本文關(guān)鍵詞：基于三維激光掃描技術(shù)的樹木參數(shù)提取及可視化研究

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【摘要】：樹木是生態(tài)環(huán)境中重要的組成部分,在維持碳氧平衡、保護生物多樣性、涵養(yǎng)水源等方面起著重要的作用。在生態(tài)學(xué)研究和城市景觀設(shè)計中,樹木的基本參數(shù)提取和三維可視化研究是非常重要的。近年來,隨著虛擬現(xiàn)實技術(shù)和林業(yè)測繪技術(shù)的不斷發(fā)展,特別是地面三維激光掃描技術(shù)出現(xiàn)后,樹木參數(shù)提取以及三維可視化研究中存在的一系列問題得到了較好的解決。地面三維激光掃描技術(shù)作為一種新型的測繪技術(shù),可以在不損傷樹木的前提下,準確、快速、高效地獲取樹木的三維點云數(shù)據(jù),為生物多樣性研究、地上生物量測算、林業(yè)資源調(diào)查以及森林生態(tài)景觀三維重建提供了便利的手段。針對傳統(tǒng)林業(yè)資源調(diào)查方法中存在的工作效率低、勞動強度大、可視化困難等問題,本文以地面三維激光掃描儀為載體,采用了算法理論、程序編譯與實例相結(jié)合的方法,實現(xiàn)了胸徑、樹冠體積兩個基本參數(shù)的提取以及樹木的可視化,主要研究內(nèi)容及成果如下:(1)胸徑是樹木的基本參數(shù)之一,在生物量測算和林木生長狀況評價方面具有重要作用。接觸式人工測量方法自動化程度低、受外界環(huán)境因素影響大,現(xiàn)有算法提取樹木胸徑精度不高。針對上述問題,本文提出一種自動準確無損獲取樹木胸徑的新方法。該方法以地面三維激光掃描技術(shù)獲取的樹木點云數(shù)據(jù)為基礎(chǔ),提取1.3m高度處的截面點云數(shù)據(jù),運用蟻群算法對該截面數(shù)據(jù)進行排序處理,利用B樣條曲線對排序后的點云數(shù)據(jù)進行擬合,結(jié)合周長計算公式,實現(xiàn)了樹木胸徑的自動準確提取。以Matlab為編程平臺,對試驗區(qū)內(nèi)的9棵香樟樹木進行測量計算,結(jié)果表明:該方法能高精度的提取任意高度處的樹木直徑。利用本文方法提取樹木胸徑的均方根誤差為± 0.19cm,平均絕對誤差為0.15cm,相對于基于點云的傳統(tǒng)算法提取精度提高了 50%和60.7%。本文方法基于高精度點云數(shù)據(jù),實現(xiàn)了樹木胸徑的無損自動提取,可以為生物量的準確計算和生態(tài)學(xué)基礎(chǔ)研究提供一種準確快速的解決方法。(2)樹冠體積對生物量、三維綠量的測算具有重要意義。本文針對樹冠拓撲結(jié)構(gòu)復(fù)雜,現(xiàn)有方法提取精度差、自動化程度低的問題,提出一種利用激光點云自動獲取樹冠體積的新方法。以地面三維激光掃描技術(shù)獲取的樹冠點云為基礎(chǔ),運用扇形面積逼近和不規(guī)則體切片分割累加算法,實現(xiàn)樹冠體積的自動計算。以試驗區(qū)內(nèi)的8棵香樟和雪松為例,利用編程軟件Matlab作為開發(fā)平臺進行測量計算,同時與模擬規(guī)則體形狀方法和基于點云的手動測量法分別進行對比分析,結(jié)果表明:基于激光點云自動計算樹冠體積的方法實現(xiàn)了單棵樹木樹冠的無損自動計算,不但節(jié)省了人力,而且在計算精度方面提高了 6.17%,可以為三維綠量、碳循環(huán)的測算以及樹冠結(jié)構(gòu)的研究提供參考。(3)針對樹木結(jié)構(gòu)復(fù)雜,可視化困難的問題,本文可視化研究分為點云和模型展示兩部分。點云三維展示利用地面三維激光掃描技術(shù)獲取樹木點云,以Cyclone軟件為點云預(yù)處理平臺,經(jīng)過點云配準、去除噪音等操作可以得到完整的樹木點云,對獲得的點云數(shù)據(jù)可以進行著色、三維旋轉(zhuǎn)、立體量測等操作,是一種對現(xiàn)實樹木最直觀和精確的可視化方式之一;模型展示是將三維點云導(dǎo)入Geomagic studio軟件中,將完整的樹木枝干點云通過點云分割操作,分解成相互獨立的不同枝干,對每一部分點云進行封裝,構(gòu)建出枝干三角網(wǎng)模型,然后完成整個樹木的合并,將完整的樹木模型導(dǎo)入3dsMAX中進行紋理映射和貼圖處理,最終得到樹木的真三維模型,從而實現(xiàn)樹木的可視化。本文方法借助高精度的樹木點云數(shù)據(jù),實現(xiàn)樹木模型的可視化表達,可以為生態(tài)學(xué)和林業(yè)科學(xué)研究提供詳實的基礎(chǔ)數(shù)據(jù),為模型可視化研究提供一定的參考。地面三維激光掃描技術(shù)應(yīng)用于樹木參數(shù)提取和可視化研究,是對生態(tài)學(xué)和林業(yè)研究的一種創(chuàng)新和拓展。本文研究結(jié)果表明,利用地面三維激光掃描技術(shù),設(shè)計相關(guān)算法,可以在不損傷樹木和節(jié)約人力資源的前提下,準確、快速、高效的提取樹木胸徑、樹冠體積等基本參數(shù)。研究成果在生態(tài)學(xué)基礎(chǔ)研究和林業(yè)研究中具有重要的科學(xué)意義和推廣前景。
【學(xué)位授予單位】：安徽大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號】：TN249;S758

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本文編號：1288885