[发明专利]激光扫描环境点云数据中树冠模型提取方法

说明书

技术领域

本发明属于公务船信息获取与目标识别领域，尤其涉及一种激光扫描环境点云数据中树冠模型提取方法。

背景技术

随着我国海洋事务的蓬勃发展，对于岛礁、近岸环境的探测能力亟待加强，多型科考船的建造提供了众多的移动探测平台。船载直升机和无人机是非地基式传感器的优良搭载媒介，而基于以上平台的小型化机载激光扫描仪可以作为实现非接触式传感方式的信息获取设备。

近岸环境是全球经济发展的重要地区，特别是在我国利用远洋资源、开发离岸岛礁的背景下，科考船大多都已配置有多型航空平台，可以实现对地表对象的多重观测，采集丰富的信息来对周边环境进行数据获取和建模。其中，近岸区域植被是重要的环境信息，其对于地形环境勘测、林业资源调查、碳汇计算、潮汐海岸带保护等多种应用具有重要意义。而基于船载航空平台的激光探测相对于航空相片、卫星影像、雷达等传统探测方式，其产品激光扫描点云是内容丰富的真三维数据资源，包含获取地表植被信息的对象几何和光谱信息，这些是进行后续环境建模、态势判断和决策的重要依据。因此，需要研究从机载激光扫描点云中提取不同类型植被树冠的建模方法。

机载激光扫描技术(Light Detection And Ranging，LiDAR)是一种非接触式空间信息遥感主动探测获取技术手段。它通过发射和接收激光扫描束实现对一定距离内对象的测量与传感工作。其产品形态主要有离散型和连续型两种。离散型激光点云通过对环境对象的多次回波进行处理，获得特定观测对象的真三维信息及部分表面特性的强度信息。LiDAR技术对于可穿透的物体具有多次回波的特性，通过多次回波可以形成对观测对象的内部结构信息，从而为全方位的探测和目标识别提供丰富的数据。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，提供一种激光扫描环境点云数据中树冠模型提取方法，可用于科考船航行过程中独立特征明显的常见大小(林冠覆盖半径约为0.5米-3米)植被目标识别，为科考船信息系统环境感知提供方法指导。

LiDAR系统主要是通过红外波段的非可见光激光束进行对象外观扫描，该波段激光除了水体和镜面等物体外，大多数被扫描对象都存在漫反射、折射现象。因此，通过LiDAR系统可以完成树冠目标对象的内外几何特征识别，是科考船进行海陆环境勘测、调查等任务的一种较好目标识别手段。本发明主要依托船载航空平台和机载扫描设备进行树冠对象目标的建模与识别。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种激光扫描环境点云数据中树冠模型提取方法，包括以下步骤，步骤一，利用机载LiDAR系统对观测对象进行离散化点云扫描，按照典型树冠类型进行树冠分类建模，将扫描获取的点云抽象外廓空间结构类型划归为锥形、半球形、半椭球形，并建立对应结构的内外表面模型；步骤二，采用0.5米-3米采样间隔对散乱点云进行影像栅格化处理，使其能够转换成可供后期对象识别、空间分析处理的二维影像；步骤三，针对不同的树冠横向面直径大小，选择动态可调的滤波计算窗口面向树冠覆盖范围半径小于3m的树冠平面进行筛选和划分；步骤四，在树冠面被筛选划分出来后，按照树干中心线和树冠剖面窗口斜率计算得到单一树冠的半径；步骤五，按照树干中心线和窗口计算得到的半径进行二维平面树冠圆形边缘勾画；步骤六，在不同类型树冠轮廓完成勾画后，统计结果中不同树冠计算窗口上的树冠分类数量，为统计、分析及后期建模做准备。

按上述技术方案，所述步骤四中，具体为在能量收敛计算迭代过程中寻找局部极值点进行比较，对树冠中心覆盖小于3米半径的极大值点标记为树冠点，然后以树冠点为中心对周边树冠表面点进行斜率计算，各不同的斜率可以通过垂直剖面计算其夹角，按照树冠表面点到树干中线水平距离的三角关系计算得到按照不同树冠模型在其最大覆盖投影面上的半径。

对于单一树种的林地，绝大多数具有类似的树冠大小，不过在自然状态下，植被具有不同的形态，独立特征明显的常见大小(林冠覆盖半径约为0.5米-3米)植被常见的树冠形态为圆锥形、半椭球形和半球形。如果采用固定窗口来进行树冠检测，则较小的窗口会导致大树冠被错误划分为若干个小树冠，较大的窗口则会导致小树冠被错误合并为单株大树冠。所以，采用可变窗口来计算不同树冠形态下的半径。因为激光点云数据具有高程维度数据信息。所以在局部最大值附近窗口就可以计算其斜率。