本文關(guān)鍵詞：基于點(diǎn)云數(shù)據(jù)的樹干干形測量　出處：《中國林業(yè)科學(xué)研究院》2016年博士論文　論文類型：學(xué)位論文

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【摘要】：傳統(tǒng)上測量樹干任意位置處直徑需要伐倒樹木,這種破壞性的測量方式耗時(shí)費(fèi)力。在以生態(tài)建設(shè)為主題、天然林全面禁伐的時(shí)代背景下,有必要研究一種非破壞性的立木測定方法。地面三維激光掃描儀具有毫米級(jí)的測量精度,能在短時(shí)間內(nèi)獲取物體表面大規(guī)模的點(diǎn)云數(shù)據(jù),這為提取立木任意位置處的樹干參數(shù)提供了一種手段。將地面三維激光掃描儀用于林業(yè)測量與樹木建模是近年來的研究熱點(diǎn)。但現(xiàn)有報(bào)道的從樹木點(diǎn)云中提取樹干參數(shù)與樹木建模的方法存在如下問題:(1)用于提取直徑的樹干點(diǎn)云的選取并未建立在樹干橫斷面確定的基礎(chǔ)上;(2)樹干橫斷面是一個(gè)不規(guī)則的幾何體,擬合圓提取的直徑不精確;(3)未提取樹干傾斜、彎曲與扭曲等干形參數(shù);(4)分段折線表示的樹干骨架難以用于科學(xué)計(jì)算;(5)重建的樹木表面模型不能反映樹干表面的凸凹不平特征、難以應(yīng)用于提取樹干直徑等參數(shù)。針對(duì)上述問題,本文以構(gòu)建一套從樹木點(diǎn)云中精確提取樹干干形參數(shù)的方法為研究目的。本文分別以楊樹、洋白蠟、大葉白蠟、懸鈴木、臭椿的樹干與落葉松原木段為對(duì)象開展外業(yè)掃描與調(diào)查。在對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)預(yù)處理的基礎(chǔ)上開展了如下研究:(1)構(gòu)建了一種基于切平面分割的樹干點(diǎn)云提取算法;(2)提出了一種可用于精確量測的樹干三維干軸曲線的構(gòu)建算法;(3)提出了兩種模擬圍尺測徑的方法與一種模擬輪尺測徑的方法;(4)提出了一種構(gòu)建橫斷面輪廓曲線及斷面積精確計(jì)算的方法;(5)提出了以優(yōu)先點(diǎn)為中心的快速Delaunay三角網(wǎng)生長算法;改進(jìn)了基于切平面投影的表面重建算法并將其應(yīng)用于樹干表面重建;提出了一種基于圓柱面投影的樹干表面重建算法;提出了一種對(duì)樹干重建表面模型的定量評(píng)價(jià)方法。通過上述研究,得出以下結(jié)論:(1)本文提出的樹干點(diǎn)云提取算法適用于提取樹干傾斜與彎曲程度不大的樹木的樹干點(diǎn)云。(2)本文構(gòu)建的樹干三維干軸曲線能較好地反映樹干的形狀特征,根據(jù)樹干三維干軸曲線能準(zhǔn)確定位樹干任意位置處的橫斷面及計(jì)算樹干任意位置處的曲率與撓率等干形參數(shù)。(3)本文提出的三次B樣條曲線與分段Bezier曲線模擬圍尺軌跡提取直徑的RMSE分別為0.16cm與0.15cm,現(xiàn)有擬合圓與凸包折線提取直徑的RMSE為1.03cm與0.16cm,與現(xiàn)有方法相比,本文提出的兩種模擬圍尺軌跡測徑的方法具有更高的測量精度,其中采用分段Bezier曲線方法的精度最高;與輪尺實(shí)測直徑相比,本文提出的模擬輪尺測徑的RMSE為0.34cm。(4)本文提出的斷面積計(jì)算方法能準(zhǔn)確的計(jì)算樹干橫斷面的斷面積,與本文的方法相比,傳統(tǒng)上使用直徑與圓面積公式計(jì)算斷面積的平均絕對(duì)百分比誤差為6.20%。(5)本文提出的快速Delaunay三角網(wǎng)生長算法的構(gòu)網(wǎng)時(shí)間不超過原經(jīng)典算法構(gòu)網(wǎng)時(shí)間的1/3;與Powercrust表面重建算法與Hoppe提出的基于等值面的重建算法相比,基于切平面投影與基于圓柱面投影的算法都能更好的反映樹干表面的凸凹不平特征,其中基于圓柱面投影的算法效果最好;通過從重建表面上提取樹干直徑精確性的定量評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)來看,與圍尺實(shí)測直徑相比,從基于圓柱面投影重建表面與基于切平面投影重建表面上提取直徑的RMSE分別為0.14cm與0.15cm,與從樹干點(diǎn)云提取直徑相比,從基于切平面投影的重建表面與基于圓柱面投影的重建表面上提取直徑的RMSE分別為0.11cm與0.05cm,基于圓柱面投影的樹干表面重建算法較適用于樹干點(diǎn)云的表面重建。
【學(xué)位授予單位】：中國林業(yè)科學(xué)研究院
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號(hào)】：S758
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本文編號(hào)：1320127