基于二维激光雷达的单木三维建模方法研究
摘要：激光雷达是一种可以精确、快速获取地面或树木三维空间信息的主动探测技术，应用范围和发展前景十分广阔。近几年随着激光测绘技术、计算机三维图像处理技术等学科的迅速发展，农林科技工作者们通过在计算机中重构林木在自然界中的状态，不仅可以进行单木建模研究，还可以实时模拟林木在各种情况下的生长状况。实验证明用激光雷达点云数据，在树枝重建基础上，基于点云密度，可以有效添加树叶，得到完整的单木三维结构，并且其叶面积和方向间隙率与真值一致，从视觉和定量研究方面都具有一定应用价值。同时激光扫描技术具有能够还原客观实体，真实反映表面特征的特点，也在树木三维建模及表面重建领域发挥了重要的作用。
关键词：地面激光雷达；点云数据；单木建模；树木形态
- 研究目的及意义
20世纪80年代以来，随着虚拟现实、计算机图形学、地理信息系统等学科发展以及计算机性能的大幅提高，生态学家、农林业者和计算机研究人员开始重视通过构建植物(树木)的三维几何形态模型来模拟其生长过程、刻画各种特征变量、表达环境与树木的交互作用等。植物的形态结构特征(包括树高、胸径、冠高、冠幅，主干枝条的数目、高度与长度等)对许多不同尺度的生物物理过程(如光合作用、植物生长、呼吸蒸腾等)起着决定性的作用，植物的结构－功能模型有助于了解生长过程及环境的影响，例如种间的竞争作用如何影响树冠的三维外形。在精准农(林)业、计算机动画游戏、数字城市、古树名木保护管理等众多领域也都可以找到植物三维建模的应用实例。由于自然界中树木种类繁多，加上其所处的生长环境不同，树木形态呈纷繁复杂、千姿百态。如何有效地测量获取这些几何与拓扑结构信息，并将它们在计算机上准确逼真地表达出来，是个不小的挑战。 课题研究基于二维激光雷达的单木三维建模方法，通过移动二维激光雷达获取树木三维点云，配准融合不同角度的点云数据得到树木完整形貌，通过拟合枝干、树冠建立树木三维模型。
- 国内外研究概况
1960年科学家 Theodore Maiman 发现了红宝石激光，迎来了激光技术的新纪元。1965 年，L．Robert 在其论文“二维物体的机器感知”中提出了利用计算机视觉技术获取目标三维信息的可能性，标志着三维扫描技术新纪元的开始。 地面激光扫描技术自20世纪初被引进国内以来，以其获取目标三维点云，具有扫描速度快、非接触性、主动性、高精度性、高密度性、信息丰富性以及建立的模型具有可量测性等优点，在很多领域得到应用[1]。20世纪80年代以来，随着虚拟现实、计算机图形学、地理信息系统等学科发展以及计算机性能的大幅提高，生态学家、农林业者和计算机研究人员开始重视通过构建植物( 树木) 的三维几何形态模型来模拟其生长过程、刻画各种特征变量、表达环境与树木的交互作用等( Lintermann et al．，1999;Prusinkiewicz，2000 ; Uusitalo et al．，2001 ; Bene etal．，2002 ; 陈 崇 成等 ，2005 ; 唐 丽 玉 等 ，2006 )。植物的形态结构特征(包括树高、胸径、冠高、冠幅，主干枝条的数目、高度与长度等) 对许多不同尺度的生物 物 理 过 程 ( 如光合作用、植物生长、呼吸蒸腾等)起着决定性的作用(Omasa et al．，2007; Rosell etal．，2009 ); 植物的结构 － 功能模型有助于了解生长过程及环境 的影响 ( Allen et al．，2005; Sievnen etal. ，2009 )，例如种间的竞争作用如何影响树冠的三维外形( Seidel et al．，2011)。在精准农 ( 林) 业、计算机动画游戏、数字城市、古树名木保护管理等众多领域也都可以找到植物三维建模的应用实例。由于自然界中树木种类繁多，加上其所处的生长环境不同，树木形态呈纷繁复杂、千姿百态。如何有效地测量获取这些几何与拓扑结构信息，并将它们在计算机上准确逼真地表达出来，是个不小的挑战。目前树木的计算机三维建模主流方法有基于植物生长规则的过程建模法、基于图像的建模法和基于草绘的建模法三大类，各有其优缺点和适用范围(林定等，2011)。基于规则的方法最先得到发展，是目前应用最为广泛的虚拟植物构建方法。此法需要一定的植物学专业知识，通过定义和调整几何参 数 来 确 定 植 物 的 三 维 形 态。 经典例子有Prusinkiewicz 等 ( 1990 ) 的L－系 统 及 其 衍 生 系 统 、De Reffye 等 ( 1988 ) 的AMAP以及开源的Open Alea等。基于图像的建模方法利用图像处理工具或计算机视觉算法，从单幅或不同视角的多幅影像中自动提 取植物特征来构建模型。代表性的工作有Shlyakhter等( 2001 )、Quan 等( 2006 )、Neubert 等(2007)、Tan等(2007)和Teng等(2009) 。基于草绘的方法则是通过人机交互方式在用户手绘的枝干或外形轮廓的基础上，利用植物生长规则或者已有的树木模型库生成三维模型代表性的工作有Okabe 等( 2005 )、Onishi 等 ( 2006 ) 等 。在实际应用中，植物三维建模通常是几种方法的混合使用，如基于影像和基于草绘法中常利用规则法来完成模型的重建; Tan 等(2007)联合应用了基于单幅图像和用户手绘的树冠外形法直接构建三维模型【2】。
国内，覃文汉等人（1992）对冬小麦、大豆、水稻等农作物直接测量了叶面积密度，得到了分层叶面积密度值。这种直接测量方法虽然精度较高，但是其破坏性强，且工作量大，费时费力，低矮作物有一定的适用性；但对于相对较高的或不宜做破坏性测量的区域范围的林木，该方法不适用【3】。2011-12-04，刘睿等工作者对中国农业大学西校区玉米温室的玉米进行激光雷达扫描试验，点云数据记录了玉米植株每个点的X、Y、Z 坐标信息、反射强度信息【4】，完成了玉米植株真实三维模型重建方法。
近几年随着激光测绘技术、计算机三维图像处理技术等学科的迅速发展，农林科技工作者们通过在计算机中重构林木在自然界中的状态，不仅可以实时模拟林木在各种情况下的生长状况，还可以模拟环境和林木的交互作用、计测林木的属性参数。由于自然界中树木的种类繁多、形态各异，如何准确地在计算机上进行活立木的枝干三维建模对于科研工作者来说是个很大的挑战。基于这一问题，张冬，严锐等工作者提出了一种基于地面激光雷达点云数据的活立木枝干建模方法，在建模过程中涉及多个步骤，每步的工作均基于改进的算法之上。相比于现有的活立木建模方法，本研究提出方法的普适性和准确性均有所增强，且建模过程中不需要手动参与，完全实现全自动化建模【5】。王晓辉等工作者创设性地提出了从单株木完整点云数据中一次性同时提取树木粗大枝条和细小枝条的骨架点方法ITSEPC。该方法的优点体现在：无需将枝条点云数据和树叶点云数据进行分离，显著减少点云数据处理的工作量，提高建模效率【6】【7】。林定等研究了基于参数曲线及其所围面积的三维树木建模。该研究中提出的方法具有普适性，可推广到由多项式曲线分段拼接而成的复杂参数曲线，能够以作图方式直观地编辑复杂的非线性源汇关系曲线，交互式地实现各种控制，可在树木参数化几何建模中得到推广应用【8】。汪恒以地面激光雷达扫描获取的单株立木点云数据为研巧对象，设计了不同的数据获取方案，制定了相应的点云数据质量评价方案，进而分析了单株立木点云数据的抽稀以及几何表面曲面建模方法，且在曲面建模的基础之上，测量了单株立木点云数据的几何特征参数【9】，实验证明用激光雷达点云数据，在树枝重建基础上，基于点云密度，可以有效添加树叶，得到完整的单木三维结构，并且其叶面积和方向间隙率与真值一致，从视觉和定量研究方面都具有一定应用价值【10】,并且激光扫描技术具有能够还原客观实体，真实反映表面特征的特点，也在树木三维建模及表面重建领域发挥了重要的作用，在森林参数提取和可视化建模方面取得了很多成果【11】。总而言之，激光雷达是最近十几年来国内外进展非常快的主动式遥感探测装置，能快速地得到垂直方向上高精度林分结构参数【12】。
分析国内外对树木三维可视化建模技术所采用的方法及其实用性，虽然激光雷达技术在国内林业科学研究发展势头良好，且许多林学或者生态类高等学府或者科研院所有些成绩，但是在国际上的影响还是稍显不足，仍然需要努力【13】【14】 。 如何通过所建立的树木模型实现林分的三维可视化模拟、将激光扫描应用于林分的三维建模将是其在林业应用研究中的新的发展方向【15】。
- 研究方案
（1）2D LiDAR点云数据采集及配准融合。
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