CN107063114A - 一种基于切平面分割的树干点云提取方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了提供一种基于切平面分割的树干点云提取方法，包括如下步骤：步骤1，对树木点云垂直分段；步骤2，在给定树木高度h_start0至h_start1间计算树干提取过程开始的垂直分段的索引值i_start，并设置i＝i_start；步骤3，构建树干垂直分段Q_i的角度分区；步骤4，构建垂直分段Q_i的每一个角度分区Q_ij的切平面τ_ij′；步骤5，逐垂直分段逐角度分区地使用切平面分割的方法分割树枝点云与树干点云。本发明用以快速从地面三维激光扫描仪扫描得到的树木点云中提取树干点云，为获取树干整体的三维数据提供了技术支撑。

Description

一种基于切平面分割的树干点云提取方法

技术领域

本发明涉及一种点云提取技术，尤其是涉及一种基于切平面分割的树干点云提取方法。

背景技术

地面三维激光扫描技术(Terrestrial Laser Scanning Technology，简称TLS)是一种新型的测绘技术，产生于20世纪90年代。TLS可快速准确的获得目标物体表面的点云数据信息，从而可以快速构建目标物体的三维模型。经过近20多年来的发展，三维激光扫描仪已经可以连续快速地对被观测物体进行非接触式测量，其通过获取物体表面至扫描仪的距离和发射强度获取大量物体表面的三维点云数据。使用TLS提取林业相关参数是近10年来的研究热点。

树干不仅是树木的主要组成部分，也是树木经济价值的主要体现部位。在做标准木测定时，常采用砍伐树木的方式获取树干，这是一种破坏性的方式。在天然林全面禁伐的时代背景下，有必要研究一种无损方式测定标准木的方法。在测定树干参数时，轮尺与围尺等传统测量工具只能测量树干某一位置处的树干直径，考虑到树干形状的不规则性，传统测量方式并不能获取树干的真实几何结构信息，从而也难以提取准确的树干参数。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的是针对实际需求，提供了一种基于切平面分割的树干点云提取方法，用以快速从地面三维激光扫描仪扫描得到的树木点云中提取树干点云，为获取树干整体的三维数据提供了技术支撑。

为达到上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种基于切平面分割的树干点云提取方法，其特征在于：包括如下步骤：

步骤1，对树木点云垂直分段；

步骤2，在给定树木高度h_start0至h_start1间计算树干提取过程开始的垂直分段的索引值i_start，并设置i＝i_start；

步骤3，构建树干垂直分段Q_i的角度分区；

步骤4，构建垂直分段Q_i的每一个角度分区Q_ij的的切平面τ_ij′；

步骤5，逐垂直分段逐角度分区地使用切平面分割的方法分割树枝点云与树干点云。

优选的，所述步骤1，对树木点云垂直分段，包括：

以高度为标准，计算树干点云中的最低点p_lowest，其中z_lowest为最低点p_lowest的高度值，即最低点的Z轴坐标，并以所述最低点为基础计算树干的高度；构建平面π₀与π₁，其方程分别为z＝z_lowest与z＝z_lowest+thickness，则位于π₀与π₁间的树木点云形成树木点云的一个垂直分段Q₀；继续向上构建平面π₂，其方程为z＝z_lowest+thickness*2，则位于平面π₁与π₂间的树木点云形成另一个垂直分段Q₁；则，平面π_i的方程可表示为z＝z_lowest+thickness*i，位于平面π_i与π_i+1间的树木点云形成点云垂直分段Q_i；其中，平面π_i与平面π_i+1分别称为垂直分段Q_i的下平面与上平面；依次构建树木点云的垂直分段直至树稍部位，得到若干个树木点云的垂直分段。

优选的，所述步骤2，在给定树木高度h_start0至h_start1间计算树干提取过程开始的垂直分段的索引值，包括：

计算树木高度h_start0至h_start1间树木垂直分段的每一个垂直分段的几何中心点；将垂直分段中的树木点云投影至垂直分段的下平面得到一个平面点集，平面点集的几何中心点即为垂直分段的几何中心点；

设树木高度h_start0与h_start1所在垂直分段的索引值分别为i_start0与i_start1，分别计算索引从i_start0至i_start1间的相邻垂直分段的质心点的距离，则距离值的集合D可定义为D＝{d_j|d_j＝|c_j-c_j+1|,i_start0≤j<i_start1}，c_j与c_j+1分别是垂直分段Q_j与Q_j+1的几何中心点；从D中第m号数据开始连续取k个元素构建距离值集合Dis_m，可表示为Dis_m＝{d_m,d_m+1,...,d_m+k},0≤m<|D|-k，分别计算集合Dis_m的方差variance(Dis_m)，寻找方差值最小的一个距离值集合Dis_m0，则树干提取过程的开始的垂直分段的索引值可表示为i_start＝i_start0+m₀+k+1。

优选的，所述步骤3，构建树干垂直分段Q_i的角度分区，包括：设点p_m为垂直分段Q_i中的一个点，p_m′表示点p_m在垂直分段Q_i的下平面的投影，计算垂直分段Q_i的几何中心点c_i，c_i点与投影点p_m′构成的向量与X轴的夹角

根据角度分区的角度值θ，将垂直分区中的点分为若干个角度分区，每个角度分区Q_ij中的点可表示为：

优选的，所述步骤4，构建垂直分段Q_i的每一个角度分区Q_ij的的切平面τ_ij′，包括：

切平面法向量值的计算：

从垂直分段Q_i-1开始，取垂直分段Q_i前k个垂直分段的第j个角度分区中的树干点云，共有k个角度分区中的点，设该点集用Ω_ij表示，根据主成分分析的方法计算角度分区Q_ij中点云的切平面法向量(A,B,C)；具体方法为：计算点集Ω_ij的重心点O，根据公式构造协方差矩阵M，则矩阵M最小特征值对应的特征向量即为角度分区Q_ij中点云的切平面法向量(A,B,C)；

切平面位置的计算方法为：

分别取角度分区Q_(i-1)(j-1)、Q_(i-1)j与Q_(i-1)(j+1)中的点，计算这三个角度分区中点的重心点O′，以Q_ij切平面法向量(A,B,C)为法向量构建过重心点O′的一个平面τ_ij，以垂直分段的几何中心点c_i为起点，以重心点O′为终点构建一个方向向量，沿着此方向向量的方向构建一个与τ_ij平行且距离τ_ij为Dis厘米的平面τ_ij′，则平面τ_ij′即为角度分区Q_ij的切平面。

另构建一个与τ_ij平行且与其距离为Dis的平面τ_ij′，此平面即为角度分区Q_ij的切平面。

优选的，所述步骤5，逐垂直分段逐角度分区地使用切平面分割的方法分割树枝点云与树干点云，包括：

根据角度分区Q_ij构建的切平面提取树干点云；

根据平面方程Ax+By+Cz+D＝0，将点p(x,y,z)的坐标代入平面方程得到一个实数表达式f(p)＝Ax+By+Cz+D，计算垂直分段Q_i的几何中心点c_i的值f(c_i)；分别将角度分区Q_i(j-1)、Q_ij与Q_i(j+1)中的点p(x,y,z)代入实数表达式f(p)＝Ax+By+Cz+D，若点p(x,y,z)满足表达式f(c_i)f(p)<0，则点p(x,y,z)是树枝点云，若满足f(c_i)f(p)>0，则点p(x,y,z)是树干点云；

逐角度分区逐垂直分段提取树干点云：

逐一对垂直分段Q_i的每一个角度分区Q_ij构建其切平面以提取Q_i的树干点云；然后设置i＝i+1再转入步骤3继续提取垂直分段Q_i的树干点云直至树梢位置的最后一个垂直分段。

优选的，所述平面点集的几何中心点为以平面点集构成的凸包多边形的质心点。

优选的，所述给定树木高度h_start0与h_start1的值分别为100厘米与200厘米。

优选的，所述角度分区的角度值θ的值为15度。

本发明的有益效果是：

本发明根据树干表面的点云构建树干点云的切平面，根据点与切平面的关系移除树干点云，从而提取树干点云，该方法建立在模拟人工削枝的基础上，在林业实际生产中，工人用砍刀沿着树干表面砍掉树干上生长的枝桠从而得到树干，该方法的思想源于实际生产过程，简单可行。本发明结合地面三维激光扫描仪测量物体的优势，其能快速地获取被测物体表面的三维模型数据，从地面三维激光扫描仪扫描得到的树木点云中提取树干点云，为获取树干整体的三维数据提供了技术支撑。

本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在所写的说明书、权利要求书、以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

附图说明

图1本发明的方法流程图；

图2是树干垂直分段示例图；

图3是垂直分段的角度分区示例图；

图4是角度分区构建切平面的示例图；

图5是切平面提取树干示意图；

图6是提取一段树干点云的效果图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步描述。

如图1所示，本发明提供一种基于切平面分割的树干点云提取方法，包括如下步骤：

步骤1，对树木点云垂直分段；

根据z轴坐标，也即高度值，计算树干点云中的最低点p_lowest，设最低点p_lowest的Z轴坐标为z_lowest，并根据最低点为基础计算树干的高度；

构建平面π₀与π₁，其方程分别为z＝z_lowest与z＝z_lowest+thickness，则位于π₀与π₁间的树木点云形成树木点云的一个垂直分段Q₀；继续向上构建平面π₂，其方程为z＝z_lowest+thickness*2，则位于平面π₁与π₂间的树木点云形成另一个垂直分段Q₁；则，平面π_i的方程可表示为z＝z_lowest+thickness*i，位于平面π_i与π_i+1间的树木点云形成点云垂直分段Q_i；其中，平面π_i与平面π_i+1分别称为垂直分段Q_i的下平面与上平面；按照上述垂直分段的构建方法直至树稍部位得到若干个树木点云的垂直分段；如图2所示，图中平面1与平面2之间是垂直分段Q_i。thickness的值可根据实际需求预先设定，其值的大小可调，在一个实施例中，thickness的值为0.5厘米。

步骤2，在给定树木高度h_start0至h_start1间计算提取树干过程开始的垂直分段的索引值i_start，并从此垂直分段开始执行树干点云提取过程，即设置步骤3中的i值为i_start。

计算树木高度h_start0至h_start1间树木垂直分段的每一个垂直分段的几何中心点。

树干提取过程开始的垂直分段的索引值的计算方法为，设树木高度h_start0与h_start1所在垂直分段的索引值分别为i_start0与i_start1，分别计算索引从i_start0至i_start1间相邻垂直分段的质心点的距离，距离值的集合D可定义为D＝{d_j|d_j＝|c_j-c_j+1|,i_start0≤j<i_start1}，c_j与c_j+1分别是垂直分段Q_j与Q_j+1的几何中心点，从D中第m号数据开始连续取k个元素构建距离值集合Dis_m，可表示为Dis_m＝{d_m,d_m+1,...,d_m+k},0≤m<|D|-k，分别计算集合Dis_m的方差variance(Dis_m)，寻找方差值最小的一个距离值集合Dis_m0，则树干提取过程的开始的垂直分段的索引值可表示为i_start＝i_start0+m₀+k+1。

步骤3，构建树干垂直分段的角度分区；

设点p_m为垂直分段Q_i中的一个点，p_m′表示点p_m在垂直分段的下平面的投影，计算垂直分段Q_i的几何中心点c_i，c_i点与投影点p_m′构成的向量与X轴的夹角根据角度分区的角度值θ，可将垂直分区中的点分为若干个角度分区，每个角度分区Q_ij中的点可表示为：如图3所示，角度分区1、角度分区2与角度分区3三个不同角度分区的点采用不同的灰度值表示。

步骤4，构建角度分区的的切平面；

切平面法向量的计算方法为：

从垂直分段Q_i-1开始，取垂直分段Q_i前k个垂直分段的第j个角度分区中的树干点云，共有k个角度分区中的点，设该点集用Ω_ij表示，根据主成分分析的方法计算角度分区Q_ij中点云的切平面法向量(A,B,C)，具体方法为：计算点集Ω_ij的重心点O，根据公式构造协方差矩阵M，则矩阵M最小特征值对应的特征向量即为角度分区Q_ij中点云的切平面法向量(A,B,C)。

切平面位置的计算方法为：

分别取角度分区Q_(i-1)(j-1)、Q_(i-1)j与Q_(i-1)(j+1)中的树干点云，计算这三个角度分区中点的重心点O′，在点云密度相对均匀时，重心点O′应位于角度分区Q_(i-1)j的中间位置，以Q_ij切平面法向量(A,B,C)为法向量构建过重心点O′的一个平面τ_ij，另构建一个与τ_ij平行且与其距离为Dis的平面τ_ij′，此平面即为角度分区Q_ij的切平面。如图4所示，1为平面τ_ij，2为平面τ_ij′，这两个平行平面的距离为Dis。

步骤5，使用切平面分割的方法分割树枝点云与树干点云；

根据平面方程Ax+By+Cz+D＝0，将点p(x,y,z)的坐标代入平面方程得到一个实数表达式f(p)＝Ax+By+Cz+D，计算垂直分段Q_i的几何中心点c_i的值f(c_i)，分别将角度分区Q_i(j-1)、Q_ij与Q_i(j+1)中的点p(x,y,z)代入实数表达式f(p)＝Ax+By+Cz+D，若点p(x,y,z)满足表达式f(c_i)f(p)<0，点p(x,y,z)是树枝点云，若满足f(c_i)f(p)>0，点p(x,y,z)是树干点云，如图5所示，图(a)、(b)分别是切平面提取树干点云的俯视图与侧视图，其中平面1为切平面。

逐角度分区逐垂直分段提取树干点云：

逐一对垂直分段Q_i的每一个角度分区Q_ij构建其切平面以提取Q_i的树干点云；然后根据上述构建切平面及提取树干点云的过程对下一个垂直分段Q_i+1执行提取过程，直至最后一个垂直分段。一段树干点云的提取效果如图6所示，图6(a)为一段树木点云，图6(b)为提取树干点云的效果图。

在一个实施例中，步骤2中给定树木高度h_start0与h_start1的值分别为100厘米与200厘米(一般而言，立木树干在100厘米至200厘米间少有树枝分布)。

在一个实施例中，步骤2中与步骤4中，连续取k个元素与k个垂直分段的k值取10。树干在5厘米的一段范围内的弯曲程度较小，在此段范围内构建树干的切平面能比较贴近树干的真实表面，因此，当thickness值为0.5厘米，k为10。受树干点云密度的影响，若用于构建树干切平面的树干长度小于5厘米，则容易出现构建切平面的点太少而使切平面的构建出现较大误差。

在一个实施例中，步骤中角度分区的角度值θ值为15度。θ值取15度可将一个垂直分段划分为24个角度分区，即在一个垂直分区上构建24个切平面。切平面构建的数目不宜太多也不宜太少，太多易受树干点云密度影响而导致切平面构建的不准确，太少则会导致提取的树干点云中包含较多的枝桠点云。

需要说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，本领域普通技术人员对本发明的技术方案所做的其他修改或者等同替换，只要不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (9)

1.一种基于切平面分割的树干点云提取方法，其特征在于：包括如下步骤：

步骤1，对树木点云垂直分段；

步骤2，在给定树木高度h_start0至h_start1间计算树干提取过程开始的垂直分段的索引值i_start，并设置i＝i_start；

步骤3，构建树干垂直分段Q_i的角度分区；

步骤4，构建垂直分段Q_i的每一个角度分区Q_ij的的切平面τ_ij′；

步骤5，逐垂直分段逐角度分区地使用切平面分割的方法分割树枝点云与树干点云。

2.根据权利要求1所述的一种基于切平面分割的树干点云提取方法，其特征在于：所述步骤1，对树木点云垂直分段，包括：

以高度为标准，计算树木点云中的最低点p_lowest，其中z_lowest为最低点p_lowest的高度值，即最低点的Z轴坐标，并以所述最低点为基础计算树木点云的高度；构建平面π₀与π₁，其方程分别为z＝z_lowest与z＝z_lowest+thickness，则位于π₀与π₁间的树木点云形成树木点云的一个垂直分段Q₀；继续向上构建平面π₂，其方程为z＝z_lowest+thickness*2，则位于平面π₁与π₂间的树木点云形成另一个垂直分段Q₁；则，平面π_i的方程可表示为z＝z_lowest+thickness*i，位于平面π_i与π_i+1间的树木点云形成点云垂直分段Q_i；其中，平面π_i与平面π_i+1分别称为垂直分段Q_i的下平面与上平面；依次构建树木点云的垂直分段直至树稍部位，得到若干个树木点云的垂直分段。

3.根据权利要求2所述的一种基于切平面分割的树干点云提取方法，其特征在于：所述步骤2，在给定树木高度h_start0至h_start1间计算树干提取过程开始的垂直分段的索引值，包括：

计算树木高度h_start0至h_start1间树木垂直分段的每一个垂直分段的几何中心点；将垂直分段中的树木点云投影至垂直分段的下平面得到一个平面点集，平面点集的几何中心点即为垂直分段的几何中心点；

设树木高度h_start0与h_start1所在垂直分段的索引值分别为i_start0与i_start1，分别计算索引从i_start0至i_start1间的相邻垂直分段的质心点的距离，则距离值的集合D可定义为D＝{d_j|d_j＝|c_j-c_j+1|,i_start0≤j<i_start1}，c_j与c_j+1分别是垂直分段Q_j与Q_j+1的几何中心点；从D中第m号数据开始连续取k个元素构建距离值集合Dis_m，可表示为Dis_m＝{d_m,d_m+1,...,d_m+k},0≤m<|D|-k，分别计算集合Dis_m的方差variance(Dis_m)，寻找方差值最小的一个距离值集合Dis_m0，则树干提取过程的开始的垂直分段的索引值可表示为i_start＝i_start0+m₀+k+1。

4.根据权利要求3所述的一种基于切平面分割的树干点云提取方法，其特征在于：所述步骤3，构建树干垂直分段Q_i的角度分区，包括：

设点p_m为垂直分段Q_i中的一个点，p_m′表示点p_m在垂直分段的下平面的投影，计算垂直分段Q_i的几何中心点c_i，c_i点与投影点p_m′构成的向量与X轴的夹角

根据角度分区的角度值θ，将垂直分区中的点分为若干个角度分区，每个角度分区Q_ij中的点可表示为：

5.根据权利要求4所述的一种基于切平面分割的树干点云提取方法，其特征在于：所述步骤4，构建垂直分段Q_i的每一个角度分区Q_ij的的切平面τ_ij′，包括：

切平面法向量的计算：

从垂直分段Q_i-1开始，取垂直分段Q_i前k个垂直分段的第j个角度分区中的树干点云，共有k个角度分区中的点，设该点集用Ω_ij表示，根据主成分分析的方法计算角度分区Q_ij中点云的切平面法向量(A,B,C)；具体方法为：计算点集Ω_ij的重心点O，根据公式构造协方差矩阵M，则矩阵M最小特征值对应的特征向量即为角度分区Q_ij中点云的切平面法向量(A,B,C)；

切平面位置的计算方法为：

分别取角度分区Q_(i-1)(j-1)、Q_(i-1)j与Q_(i-1)(j+1)中的点云，计算这三个角度分区中点云的重心点O′，以Q_ij切平面法向量(A,B,C)为法向量构建过重心点O′的一个平面τ_ij，以垂直分段的几何中心点c_i为起点，以重心点O′为终点构建一个方向向量，沿着此方向向量的方向构建一个与τ_ij平行且距离τ_ij为Dis厘米的平面τ_ij′，则平面τ_ij′即为角度分区Q_ij的切平面。

6.根据权利要求5所述的一种基于切平面分割的树干点云提取方法，其特征在于：所述步骤5，逐垂直分段逐角度分区地使用切平面分割的方法分割树枝点云与树干点云，包括：

根据角度分区Q_ij构建的切平面提取树干点云；

根据平面方程Ax+By+Cz+D＝0，将点p(x,y,z)的坐标代入平面方程得到一个实数表达式f(p)＝Ax+By+Cz+D，计算垂直分段Q_i的几何中心点c_i的值f(c_i)；分别将角度分区Q_i(j-1)、Q_ij与Q_i(j+1)中的点p(x,y,z)代入实数表达式f(p)＝Ax+By+Cz+D，若点p(x,y,z)满足表达式f(c_i)f(p)<0，则点p(x,y,z)是树枝点云，若满足f(c_i)f(p)>0，则点p(x,y,z)是树干点云；

逐角度分区逐垂直分段地提取树干点云：

逐一对垂直分段Q_i的每一个角度分区Q_ij构建其切平面以提取Q_i的树干点云；然后设置i＝i+1再转入步骤3继续提取垂直分段Q_i的树干点云直至树梢位置的最后一个垂直分段。

7.根据权利要求3所述的一种基于切平面分割的树干点云提取方法，其特征在于：所述平面点集的几何中心点为以平面点集构成的凸包多边形的质心点。

8.根据权利要求1所述的一种基于切平面分割的树干点云提取方法，其特征在于：所述给定树木高度h_start0与h_start1的值分别为100厘米与200厘米。

9.根据权利要求4所述的一种基于切平面分割的树干点云提取方法，其特征在于：所述角度分区的角度值θ的值为15度。