發(fā)布時(shí)間：2020-06-16 11:01

【摘要】：森林作為陸地生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分,其在氣候調(diào)節(jié)、維持生態(tài)平衡以及在全球環(huán)境變化中起著十分重要的作用。單株樹(shù)木作為森林的重要組成部分,其三維幾何模型可廣泛應(yīng)用于林學(xué)、植物學(xué)、遙感、生態(tài)學(xué)及虛擬現(xiàn)實(shí)等領(lǐng)域。鑒于樹(shù)木幾何結(jié)構(gòu)的高度復(fù)雜性及差異性,傳統(tǒng)樹(shù)木幾何模型建模方法在樹(shù)木幾何結(jié)構(gòu)信息獲取及建模方面均存在明顯的不足及局限性,從而導(dǎo)致其樹(shù)木幾何模型與實(shí)際樹(shù)木幾何結(jié)構(gòu)及形態(tài)存在較大的差異。與傳統(tǒng)樹(shù)木幾何模型建模方法相比,地面激光雷達(dá)采用非接觸式方式獲取樹(shù)木冠層幾何結(jié)構(gòu)海量點(diǎn)云數(shù)據(jù),因而其可一定程度上克服目前傳統(tǒng)樹(shù)木幾何模型建模方法建模結(jié)果逼真度不高、與實(shí)地樹(shù)木差異大的局限性,從而為實(shí)現(xiàn)樹(shù)木高逼真度三維幾何建模成為可能。本文以收集到的單株樹(shù)木點(diǎn)云數(shù)據(jù)為基礎(chǔ),運(yùn)用水平集、聚類和圖論方法提取單株樹(shù)木骨架點(diǎn),并在此基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)樹(shù)木枝干幾何建模;對(duì)于樹(shù)葉結(jié)構(gòu)構(gòu)建,以測(cè)量得到的單株樹(shù)木葉面積進(jìn)行約束重建,并對(duì)重建模型進(jìn)行分析及討論。主要研究?jī)?nèi)容和成果如下:(1)數(shù)據(jù)收集及預(yù)處理。設(shè)計(jì)一套合理的觀測(cè)方案開(kāi)展茂盛期和落葉期單株樹(shù)木冠層點(diǎn)云數(shù)據(jù)模擬及地面收集。以典型單株樹(shù)木三維幾何模型為研究對(duì)象,結(jié)合觀測(cè)方案和 ILMSVP(In-situ LAI Measurement Simulationg And Validation Platform)軟件開(kāi)展點(diǎn)云數(shù)據(jù)模擬。實(shí)地選取典型單株樹(shù)木作為觀測(cè)目標(biāo),基于點(diǎn)云數(shù)據(jù)觀測(cè)方案和Rigel-VZ400掃描儀開(kāi)展茂盛期和落葉期單株樹(shù)木點(diǎn)云數(shù)據(jù)收集。收集單株樹(shù)木樹(shù)高、胸徑、枝干半徑等幾何結(jié)構(gòu)參數(shù),選擇典型樹(shù)葉測(cè)量樹(shù)葉幾何結(jié)構(gòu)參數(shù)及樹(shù)葉點(diǎn)云數(shù)據(jù)收集。針對(duì)實(shí)地收集的點(diǎn)云數(shù)據(jù)開(kāi)展配準(zhǔn)、去噪等預(yù)處理,最后計(jì)算單株樹(shù)木點(diǎn)云數(shù)據(jù)主方向,計(jì)算點(diǎn)云軸向分布密度實(shí)現(xiàn)分類。(2)落葉期單株樹(shù)木枝干幾何建模�；陬A(yù)處理后的單株樹(shù)木點(diǎn)云數(shù)據(jù)構(gòu)建鄰域圖,采用Dijkstra算法求解測(cè)地圖最大路徑長(zhǎng)度,將單株樹(shù)木點(diǎn)云在測(cè)地圖路徑方向進(jìn)行分層,并計(jì)算各分層點(diǎn)云數(shù)據(jù)的算術(shù)平均值作為骨架點(diǎn)。當(dāng)同一層存在分支時(shí),采用歐式聚類方法確定分支個(gè)數(shù)并計(jì)算各分支骨架點(diǎn)。論文針對(duì)孤立點(diǎn)云集,即與單株樹(shù)木冠層枝干點(diǎn)云集不銜接的點(diǎn)云集單獨(dú)處理,其樹(shù)木枝干骨架點(diǎn)提取方法與單株樹(shù)木冠層骨架點(diǎn)提取方法一致。利用最小生成樹(shù)構(gòu)建骨架點(diǎn)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),并基于最小二乘算法估算骨架點(diǎn)處枝條半徑。針對(duì)部分骨架點(diǎn)部位點(diǎn)云質(zhì)量較低,從而難以精確估算枝條半徑的部位(如末級(jí)枝條、枝條分叉及轉(zhuǎn)折部位等),本文采用管道模型估算枝條半徑。單株樹(shù)木主干及枝條采用廣義圓柱體方式作為標(biāo)準(zhǔn)幾何體構(gòu)建其單株樹(shù)木幾何模型。研究表明,角分辨率為0.04°的單株樹(shù)木點(diǎn)云數(shù)據(jù)能滿足單株樹(shù)木幾何建模的精度要求,不同分層間隔只影響模型的細(xì)節(jié),且四種觀測(cè)方案對(duì)模型效果及幾何參數(shù)的影響較小,重建的落葉期單株樹(shù)木幾何模型精度較高。(3)茂盛期單株樹(shù)木冠層幾何建模。茂盛期單株樹(shù)木枝干幾何建模與落葉期單株樹(shù)木枝干幾何建模法相同。對(duì)于茂盛期單株樹(shù)木冠層樹(shù)葉幾何建模,其建模以分類后的樹(shù)葉點(diǎn)云為基礎(chǔ),采用間隙率模型測(cè)量單株樹(shù)木冠層葉面積,并以各體元葉面積測(cè)量結(jié)果作為單株樹(shù)木冠層樹(shù)葉幾何建模的約束條件,最終實(shí)現(xiàn)茂盛期單株樹(shù)木冠層樹(shù)葉幾何建模。研究表明,本文采用的點(diǎn)云分類方法能較好地實(shí)現(xiàn)單株樹(shù)樹(shù)木點(diǎn)云分類;以1°天頂角剖分間隔測(cè)量得到的單株樹(shù)木冠層葉面積測(cè)量結(jié)果精度最高;不同觀測(cè)方案對(duì)單株樹(shù)木冠層葉面積測(cè)量結(jié)果影響較小;以最大樹(shù)葉長(zhǎng)度作為體元剖分大小得到的模型效果較好,精度較高;且本文采用的單株樹(shù)木冠層葉面積指數(shù)得到的模型精度較高。通過(guò)以上分析討論得出,本文采用的顧及單株樹(shù)木葉面積指數(shù)分布特征的單株樹(shù)木幾何建模方法重建的模型精度較高,從而驗(yàn)證了建模方法的可行性。
【學(xué)位授予單位】：福州大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號(hào)】：S758
【圖文】：

圖２－１邋Ｋｄ樹(shù)平面分割示意圖逡逑ｅｅ數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)開(kāi)展點(diǎn)云鄰域圖構(gòu)建可大幅提高鄰近點(diǎn)查找和范圍查找兩種，其中最近鄰查找通過(guò)事先設(shè)而范圍查找則通過(guò)設(shè)定查找范圍進(jìn)行近鄰點(diǎn)查找。逡逑

邐顧及冠層葉面積指數(shù)分布特征的單株樹(shù)木幾何建模研究邐表３－２單株樹(shù)木模型光譜信息表邐＾邐葉片反射率邐葉片透射率邐木質(zhì)組分反射率逡逑小葉椴邐０．４４４７５邐０．４６７７５邐０．４３２５９逡逑挪威槭樹(shù)邐０．４６１９９邐０．５２１４５邐０．４３２５９逡逑銀樺樹(shù)邐０．４７２８２邐０．４８７７３邐０．４３２５９逡逑白蠟樹(shù)邐０．５２１８９邐０．３９０３０邐０．４３２５９逡逑邐＾邐０．４９７５５邐０．３９８３８邐０．４３２５９逡逑

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2715962