CN106643546B - 基于移动二维激光扫描的单木三维绿量测量方法 - Google Patents

Abstract

一种基于移动二维激光扫描的单木三维绿量测量方法，该方法采用移动二维激光扫描系统对单木进行若干个角度的扫描，获取树冠完整信息，利用移动轨迹直线方程、移动速度的信息建立激光扫描线参数方程，基于树冠体积即扫描线不可见区域这一准则，去除待测空间中激光扫描线穿透部分，保留未穿透部分，得到树冠体积模型，从而准确测量单木三维绿量。本发明利用移动二维激光扫描测量单木三维绿量，有效利用所有冠层表面点和内部点，体积模型精确度高；本发明无需人工筛选剔除点云，计算速度快。

Description

基于移动二维激光扫描的单木三维绿量测量方法

技术领域

本发明涉及单木三维绿量测量方法，尤其是基于激光处理技术的单木三维绿量测量方法，具体地说是一种基于移动二维激光扫描的单木三维绿量测量方法。

背景技术

三维绿量最早是作为城市园林绿化水平而提出的，称为“绿化三维量”，指绿色植物茎叶所占据的空间体积，以m³来计算。对树木而言，三维绿量即树冠体积，其有效测定为森林资源调查、森林生态环境效益评价、林业精准管理提供有用信息，对现代林业发展具有重要意义。

遥感技术为树木三维绿量测量提供了有效手段，具体有以下两种途径：

(1)航空航天遥感。采用卫星、飞机等航空航天飞行器搭载相机、三维激光扫描仪等传感器获取树木冠顶信息，提取冠幅、树高等易测因子，利用回归方程推算其他树冠因子，用简单几何体近似树冠计算其体积。

(2)地面激光遥感。设立多个地面三维激光扫描站点获取单木多角度点云数据，将树冠模拟为圆锥、圆台等规则几何体或不规则台体的叠加，如图1、图2所示，图1是将树冠体积模拟为圆锥、圆台等规则几何体的叠加的示意图，图2是某个台体的截面示意图，用配准融合后的点云数据计算树冠体积。

航空航天遥感手段仅适用于大范围树木三维绿量估计，无法准确测量单木三维绿量、建立单木三维绿量与各树冠因子的回归模型。而现有基于地面激光遥感技术的单木三维绿量测量方法仅利用树冠表面点，忽略冠体内空间分布，建模时人工筛选出表面点，剔除内部点，人工参与多，测量准确度有待进一步提高。

发明内容

本发明的目的是针对现有基于激光技术的单木三维绿量测量方法中存在的冠体模型建立人工参与多、不够精准等问题，提出一种基于移动二维激光扫描的快速、准确的单木三维绿量测量方法。

本发明的技术方案是：

一种基于移动二维激光扫描的单木三维绿量测量方法，该方法采用移动二维激光扫描系统对单木进行若干个角度的扫描，获取树冠完整信息，建立激光扫描线参数方程，基于树冠体积即扫描线不可见区域这一准则，去除待测空间中激光扫描线穿透部分，保留未穿透部分，得到树冠体积模型，从而准确测量单木三维绿量。

本发明的方法具体包括以下步骤：

步骤1、获取树冠信息：采用移动二维激光扫描系统对单木进行若干个角度的直线扫描，记录测量数据及移动速度；

步骤2、计算每一条扫描线的参数方程；

步骤3、建立待测量空间离散化模型；

步骤4、去除待测量空间中激光扫描线穿透部分，保留未穿透部分，得到树冠离散化体积模型；

步骤5、根据树冠离散化体积模型，计算单木三维绿量。

本发明的步骤1中，获取树冠信息时，首先规划扫描路径，确保获取树冠完整信息，前述扫描路径是，在待测树木的两侧设置两条平行的移动轨迹或者围绕待测树木，设置若干条首尾依次连接的直线移动轨迹。

本发明的步骤2具体包括以下步骤：

步骤21、以地面树干位置为坐标原点O建立直角坐标系O-xyz，其中，xy平面与地面平行，z轴垂直地面向上，任一移动轨迹l与xy平面平行，原点O到l的垂线的垂点为P_O，P_l是某一时刻二维激光扫描仪在移动轨迹l上的位置，二维激光扫描仪在任一时刻获取扫描平面均与对应的移动轨迹l垂直；对于P_l时刻获取的扫描平面，s是其中一条扫描线；

步骤22、采用下述公式获取二维激光扫描仪的移动轨迹l所在的直线方程P_l；

P_l＝P_O+e_lt_l,

P_O＝[dsinθ -dcosθ h]'，

e_l＝[cosθ sinθ 0]'，

其中，e_l是l的单位方向向量，t_l是P_l与P_O的距离，d是原点O与移动轨迹l在xy平面的距离,h是激光传感器相对于地面的高度，θ是移动轨迹l与x轴的夹角，v是移动速度，分别表示测量点P_l、P_O的测量时刻；

步骤23、采用下述公式获取测量点P_l处某条激光扫描线s所在的直线方程P_s：

P_s＝P_l+e_st_s，

e_s＝[cosαsinθ -cosαcosθ sinα]'；

式中,e_s是s的单位方向向量，t_s是s上的点与P_l的距离，t_s∈[0,d_s]，d_s是测量返回值，α是激光扫描线s与xy平面的夹角。

本发明的步骤3具体包括以下步骤，

步骤31、将待测量空间离散化为小立方体，小立方体的分辨率Δ采用下述公式表示：

Δ＝max(Δ_l,Δ_s)

其中，Δ_l为扫描仪移动轨迹方向e_l上的分辨率，Δ_l＝vΔt，v为移动速度，Δt为扫描周期；Δ_s为同一扫描周期相邻扫描点z方向最大间隔，Δ_s＝DΔα，D为最远测量距离，Δα为扫描仪弧度分辨率；

步骤32、设置待测量空间范围[x_min,x_max],[y_min,y_max],[z_min,z_max]；其中：[x_min,x_max]、[y_min,y_max]由待测树木的冠幅决定，[z_min,z_max]由冠高决定，则待测量空间中各小立方体即体素的坐标范围是[x_min+Δ×i,x_min+Δ×(i+1)]、[y_min+Δ×j,y_min+Δ×(j+1)]、[z_min+Δ×k,z_min+Δ×(k+1)]，其中，i,j,k分别表示体素在x、y、z方向的编号。

本发明的[x_min,x_max]表示待测树木的横向冠幅的两端坐标，[y_min,y_max]表示待测树木的纵向冠幅的两端坐标，[z_min,z_max]表示待测树木冠高的底端和顶端坐标。

本发明的步骤4具体为：

对于移动轨迹l上位置P_l的任一条扫描线s，s参数方程为P_s＝P_l+e_st_s，t_s∈[0,d_s]，d_s是测量返回值，t_s是s上的点与位置P_l的距离；

以体素Δ为间隔，计算扫描线s上不同t_s处的点坐标P_s，若它位于某个体素内，则标记该体素为删除，未删除体素即树冠离散化体积模型。

本发明的步骤5具体为：统计未删除体素个数，乘以每个体素体积，得到树冠体积，即单木三维绿量。

本发明的有益效果：

本发明与现有技术相比，其显著优点如下：(1)本发明利用移动二维激光扫描系统测量单木三维绿量，有效利用所有冠层表面点和内部点，体积模型精确度高；(2)无需人工筛选剔除点云，计算速度快。

附图说明

图1是将树冠体积模拟为圆锥、圆台等规则几何体的叠加示意图。

图2是某个台体的截面示意图。

图3是移动二维激光扫描坐标系的示意图。

图4是待测单木的示意图之一。

图5是移动二维激光对应于图4的测量角度扫描获取的点云示意图。(坐标单位为mm)

图6是待测单木的示意图之二。

图7是移动二维激光对应于图6的测量角度扫描获取的点云示意图。(坐标单位为mm)

图8是树冠离散化体积模型示意图。(坐标单位为mm)

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。

一种基于移动二维激光扫描的单木三维绿量测量方法，该方法采用移动二维激光扫描系统(前述系统可以采用小车、轨道等移动设备，在移动设备上安装二维激光扫描传感器)对单木进行若干个角度的扫描，获取树冠完整信息，建立激光扫描线参数方程，基于树冠体积即扫描线不可见区域这一准则，去除待测空间中激光扫描线穿透部分，保留未穿透部分，得到树冠体积模型，从而准确测量单木三维绿量。

本发明的方法具体包括以下步骤：

步骤1、获取树冠信息：采用移动二维激光扫描系统对单木进行若干个角度的直线扫描，记录测量数据及移动速度；

获取树冠信息时，首先规划扫描路径，确保获取树冠完整信息，前述扫描路径是，在待测树木的两侧设置两条平行的移动轨迹或者围绕待测树木，设置若干条首尾依次连接的直线移动轨迹。

步骤2、计算每一条扫描线的参数方程；步骤2具体包括以下步骤：

步骤21、以地面树干位置为坐标原点O建立直角坐标系O-xyz，其中，xy平面与地面平行，z轴垂直地面向上，任一移动轨迹l与xy平面平行，原点O到l的垂线的垂点为P_O，P_l是某一时刻二维激光扫描仪在移动轨迹l上的位置，二维激光扫描仪在任一时刻获取扫描平面均与对应的移动轨迹l垂直；对于P_l时刻获取的扫描平面，s是其中一条扫描线；

步骤22、采用下述公式获取二维激光扫描仪的移动轨迹l所在的直线方程P_l；

P_l＝P_O+e_lt_l,

P_O＝[dsinθ -dcosθ h]'，

e_l＝[cosθ sinθ 0]'，

其中，e_l是l的单位方向向量，t_l是P_l与P_O的距离，d是原点O与移动轨迹l在xy平面的距离,h是激光传感器相对于地面的高度，θ是移动轨迹l与x轴的夹角，v是移动速度，分别表示测量点P_l、P_O的测量时刻；

步骤23、采用下述公式获取测量点P_l处某条激光扫描线s所在的直线方程P_s：

P_s＝P_l+e_st_s，

e_s＝[cosαsinθ -cosαcosθ sinα]'；

式中,e_s是s的单位方向向量，t_s是s上的点与P_l的距离，t_s∈[0,d_s]，d_s是测量返回值，α是激光扫描线s与xy平面的夹角。

步骤3、建立待测量空间离散化模型，步骤3具体包括以下步骤，

步骤31、将待测量空间离散化为小立方体，小立方体的分辨率Δ采用下述公式表示：

Δ＝max(Δ_l,Δ_s)

其中，Δ_l为扫描仪移动轨迹方向e_l上的分辨率，Δ_l＝vΔt，v为移动速度，Δt为扫描周期；Δ_s为同一扫描周期相邻扫描点z方向最大间隔，Δ_s＝DΔα，D为最远测量距离，Δα为扫描仪弧度分辨率；

步骤32、设置待测量空间范围[x_min,x_max],[y_min,y_max],[z_min,z_max]；其中：[x_min,x_max]、[y_min,y_max]由待测树木的冠幅决定，[z_min,z_max]由冠高决定，则待测量空间中各小立方体即体素的坐标范围是[x_min+Δ×i,x_min+Δ×(i+1)]、[y_min+Δ×j,y_min+Δ×(j+1)]、[z_min+Δ×k,z_min+Δ×(k+1)]，其中，i,j,k分别表示体素在x、y、z方向的编号。

步骤4、去除待测量空间中激光扫描线穿透部分，保留未穿透部分，得到树冠离散化体积模型；步骤4具体为：

对于移动轨迹l上位置P_l的任一条扫描线s，s参数方程为P_s＝P_l+e_st_s，t_s∈[0,d_s]，d_s是测量返回值，t_s是s上的点与位置P_l的距离；

以体素Δ为间隔，计算扫描线s上不同t_s处的点坐标P_s，若它位于某个体素内，则标记该体素为删除，未删除体素即树冠离散化体积模型。

步骤5、根据树冠离散化体积模型，计算单木三维绿量；步骤5具体为：统计未删除体素个数，乘以每个体素体积，得到树冠体积，即单木三维绿量。

具体实施时：

实验采用日本Hokuyo公司生产的二维激光扫描仪UTM-30LX，扫描范围270°，扫描周期Δt为25ms，移动速度v为1m/s，Δ_l＝vΔt＝0.025m。角度分辨率0.25°，取最远测量距离D＝5m，Δ_s＝DΔα＝0.022m，体素大小Δ＝max(Δ_l,Δ_s)＝0.025m。待测量空间范围[-0.6m,0.6m],[-1m,1m],[0.1m,2m]。激光传感器相对于地面的安装高度h＝0.2m，设计两条与x轴平行的扫描轨迹，与x轴的夹角θ分别为0°、180°，到树干的水平垂直距离d分别是2.33m、2.55m。

不同角度待测量单木及移动二维激光扫描获取点云如图4-7所示。用本发明阐述方法得到的离散化体积模型如图8所示(为便于显示，此时体素分辨率取0.1m)，单木三维绿量即保留体素总体积，为1.283m³。

实验程序采用Matlab7.0开发，计算机配置如下：i5-4590处理器，主频3.30GHz，内存8GB。不同角度扫描获取树木激光点云数据共700帧，累计处理时间22.52s，平均每帧处理时间0.0322s。

本发明未涉及部分均与现有技术相同或可采用现有技术加以实现。

Claims (7)

1.一种基于移动二维激光扫描的单木三维绿量测量方法，其特征是该方法采用移动二维激光扫描系统对单木进行若干个角度的扫描，获取树冠完整信息，建立激光扫描线参数方程，基于树冠体积即扫描线不可见区域这一准则，去除待测空间中激光扫描线穿透部分，保留未穿透部分，得到树冠体积模型，从而准确测量单木三维绿量；该方法具体包括以下步骤：

步骤1、获取树冠信息：采用移动二维激光扫描系统对单木进行多个角度的直线扫描，记录测量数据及移动速度；

步骤2、计算每一条扫描线的参数方程；

步骤3、建立待测量空间离散化模型；

步骤4、去除待测量空间中激光扫描线穿透部分，保留未穿透部分，得到树冠离散化体积模型；

步骤5、根据树冠离散化体积模型，计算单木三维绿量。

2.根据权利要求1所述的基于移动二维激光扫描的单木三维绿量测量方法，其特征是步骤1中，获取树冠信息时，首先规划扫描路径，确保获取树冠完整信息，前述扫描路径是，在待测树木的两侧设置两条平行的移动轨迹或者围绕待测树木，设置多条首尾依次连接的直线移动轨迹。

3.根据权利要求1所述的基于移动二维激光扫描的单木三维绿量测量方法，其特征是步骤2具体包括以下步骤：

步骤21、以地面树干位置为坐标原点O建立直角坐标系O-xyz，其中，xy平面与地面平行，z轴垂直地面向上，任一移动轨迹l与xy平面平行，原点O到l的垂线的垂点为P_O，P_l是某一时刻二维激光扫描仪在移动轨迹l上的位置，二维激光扫描仪在任一时刻获取扫描平面均与对应的移动轨迹l垂直；对于P_l时刻获取的扫描平面，s是其中一条扫描线；

步骤22、采用下述公式获取二维激光扫描仪的移动轨迹l所在的直线方程P_l；

P_l＝P_O+e_lt_l,

P_O＝[dsinθ-dcosθh]'，

e_l＝[cosθ sinθ0]'，

其中，e_l是l的单位方向向量，t_l是P_l与P_O的距离，d是原点O与移动轨迹l在xy平面的距离,h是激光传感器相对于地面的高度，θ是移动轨迹l与x轴的夹角，v是移动速度，分别表示测量点P_l、P_O的测量时刻；

步骤23、采用下述公式获取测量点P_l处某条激光扫描线s所在的直线方程P_s：

P_s＝P_l+e_st_s，

e_s＝[cosαsinθ-cosαcosθsinα]'；

式中,e_s是s的单位方向向量，t_s是s上的点与P_l的距离，t_s∈[0,d_s]，d_s是测量返回值，α是激光扫描线s与xy平面的夹角。

4.根据权利要求1所述的基于移动二维激光扫描的单木三维绿量测量方法，其特征是步骤3具体包括以下步骤，

步骤31、将待测量空间离散化为小立方体，小立方体的分辨率Δ采用下述公式表示：

Δ＝max(Δ_l,Δ_s)

其中，Δ_l为扫描仪移动轨迹方向e_l上的分辨率，Δ_l＝vΔt，v为移动速度，Δt为扫描周期；Δ_s为同一扫描周期相邻扫描点z方向最大间隔，Δ_s＝DΔα，D为最远测量距离，Δα为扫描仪弧度分辨率；

步骤32、设置待测量空间范围[x_min,x_max],[y_min,y_max],[z_min,z_max]；其中：[x_min,x_max]、[y_min,y_max]由待测树木的冠幅决定，[z_min,z_max]由冠高决定，则待测量空间中各小立方体即体素的坐标范围是[x_min+Δ×i,x_min+Δ×(i+1)]、[y_min+Δ×j,y_min+Δ×(j+1)]、[z_min+Δ×k,z_min+Δ×(k+1)]，其中，i,j,k分别表示体素在x、y、z方向的编号；x_min,x_max表示待测量空间范围内x轴的最小值和最大值；y_min,y_max表示待测量空间范围内y轴的最小值和最大值；z_min,z_max表示待测量空间范围内z轴的最小值和最大值。

5.根据权利要求4所述的基于移动二维激光扫描的单木三维绿量测量方法，其特征是[x_min,x_max]表示待测树木的横向冠幅的两端坐标，[y_min,y_max]表示待测树木的纵向冠幅的两端坐标，[z_min,z_max]表示待测树木冠高的底端和顶端坐标。

6.根据权利要求1所述的基于移动二维激光扫描的单木三维绿量测量方法，其特征是步骤4具体为：

对于移动轨迹l上位置P_l的任一条扫描线s，s参数方程为P_s＝P_l+e_st_s，t_s∈[0,d_s]，d_s是测量返回值，t_s是s上的点与位置P_l的距离；

以体素Δ为间隔，计算扫描线s上不同t_s处的点坐标P_s，若它位于某个体素内，则标记该体素为删除，未删除体素即树冠离散化体积模型。

7.根据权利要求6所述的基于移动二维激光扫描的单木三维绿量测量方法，其特征是步骤5具体为：统计未删除体素个数，乘以每个体素体积，得到树冠体积，即单木三维绿量。