一种无损估算立木材积的低成本树木结构自动重建方法
一、技术领域
1.本发明涉及一种基于地面摄影测量点云的用于估算立木材积的低成本树木结构自动重建方法。
二、技术背景
2.以较高的精度和较低的成本获得立木材积是林业研究与应用的重要问题。从三维点云中重建树木模型对于估算树木体积、森林蓄积量、生物量和碳储量具有非常重要的意义。当前，森林激光雷达点云的获取成本仍然高于森林摄影测量点云。砍伐树木是获取体积最直接和有效的办法，但是具有破坏性并且成本高。通过破坏性采样建立的材积方程是一种估算体积的间接测量方法，但是有时候测量结果的不确定性难以量化甚至未知。本发明通过改进的基于激光雷达点云的qsm(quantitative structure model,qsm)重建算法用于从地面摄影测量点云提取树干体积。对已有的qsm方法(adqsm)进行改进，并提供了一种低成本的树木结构自动重建方法和技术路线。将基于tls点云的qsm算法用于建模树木的地面近景摄影测量的点云将是一个新的尝试。将来自地面近景摄影测量的点云作为树木定量结构模型的输入数据会降低树木3d重建的成本，因为摄影测量点云更容易获取。基于qsm方法建模来自树木图像的点云的相关报道很少，尤其将地面近景摄影测量点云作为输入数据。激光雷达点云和摄影测量点云都是由一系列的坐标点组成，点云中都包含了x轴,y轴和z轴三个方向的数据。本发明将qsm算法用于建模树木的地面近景摄影测量的点云，除了可以提高qsm算法的通用性，还为qsm的增加了新的输入数据。本文与已有的方法相比优势如下：
3.(1)开发了一个基于地面近景摄影测量点云的树木结构自动重建方法，首次基于tls点云的树木三维重建算法去处理地面摄影测点云。
4.(2)证明了qsm的数据源可以是很容易获取的地面摄影测量点云，为树干体积无损估测提供了一个更加经济的方法。
5.(3)在树木结构重建方面，模型更加接近树木真实生长状态，可以以低成本的方式获取立木材积。
三、
技术实现要素：6.针对现有立木材积估算的弊端和不足，为了降低树干体积估测成本，在不损伤树木的情况下，本发明提供了一个基于地面摄影测量点云的立木材积估算的方法，使用该方法重建树木三维几何结构并提取树干体积，为立木材积无损估测提供了一个更加经济的方法。
7.主要
技术实现要素：8.一种基于地面摄影测量点云重建树木三维模型的方法。本发明的技术方案主要包含以下步骤：
9.1.采集立木地面摄影测量点云。使用普通的数码相机采集立木，获取所有树木的坐标位置；然后生成基于图像的三维点云，采用运动重构法构造密集点云(sfm)，使用软件
自动实现sfm过程并进行人工编辑和修正；最后进行单木分割，从样地点云中提取单棵树木，进行地面点滤波、重采样、生成dem、归一化等操作步骤实现从样地级别的点云中提取单木。分割后可对单棵点云树木进行逐一检查，对分类不正确的树木进行人工重新分割，手工去除噪点。
10.2.基于adqsm从单棵树木的地面摄影测量点云中重建树木结构并提取体积。树木定量结构模型是基于地基激光雷达点云的单棵树木枝干几何结构的3d模型。利用adqsm重建的地上单木三维几何结构去测量树干或者树枝的体积，可以量化材积方程带来的不确定性。
11.(1)s树木主干自动识别
12.本发明采用改进的adqsm自下而上重建树枝几何体的圆柱体，需要精确计算树干底部的初始圆柱体半径。通过自动选择树干的点云，使用不同颜色标记点云，在树干底部安装第一个圆柱体。为了减少用户的干预，本发明实现了自动重建方法。本发明可以准确识别和分割树干点云。基于树木骨架节点的分布，结合枝下高的分布，识别出树干点云变化相对稳定的位置。
13.算法的设计和实现过程如下：
14.①
从主干骨架的每个分支节点向上取20厘米，将整个主干的点云水平切成5厘米厚的切片。每个分支节点将有四个切片。骨架分支节点的搜索范围为树高的10-55％。得到该范围内所有分支顶点的切片，并计算所有切片的边界框面积。
15.②
由于主干骨架的第一个分叉节点更有可能是主干的顶端，所以首先判断第一个分叉节点。以第一个分叉节点处的第一个切片的边界框区域作为参考点。如果其他三个切片的边界框面积变化显著(1.3倍以上)，则使用第一个分叉节点作为主干的顶部断点p。
16.③
如果不符合
②
的情况，遵循“先比较自己，后比较他人”的原则。以第i个节点(i＝2,3,4，
…
)的第一个切片的边界框面积为参考，如果其他三个切片的边界框面积变化显著(1.3倍以上)，则以第i个节点为主干的顶端端点p。
17.④
如果第i个节点不满足
③
条件，将第i个节点的1片边界框面积与第i-1个节点的第1片边界框面积进行比较。如果有较大的变化(1.3倍或更多)，则认为第i个节点是主干的顶部端点p。
18.⑤
如果所有分叉节点都不满足
④
条件，则取第一个节点为分叉点，即主干分叉的顶端端点p。
19.⑥
为了保证参与拟合初始圆柱体的树木主干点云更可靠，将p点位置向下移动底部由分开。
20.(2)初始圆柱半径聚类
21.为了拟合位于主干底部的第一个圆柱体，(1)设计并实现了一种算法，自动选择主干点云的相对稳定段。识别并标记点云变化相对稳定的树干，找到树干顶端端点p。对初始圆柱体进行拟合，以精确计算其半径。在本发明中，识别出的树干点云被不同长度(10cm，20cm，30cm，40cm，
…
，100cm)等分。根据标记点云每段拟合的圆柱体半径分布规律，对初始圆柱体半径进行聚类。由计算得出，聚类中参与初始聚类圆柱体半径的圆柱体数目
为n。l为树干点云的总长度。
22.树枝结构拟合和优化过程下：。
23.①
采用(1)的方法，从下到上搜索树干的顶部端点p，将树干的点云用固定长度均匀分割，得到无间隔的n段点云。
24.②
在分段点云(用于拟合初始圆柱体)中，将z值最大的点设置为顶面中心，将z值最小的点设置为底面中心。以被分割的云的最小包络盒的长度或宽度的一半(两者的最大值)为半径，确定初始圆柱体，包括圆柱体顶面中心、圆柱体底面中心和半径。
25.③
确定圆柱体段的中心轴线向下延伸后与地面的交点，取交点的平均值作为树的底部位置。在得到圆柱的粗半径后，利用非线性最小二乘法计算圆柱各分段的半径。
26.④
将n段等长点云拟合成n个圆柱体。采用k-means方法对所有圆柱体半径进行聚类，尽可能保证拟合树干初始圆柱体半径的准确性。我们将圆柱体半径的大小分为大、中、小三个层次。聚簇半径的平均值(中等水平)用作主干底部第一个圆柱体的初始半径。
27.在步骤
②
完成后，基于分割识别的主干点云拟合参与聚类初始圆柱体半径(红色圆柱体)属于典型的非线性最小二乘问题。
28.本项发明与现有方法相比具有以下优点：
29.(1)使用获取成本较低的地面摄影测量点云作为定量结构模型的输入数据，为树干体积无损估测提供了一个更加经济的方法。
30.(2)在树木结构模型重建领域发明了树干自动识别的方法，可以准确找到枝下高的位置。
31.(3)本发明实现从地面摄影测量点云中自动重建单木几何结构，为立木材积无损估算提供了低成本的新方法，与现有的材积方程计算立木材积的方法是完全不同。本发明可以作为立木材积估算的补充手段。
四、附图说明
32.下面结合附图和实例对本发明进一步说明。
33.图1——求树干顶端端点p(枝下高)的算法过程；
34.图2——自动识别主干点云曲线相对稳定的部分；
35.图3——从标记的点云生成参与聚类初始圆柱体半径的所有圆柱体；
36.图4——树枝结构拟合和优化过程；
37.图5——在样地内的摄影测量路线和树木分布；
38.图6——样地3d效果；
39.图7——重建单株立木几何结构的过程；
五、具体实施方式
40.(1)tp点云的采集与处理
41.①
照片采集
42.用两台柯达pixpro sl25镜头相机固定在一根长度为60厘米的棍子上。工作前，相机需通过gml相机校准工具箱0.75软件进行校准和校正，通过内置wifi连接pixpro remote viewer 2.6.5智能软件以使两台相机同步工作，并将捕捉到的照片转移到手机或保存到相
机的sd卡。将5根长度为3m的目标杆子放置在样地内并拍摄照片，目标杆子必须提前确定长度，每两个杆子之前互相可见，以便于将森林清查数据与摄影测量点云匹配及量测后期生成的点云。在从地面摄影测量点云中提取完所有树木和目标杆子的相对坐标后，搬动全站仪逐个架设观测站点并获取了样地中所有树木的坐标位置。全站仪架设观测点时设置的坐标来自目标杆子的点云。本发明使用了一种“螺旋曲线”的路线进行摄影。以样地中心为起始点，采用自内而外的扫描方式，从样地中心到样地最外围。最后样地由若干个同心圆组成。从样地正北方向开始，顺时针围绕中心树旋转。
43.②
生成基于图像的三维点云
44.采用运动结构法(sfm)构造密集点云。本发明实验过程中使用商业软件pix4d mapper自动实现了sfm过程，通过寻找特征点将无序的二维图像生成样地三维点云，通过光束法平差与非线性最小二乘算法优化模型。由于建立的三维点云模型只具有像方空间坐标系，而缺乏尺度信息和方位信息借助3米长的目标杆子计算绝对尺度，实现了像方空间坐标与物方空间坐标之间的转换；进行人工编辑和修正。数据经过预处理后得到样地3d场景。
45.(2)单木分割
46.本发明实验过程中使用lidar360激光雷达软件从样地点云中提取单棵树木。从样地级别的点云中提取单木的主要步骤包括地面点滤波、重采样、生成dem和归一化等操作。首先在使用最小点间距法对点云进行重采样后提取单棵树木，然后采用改进的渐近加密三角网滤波算法分类地面点，通过不规则三角网插值算法建立数字地形模型(dem)。在完成对样地点云归一化等操作后基于种子点分割单木。由于单棵树分割的准确性会直接影响qsm模型的星都，进而影响树木体积的估算经度，因此可对分割后的单棵树点云进行逐一检查，对分类不正确的树木进行人工重新分割，手工去除噪点。
47.(3)使用adqsm自动重建单株立木几何结构并估算树干体积
48.本发明设基于三维模型的凸多面体体积计算方法从重建的树木几何模型中自动估算树干体积。使用adqsm从地面摄影测量点云中重建树木枝干几何结构并自动导出树干体积。重建的三维树木模型可视为一个完整的封闭凸多面体，多面体体积计算需要包括重建的树干和所有高阶树枝。