基于激光三維掃描數據的樹木三維矢量模型構建方法技術

本發明專利技術提供了基于激光三維掃描數據的樹木三維矢量模型構建方法，包括以下步驟：激光掃描樹木三維數據；根據樹高和樹木三維模型的精度要求對數據進行數據處理；拓撲關系計算；構建樹木形態結構模型。采用該方法可以實現對單木、多木進行三維矢量模型拓撲構建工作，自動生成樹木的胸徑、樹高、樹冠面積、蓄積量等相關信息因子。本方法利用激光三維掃描數據，快速建立樹木的三維空間矢量結構模型，可以提高森林資源調查的效率和自動化程度，及時準確地獲取森林資源信息，節省人力物力。

【技術實現步驟摘要】

本專利技術涉及計算機
，尤其涉及。
技術介紹
激光三維掃描技術是國際上近期發展起來的一項高新技術。特別是最近幾年，隨著激光三維掃描技術的不斷發 展并日漸成熟，激光三維掃描設備也逐漸被商品化，激光三維掃描儀不需反射棱鏡即可直接快速掃描被測物體，同時獲得高精度的三維掃描數據的巨大優勢，這樣對高效地對真實世界進行三維建模和虛擬重現起到了巨大的推動作用。因此該項技術在林業森林資源數字化調查與可視化經營、文物數字化保護、土木工程、工程測量、自然災害調查、數字城市地形可視化、城鄉規劃等領域都已經開始進行試驗與研究，成為當如聞新技術研究的熱點之一。但是由于激光三維掃描儀所產生的高精度三維數據，其巨大的數據量，限于目前計算機技術在計算速度、傳輸速度、存儲容量等方面的能力制約，也對該數據在三維建模和虛擬重現的應用上構成了巨大的障礙；同時由于該數據是基于三維空間的一個云數據，如果根據該數據對所掃描物體進行相關參數的測量及定量分析計算，也將是一個十分困難和耗時巨大的工作。
技術實現思路
本專利技術的目的在于提供了一種基于激光三維掃描樹木數據，對樹木的形態結構米用拓撲方法進行三維矢量模型構建的自動生成方法。可以解決在森林資源調查中的有關林木胸徑、樹高、蓄積量、空間分布等需要進行手工測量的大量操作和復雜計算工作，提高森林資源調查的效率和精度，同時也為森林資源的可視化經營提供真實的三維矢量樹木模型。為了達到以上目的，本專利技術實施例公開了，包括以下步驟步驟I、激光掃描樹木三維數據；步驟2、根據樹高和樹木三維模型的精度要求對數據進行數據處理；步驟3、拓撲關系計算；步驟4、構建樹木形態結構模型。進一步，作為一種優選，對數據進行數據處理，進一步包括數據分層處理對掃描數據按照樹高進行分層處理。進一步，作為一種優選，對數據進行數據處理，進一步包括噪聲處理對分層后形成的數據進行噪聲處理，刪除一些相對獨立的散點。進一步，作為一種優選，對數據進行數據處理，進一步包括數據矢量化在完成數據的噪聲處理后，對分層數據進行矢量化處理。進一步，作為一種優選，拓撲關系計算具體為從第一層開始，依次計算每個相鄰層面間在空間位置上的拓撲關系。進一步，作為一種優選，拓撲關系計算進一步包括節點計算根據拓撲關系計算得到的結果，計算每個拓撲面的節點。進一步，作為一種優選，構建樹木形態結構模型具體為首先確定樹木形態數據模型，包含有兩個方面的內容樹木的形態特征和樹木形態的幾何特征。進一步，作為一種優選，樹木的形態特征包括樹木的主干、一級分枝、二級分枝、三級分枝等各枝條間的相互連接順序；所述樹木形態的幾何特征包括每段樹枝的起始點、結束點、半徑等空間位置信息。進一步，作為一種優選，構建樹木形態結構模型進一步包括構造樹地面層作為第一層，從第一層開始依次搜索每個相鄰拓撲數據層，根據樹木的形態特征和幾何特征開始構造樹。進一步，作為一種優選，構建樹木形態結構模型進一步包括樹的合并與刪除對于在構造樹中形成的多株樹情況，需要進行鑒別處理，有些樹可能是其他一些樹的分枝所形成的一株子樹，需要將其合并到母樹中；同樣有些樹節點較少，限于掃描精度和分層密度的限制，又不能把他合并到其他母樹中，則需要刪除這些樹。本專利技術利用激光三維掃描數據，快速建立樹木的三維矢量結構模型，可以提高森林資源調查的效率和自動化程度，及時準確地獲取森林資源信息，節省人力物力。附圖說明當結合附圖考慮時，通過參照下面的詳細描述，能夠更完整更好地理解本專利技術以及容易得知其中許多伴隨的優點，但此處所說明的附圖用來提供對本專利技術的進一步理解，構成本專利技術的一部分，本專利技術的示意性實施例及其說明用于解釋本專利技術，并不構成對本專利技術的不當限定，其中圖I為本專利技術實施例流程圖；圖2為本專利技術實施例構建樹木形態結構流程圖。具體實施例方式為使上述目的、特征和優點能夠更加明顯易懂，下面結合附圖和具體實施方式對本專利技術作進一步詳細的說明。雖然以上描述了本專利技術的具體實施方式，但是本領域的技術人員應當理解，這些具體實施方式僅是舉例說明，本領域的技術人員在不脫離本專利技術的原理和實質的情況下，可以對上述方法和系統的細節進行各種省略、替換和改變。例如，合并上述方法步驟，從而按照實質相同的方法執行實質相同的功能以實現實質相同的結果則屬于本專利技術的范圍。因此，本專利技術的范圍僅由所附權利要求書限定。如圖I所示，，包括以下步驟SI、激光掃描樹木三維數據；S2、根據樹高和樹木三維模型的精度要求對數據進行數據處理；S3、拓撲關系計算；S4、構建樹木形態結構模型。本方法利用激光三維掃描數據，進行單株樹或多株樹的三維矢量模型拓撲構建工作，自動生成樹木的相關信息因子(胸徑、樹高、樹冠面積、蓄積量)；首先根據三維矢量模型拓撲算法對激光三維掃描數據進行分層矢量化處理，從分層矢量數據中提取在此層面上樹木所對應的樹干、分枝的半徑尺寸、面積、長寬比、中心點坐標等相關信息，生成樹木分層斷面空間分布圖，根據樹木斷面分層圖，通過各個層面間的空間拓撲關系，逐層分析建立樹木在各個斷面上的相互連接順序和方向，直到形成一個完整的樹木三維矢量拓撲模型。算法描述在獲得激光掃描樹木三維數據后，根據樹高和樹木三維模型的精度要求對數據進行數據處理(包括數據分層、噪聲處理、矢量化處理)；拓撲關系計算(對矢量數據進行拓撲關系計算得到對應的拓撲數據層)；構建樹木形態結構模型(確定樹木形態結構模型、構造樹、后期處理)等步驟完成樹木三維矢量模型拓撲構建的自動化過程。本方法實施主要包括如下步驟一、數據處理在獲得激光掃描樹木三維數據后，根據樹高信息和樹木三維矢量模型的精度要求對數據進行處理，其處理流程包含有以下幾個內容I.數據分層對掃描數據按照樹高進行分層處理，其分層數量主要是根據樹高和所需樹木三維矢量模型的精度要求進行選擇，按照所選層高要求建立分層柵格數據。為了方便找到樹木的主干，其分層方向為從下向上進行分層，其層數定義為I-N層。2.噪聲處理對分層后形成的柵格數據，進行噪聲處理，其目的是為了刪除一些相對獨立的散點，減少進行空間分析與計算的運算量，提高樹木三維矢量建模速度。3.數據矢量化在完成分層數據的噪聲處理后，對分層柵格數據進行矢量化處理，其目的是為形成包含有樹木在此層面上的空間分布信息，即樹干、分枝的閉合多邊形圖形信息，及生成該圖形的中心點信息(該中心點稱為節點)。二、拓撲關系計算I.拓撲關系計算從第一層開始，依次計算每個相鄰層面之間在空間位置上的對應關系。當前層的定義，第一次拓撲關系計算是計算第一層與第二層的拓撲關系，將第一層定義為當前層，以此類推第二次拓撲關系計算則將第二層定義為當前層，總共需要進行N-I次拓撲關系計算。在拓撲關系計算采用的是兩個相鄰層(N，N-1)從上到下垂直方向相交所產生的包含、相交、相鄰三種基本拓撲關系，對于兩個層面間產生的相鄰拓撲關系，不參與當前層的拓撲關系構建。2.節點計算根據拓撲計算中得到的包含、相交兩種拓撲關系，計算每個封閉多邊形的中心點坐標位置，該中心點作為連接兩個相鄰層面的紐帶，并有確定樹木中每個樹枝走向的導向作用。3.建立拓撲結構根據拓撲關系計算中得到的包含、相交兩種拓撲關系，創建拓撲關系數據結構，該數據結構用于記和錄描述當前層中的封閉多邊形，與相鄰層中的多邊形之間那些有包含、相交的拓撲關系，及節本文檔來自技高網...

【技術保護點】
基于激光三維掃描數據的樹木三維矢量模型構建方法，其特征在于，包括以下步驟：激光掃描樹木三維數據；根據樹高和樹木三維模型的精度要求對數據進行數據處理；拓撲關系計算；構建樹木形態結構模型。

【技術特征摘要】

【專利技術屬性】
技術研發人員：孟獻策，蔣嫻，
申請(專利權)人：中國林業科學研究院資源信息研究所，
類型：發明
國別省市：