[发明专利]一种从地基激光雷达点云中自动重建树木结构的方法

权利要求书

1.一个从地基激光雷达点云中自动重建树木结构的方法，其特征是：为了从TLS点云中准确拟合树木枝干几何结构和拓扑关系，本发明基于图论方法，并结合先验假设建模和轻量化表达的优势重建了单木几何结构和拓扑，提出了通用性强、精度高的单木枝干精细几何结构重建方法，首先基于三维Delaunay完成对输入点云的三角剖分，基于Diikstra算法计算了有向加权图的最短路径；然后以最小生成树(MST)算法框架提取树木初始骨架，设计多余顶点和边的合并算法，完成对初始骨架的简化和优化；最后基于树木骨架完成了单木枝干结构圆柱体拟合及其优化算法，重建了精细的单木枝干几何结构。

2.根据权利要求1所述的基于三维Delaunay完成对输入点云的三角剖分，Delaunay三角剖分作为计算机图形学和计算机视觉之间的“纽带”，在本发明中用于从离散树木点云中变现树木几何形状，它是本发明构造最小生成树的实现基础，因为最有效的方法是在点的Delaunay三角剖分中找到最小生成树，当树木的某些区域点云缺失或者分支不完整时，有助于恢复树木的完整性，从而保证了算法对质量较差点云的鲁棒性。

3.根据权利要求2所述的基于Diikstra算法计算了有向加权图的最短路径，在构建树木点云的Delaunay三角剖分图后，本节使用欧几里德空间中定义的长度对三角网的所有边进行加权，本发明将树木LiDAR点云空间中两点的实际距离作为欧氏距离，标准欧式距离用于度量树木点云空间中向量的长度，针对简单欧氏距离的缺陷，它是一种改进的方案，给定一个三角剖分图G＝(V，E)，权重函数将每条边映射到欧几里德距离权重，路径p作为一个顶点序列p＝(v₁，v₂，…，v_k)，使得每个相邻的顶点通过一条边连接，如公式(3-1)所示路径p的权重w_(p)被定义为其组成边的权重之和：

最短路径的问题可以表示为：从源顶点u开始，在路径p的组成边的权重最小的约束下求出到顶点v的路径，如果没有从顶点u延伸到顶点v的路径，则该最短路径的权重被视为∞，因此，最短路径权重w_(p)计算如下：

4.根据权利要求3以最小生成树(MST)算法框架提取树木初始骨架，本发明构造最小生成树图提取树木初始骨架，采用了图论中Dijkstra解决了单源最短路径计算的问题，因为考虑到了从树木三角剖分图中计算一个节点到其他所有节点的最短路径去获得树木水分养分运输途径，这与Diikstra最短路径算法思想是一致的，为了生成高质量的树木骨架，采用集中主要分支点的策略去解决上述问题，树木分叉或分支(树枝)末端附近的点云密度经常急剧变化，单个分支内的点云密度更加稳定，本发明通过Mean Shift算法找到主要分支点，这些点云的邻域中有相对稳定的密度。