一种利用激光雷达点云计算无叶期林带疏透度的方法

本申请涉及一种利用激光雷达点云计算无叶期林带疏透度的方法，属于水土保持。

背景技术：

1、防护林带结构是指林带内植物要素的数量和空间分布，是防护林体系研究的基础。传统防护林结构特征表征参数多为二维尺度，包括林带高度、林带宽度、透光疏透度以及断面形状等。其中透光疏透度(林带纵断面透光面积与纵断面总面积的比值)是描述林带结构的主要参数，经过国内外学者长期的研究，林带疏透度的测量获取由最初的目测法、概率估算法、方格景框法等方法发展到了采用数字化扫描方法，首先取得清晰的树木照片，用数字化扫描仪把照片转化为数字化图像文件，利用树木与背景之间的灰度差异实现了更加精准、方便、经济的测量。这些均为二维尺度上的林带疏透度，是对林带纵断面投影的表示，它没有表现出林带宽度上的特征，在具有明显三维结构的多行林带中，透光疏透度无法真实反映林带的结构。

2、林带二维疏透度应用较为普遍，采用拍照计算得到。而现阶段国内外对于林带三维疏透度的探究大都是通过野外解析木实测、风洞实验来实现的。拍照获取林带二维疏透度具有精准、方便、经济的优点，但受限于林带宽度，对于多行林带而言，该方法和参数的优点将不复存在。林带三维疏透度的获取现有技术分为解析木实测、风速反演两类。解析木方法获取林带三维疏透度，测量周期长，工作量大，破坏立木生长以及后续的生态社会效益，实际应用中难以大面积砍伐；风洞及数值模拟方法则采用缩尺模型，基于真实树木准确度又有所下降，枝干对空气流动的扰动作用也造成一定误差。三者均为选取一定数量样本，无法精确到林带内的每棵树木，由此造成最终林带三维参数的计算结果不准确。

3、激光雷达(light detection and ranging，lidar)是一种速度快、可靠性高、分辨率强的环境感知传感器，是激光与雷达技术的结合。激光雷达技术是20世纪九十年代出现的一种高新技术，因其可以快速获得扫描目标三维点云数据，自问世以来就受到了国内外学者的广泛关注。在林业上，国外对该项技术应用较早并且已经进行了大量的探究，研究主要集中在林带结构探究、林木各参数因子的提取、单木枝叶点云数据提取以及三维模型建立等方面，并且获得了不同程度的成果。在国内该项技术的应用较晚，研究主要集中在林业资源调查、林分结构研究以及单木三维重建等方面。相比于传统光学提供的二维平面信息，激光雷达可以为不同尺度下林带调查提供技术保障，利用树木激光雷达点云能够获取具有准确空间几何的信息，重建高仿真三维立体模型，为植被生态结构参数提取和反演奠定基础。

技术实现思路

1、本发明针对上述缺点，提出利用激光雷达技术获取林带点云数据，通过点云处理、单木分割、模型构建、参数提取、累加计算等步骤，精确快速获得林带内每棵树的参数，计算得出林带三维疏透度的方法。

2、一种利用激光雷达点云计算无叶期林带疏透度的方法，包括如下步骤：

3、1)利激光雷达扫描仪进行林带扫描，得到林带点云；将不包含地面点的林带点云作为提取三维疏透度的数据源；

4、2)基于种子点对林带单木进行识别，得到林带中每棵树木的id及单木数量n；

5、3)采用定量结构模型重建单木枝干几何结构圆柱体模型，并分别得到每棵树木单株枝干的三维结构参数，分别得到每棵树木包含孔隙的单木体积、树干体积和树枝体积；

6、4)计算林带三维疏透度，计算方式为：

7、

8、其中，vp为林带三维疏透度，i为树木序号，n为林带中树木总数，v干i为第i棵树的树干体积，v枝i为第i棵树的树枝体积，v全i为第i棵树的单木体积。

9、进一步的，所述步骤1)中还包括对点云进行去噪和归一化处理，通过点云滤波分离地面点和非地面点。

10、进一步的，所述步骤3)中采用三维凸包算法得到包含孔隙的单木体积。

11、本申请能产生的有益效果包括：

12、本申请借助激光雷达新兴技术力量和计算机建模算法，改善了传统疏透度测量工具及方法的局限性，提高了精确度和效率。

技术特征：

1.一种利用激光雷达点云计算无叶期林带疏透度的方法，其特征在于，包括如下步骤：

2.根据权利要求1所述的利用激光雷达点云计算无叶期林带疏透度的方法，其特征在于，所述步骤1)中还包括对点云进行去噪和归一化处理，通过点云滤波分离地面点和非地面点。

3.根据权利要求1所述的利用激光雷达点云计算无叶期林带疏透度的方法，其特征在于，所述步骤3)中采用三维凸包算法得到包含孔隙的单木体积。

技术总结
本申请公开了一种利用激光雷达点云计算无叶期林带疏透度的方法，包括如下步骤：1)利激光雷达扫描仪进行林带扫描，扫描数据包含了目标点的空间几何、行走轨迹、累计距离以及每个点的空间位置坐标信息；将不包含地面点的林带点云作为提取三维疏透度的数据源；2)基于种子点对林带单木进行识别，得到林带中每棵树木的ID及单木数量n；3)采用定量结构模型重建单木枝干几何结构圆柱体模型，并分别得到每棵树木单株枝干的三维结构参数；4)计算林带三维疏透度。

技术研发人员：肖辉杰,贾肖肖,范光鹏,辛智鸣
受保护的技术使用者：北京林业大学
技术研发日：
技术公布日：2024/2/8