一种基于三角表面模型与四面体模型的树干材积提取方法

本发明涉及一种树干表面三维重建与树干四面体模型重建领域，尤其是涉及一种基于三角表面模型与四面体模型的树干材积提取方法。

背景技术：

1、树干是树木的主要组成部分，占树木材积比重最大，经济价值最高。树干材积的准确计算是准确计算树干生物量的基础，是准确计算林分、森林蓄积量、碳储量的基础。现有材积方法多建立在树干横断面是圆的基础上，然而树干横断面不是圆，树干存在着弯曲与扭曲的现象，这导致根据树干横断面是圆计算的树干材积与其真实值间存在着偏差。目前有基于连续曲面的树干表面模型的树干材积计算方法，然而树干表面凸凹不平，粗糙程度也各不相同，连续表示的曲面模型并不能有效反映树干表面真实的几何特征，这导致根据连续曲面的树干表面模型计算的树干材积与其真实值间也存在偏差。

技术实现思路

1、有鉴于此，本发明的目的是提供一种基于三角表面模型与四面体模型的树干材积提取方法，通过构建以三角形表示的树干表面模型以精确反映树干表面的几何特征，再以三角网表面模型为基础构建树干的四面体实体几何模型，用以精确提取树干材积。

2、为达到上述目的，本发明采用以下技术方案：

3、一种基于三角表面模型与四面体模型的树干材积提取方法，包括如下步骤：

4、步骤1，获取树干三角表面模型构建初始点；

5、步骤2，构建树干初始三角表面模型；

6、步骤3，细分树干三角表面模型；

7、步骤4，树干四面体模型构建与树干材积计算。

8、优选的，所述步骤1，获取树干三角表面模型构建初始点包括：

9、步骤101，树干点云垂直分段，包括：以地面三维激光扫描仪扫描一株树木得到的树干点云p为输入，计算p在z轴上的最大值zmax与最小值zmin，以选定的垂直分段高度参数h为间隔，从zmin开始至zmax将p均匀划分为个垂直分段；

10、步骤102，垂直分段角度分区，包括：以选定的角度参数α将每一个垂直分段划分为个角度分区，每个角度分区中所有点的坐标平均值为角度分区的重心点；

11、步骤103，角度分区抽样点，包括：将第一个垂直分段中每一个角度分区重心点的z轴坐标值设置为zmin并作为每一个角度分区的抽样点；将最后一个垂直分段中每一个角度分区重心点的z轴坐标值设置为zmax并作为每一个角度分区的抽样点；对于其它垂直分段的每一个角度分区，在该角度分区中搜索与该角度分区重心点距离最小的点，并以该点作为该角度分区的抽样点，所有垂直分段所有角度分区抽样点的集合构成初始点集p0。

12、优选的，所述步骤2，构建树干初始三角表面模型，包括：

13、步骤201，树干上下表面重建，包括：以第一个垂直分段的所有抽样点构成点集pl为输入，将该点集逆时针次序排列，则每两个相邻的抽样点构成一条以逆时针次序排列的有向边，这些有向边构成下表面的边界边集合bl，然后以pl和bl为输入，采用二维平面点集的delaunay三角网构建算法构建第一个垂直分段抽样点的二维delaunay三角网，该三角网为树干下表面三角网tl；同理，最后一个垂直分段的所有抽样点的集合pu与边界边集合bu构建的delaunay三角网为树干上表面tu；在构建过程中，以点的逆时针次序表示三角形，即若有三个点a、b与c，按照逆时针排序为a、c、b，则这三点所构三角形应标记为δacb；

14、步骤202，树干外表面重建，包括：以初始点集p0为输入，以树干下表面边界边的逆向边与树干上表面边界边的逆向边为树干环绕表面重建的边界边集合bo重建树干外表面的三角网to；从边界边集合中任意取一条边作为初始基边ab，执行寻找第3个点使得基边ab所对夹角最大化操作：在点集p0中寻找一个点c，且该点不属于pl与pu，判断基边与点c所构三角形是否满足三角形不相交规则，即δabc与to中已存在的以三点a、b与c为节点的三角形是否存在相交关系，包括在三维空间直接相交与在投影空间相交，若不存在相交关系则作为候选节点之一，从候选节点集中选择一个节点d使得夹角∠adb的角度值最大，则可构成一个新三角形δabd；此时由于基边ab构成一个新的三角形δabd，则ab不再是边界边，因此将其从边界边集合bo中删除；对于δabd的另外两个有向边bd与da，若边bd在边界边集合bo中存在，则将边bd从边界边集合bo中删除，否则将边bd加入边界边集合bo；同理，对有向边da执行类似操作，继续从边界边集合中任意取一条边作为基边执行上述基边所对夹角最大化操作直至边界边集合为空，若有向边bd与da在边界边集合bo中存在，则优先以这两条边为基边；若在执行过程中，某一条基边无候选节点，则应适当增加高度参数h与角度参数α的数值从步骤101开始重新执行上述过程确保树干外表面重建完成。

15、优选的，所述步骤3，细分树干三角表面模型，包括：

16、步骤301，树干三角表面模型的一次细分，包括：遍历树干外表面三角网to中每个三角形中的每条边，且该边是外表面重建时生成的边，即该边不是树干上下表面重建时的边界边的逆向边，即该边的逆向边不属于bl与bu，对于一条外表面重建时生成的边ab，其逆向边可表示为ba，寻找边ab所在三角形，此处使用δabc表示，寻找边ba所在三角形，此处使用δbad表示，计算边ab的中点f，在树干点云p中搜索与点f距离最近且距离小于h/2的一个点，将该点记为e，若点e分别与δabc、δbad的另两条边新生成的四个三角形δaec、δebc、δdbe、δdea与其三角网中其它的相邻三角形不存在相交关系，则该将△abc与δbad细分为δaec、δebc、δdbe与δdea，即将δabc与△bad从外表面三角网to中删除，将△aec、△ebc、△dbe与δdea添加至外表面三角网to，在此过程中新生成的四条边ae、eb、de与ec也称为外表面重建时生成的边，但不再参与本次细分；逐一对外表面重建时的每一条生成边执行上述操作完成树干三角表面模型的一次细分；

17、步骤302，树干三角表面模型的迭代细分，包括：以上一次树干三角表面模型细分的外表面模型to_i为输入执行步骤301的操作得到一个细分后的外表面模型to_i+1，迭代次数可以通过提前设定或继续迭代直至某一次迭代过程中因三角形有相交无新三角形产生时而结束，由此得到最终细分后的树干外表面模型to_e；

18、步骤303，将树干上表面三角网模型tu、树干下表面模型tl与树干外表面的细分模型to_e合并得到最终重建的树干表面三角网模型t，即t＝tu∪tl∪to_e。

19、优选的，所述步骤4，树干四面体模型构建与树干材积计算，包括：

20、步骤401，树干四面体模型构建，以树干表面三角网模型t为输入，构建树干四面体模型，构建方法采用四面体网格生成器tetgen中的约束四面体与边界恢复的方法构建，即以输入的三角表面模型为边界约束构建四面体模型；

21、步骤402，树干材积计算，逐一遍历树干四面体模型中的每一个四面体并计算其体积，所有四面体体积的累加即为树干体积。

22、本发明的有益效果是：

23、本发明以地面三维激光扫描仪扫描获取的树干点云为数据，构建一种可准确反映树干表面几何特征及树干实体几何特征的树干几何模型，通过对树干初始三角表面模型进行细分以得到能真实反映树干表面凸凹不平的几何特征，该三角表面模型具有封闭、不相交的几何特性，再以三角表面模型构建树干的四面体模型，通过逐个四面体体积的累加获取树干材积。采用本发明方法构建的三角表面模型能有效反映树干表面的几何特征，构建的四面体模型是实体几何模型，因此计算的树干材积具有较高的精确度，为提取树干材积、构建树木生长方程，计算林分蓄积，计算森林碳储量、树木生物量及树干量材优化提供准确的基础数据，从而为森林精准经营提供技术支撑。

24、本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在所写的说明书、权利要求书、以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。