手动分割为独立的单片叶子,然后利用移动最小二乘法对单片叶子点云数据进行曲面拟合,实现对单片叶子复杂轮廓信息的准确提取。最后通过Delaunay三角剖分算法构建单片叶子的三维模型。

论文目录

摘要

Abstract

第1章绪论

1.1 研究意义

1.2 国内外研究现状

1.2.1 基于虚拟建模方法

1.2.2 基于真实结构建模方法

1.3 研究内容与技术路线

1.3.1 研究内容

1.3.2 技术路线

1.4 论文组织结构

第2章地基激光雷达技术及数据采集与预处理

2.1 地基激光扫描仪

2.1.1 地基三维激光扫描仪的系统组成

2.1.2 地基三维激光扫描仪的工作原理

2.1.3 地基三维激光扫描技术的特点

2.1.4 Leica ScanStation C10 扫描仪

2.2 树木点云数据获取

2.3 点云数据的预处理

2.3.1 点云数据的配准

2.3.1.1 配准原理

2.3.1.2 配准方法

2.3.2 点云数据的去噪

2.4 本章小结

第3章枝干点云提取

3.1 基于几何和强度信息的点云数据分割

3.2 基于分类与分割相结合的枝干点云提取新算法

3.2.1 数据分层

3.2.2 冠层点云分类

3.2.2.1 K-means聚类算法

3.2.2.2 随机采样一致性算法（RANSAC）

3.2.3 圆柱分割

3.3 枝干点云的精度评估

3.4 本章小结

第4章树木生长参数及枝干骨架点提取

4.1 树木生长参数的提取

4.1.1 树高的提取

4.1.2 胸径的提取

4.1.3 冠幅的提取

4.1.3.1 凸包算法

4.1.3.2 冠幅的计算

4.2 树木骨架点提取

4.2.1 骨架点提取算法

4.2.1.1 基于水平集的方法

4.2.1.2 基于聚类的方法

4.2.1.3 基于图论的方法

4.2.1.4 基于拉普拉斯算子的方法

4.2.2 L1-中值算法提取骨架

4.2.2.1 骨架的优化

4.3 本章小结

第5章树木三维模型的构建

5.1 树木枝干三维模型的构建

5.1.1 枝干几何模型构建

5.2 树木叶片三维模型的构建

5.2.1 基于移动最小二乘法对树叶曲面拟合

5.2.1.1 移动最小二乘法基本原理

5.2.2 Delaunay三角剖分算法叶面重建

5.3 本章小结

结论与展望

主要结论

研究展望

致谢

参考文献

攻读学位期间取得学术成果

攻读硕士期间参加的科研项目

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 苏中花

导师: 刘汉湖,李世华,万里红

关键词: 地基激光雷达,三维模型,单株,点云数据

来源: 成都理工大学

年度: 2019

分类: 基础科学,信息科技

专业: 生物学,电信技术

单位: 成都理工大学

基金: 国家自然科学基金项目(编号:41471294)

分类号: Q94;TN958.98

DOI: 10.26986/d.cnki.gcdlc.2019.000313

总页数: 77

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