[发明专利]一种基于点云数据的树干三维干轴曲线构建的树干参数提取方法

摘要

本发明公开了提供一种基于点云数据的树干三维干轴曲线构建的树干参数提取方法，包括如下步骤：步骤1，计算树干在特定位置处的横断面；步骤2，获取树干的几何中心点集合；步骤3，平滑树干的几何中心点；步骤4，构建树干的三维干轴曲线；步骤5，基于树干的三维干轴曲线提取树干的参数。本发明基于树干的三维干轴曲线提取树干的参数，为准确描述树干干形特征提供了一种手段，为提取树干在任意位置处的树干参数提供了技术支撑。

主权项

1.一种基于点云数据的树干三维干轴曲线构建的树干参数提取方法，其特征在于：包括如下步骤：步骤1，计算树干在特定位置处的横断面；步骤2，获取树干的几何中心点集合；步骤3，平滑树干的几何中心点；步骤4，构建树干的三维干轴曲线；步骤5，基于树干的三维干轴曲线提取树干的参数；所述步骤1，计算树干在特定位置处的横断面，包括：计算树干点云中的最低点，并以所述最低点为基础计算树干的高度；以最低点为基准，以向量为平面的法向量，在最低点的上方h处与(h+预设距离)处分别构建两个平面；位于两个平面中间的树干点云构成了一个树干点云块，将树干点云块点云投影到树干高度h处的平面上得到一个平面点云集，计算平面点云集构成的凸包多边形的质心点，所述质心点为平面点云集的几何中心点与树干在高度h处树干横断面的定位点；通过定位点构建树干在高度h处的树干横断面，包括：采用迭代方法计算树干在高度h处的生长方向；第k次迭代计算为：构建过定位点且法向量为的一个平面，所述平面为基准平面；树干在高度h处的生长方向即是树干在高度h处的树干横断面的法向量；以基准平面为基础，分别构建5个与此平行的平面，其中3个平面位于基准平面上方，2个平面位于基准平面下方；由此得到5个树干点云块与5个几何中心点；对5个几何中心点采用主成分分析方法计算树干在高度h处的生长方向其中，协方差矩阵的最大特征值对应的特征向量为树干在高度h处的生长方向平面法向量赋值为进行第k+1次迭代；初次迭代时法向量为迭代结束条件为：相邻两次迭代得到的两个树干生长方向与的夹角θ_k小于0.5度或者θ_k与θ_k+1的角度差小于0.5度；迭代结束时的树干生长方向即为树干在高度h处的生长方向；以树干在高度h处的生长方向为平面的法向量，通过定位点构建树干在高度h处的树干横断面；所述步骤2，获取树干的几何中心点集合，包括：以高度h为分割，分别向上逐区域至树梢位置和向下逐区域至树干基部位置获取树干的几何中心点；向上获取树干的几何中心点：从高度h处开始采用逐区域计算树干在所述区域的几何中心点，以高度h处的树干生长方向为基础，逐步向上获取下一个区域的几何中心点，直至树梢部分；向下获取树干的几何中心点：从高度h处开始采用逐区域计算树干在所述区域的几何中心点，以高度h处的树干生长方向为基础，逐步向下获取下一个区域的几何中心点，直至树干基部；逐区域的计算树干几何中心点：根据前一个区域的树干生长方向在前一个区域结束的位置构建树干的横断面，然后向上或者向下分别构建多个与树干横断面平行且相邻平面间距离为0.5cm的平面，根据所述横断面与多个平面得到树干点云横断块，所述树干点云横断块的几何中心点即为树干在此区域的几何中心点；所述步骤3，平滑树干的几何中心点，包括：将获取的树干几何中心点采取每3个树干几何中心点平滑为1个树干几何中心点的操作，取这3个树干几何中心点的几何坐标的平均值作为平滑后的树干几何中心点的坐标值；所述步骤4，构建树干的三维干轴曲线，包括：采用非有理三次B样条曲线构建一条过树干几何中心点的闭合曲线，树干几何中心点构成曲线的插值点Q＝{Q_k}，k＝0,1,...,n，使用弦长参数法计算插值点Q的节点参数值令d为总弦长，其中，节点参数值定义为：然后根据节点参数值使用平均值法计算节点向量{uj}；在得到节点参数值与节点向量{u_j}的基础上，采用全局曲线插值的方法求解非有理三次B样条曲线的控制点{P_i}，得到系数矩阵为(n+1)×(n+1)的线性方程组：其中，Ni,p(x)的迭代计算方法为：其中，p表示样条曲线的次数，且p＝3；求解方程组得到n+1个控制点{Pi}，根据非有理三次B样条曲线的表达式：得到一条连续曲线，该曲线即为树干的三维干轴曲线。