【摘要】：森林作為陸地生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分,其在氣候調(diào)節(jié)、維持生態(tài)平衡以及在全球環(huán)境變化中起著十分重要的作用。單株樹木作為森林的重要組成部分,其三維幾何模型可廣泛應(yīng)用于林學(xué)、植物學(xué)、遙感、生態(tài)學(xué)及虛擬現(xiàn)實等領(lǐng)域。鑒于樹木幾何結(jié)構(gòu)的高度復(fù)雜性及差異性,傳統(tǒng)樹木幾何模型建模方法在樹木幾何結(jié)構(gòu)信息獲取及建模方面均存在明顯的不足及局限性,從而導(dǎo)致其樹木幾何模型與實際樹木幾何結(jié)構(gòu)及形態(tài)存在較大的差異。與傳統(tǒng)樹木幾何模型建模方法相比,地面激光雷達采用非接觸式方式獲取樹木冠層幾何結(jié)構(gòu)海量點云數(shù)據(jù),因而其可一定程度上克服目前傳統(tǒng)樹木幾何模型建模方法建模結(jié)果逼真度不高、與實地樹木差異大的局限性,從而為實現(xiàn)樹木高逼真度三維幾何建模成為可能。本文以收集到的單株樹木點云數(shù)據(jù)為基礎(chǔ),運用水平集、聚類和圖論方法提取單株樹木骨架點,并在此基礎(chǔ)上實現(xiàn)樹木枝干幾何建模;對于樹葉結(jié)構(gòu)構(gòu)建,以測量得到的單株樹木葉面積進行約束重建,并對重建模型進行分析及討論。主要研究內(nèi)容和成果如下:(1)數(shù)據(jù)收集及預(yù)處理。設(shè)計一套合理的觀測方案開展茂盛期和落葉期單株樹木冠層點云數(shù)據(jù)模擬及地面收集。以典型單株樹木三維幾何模型為研究對象,結(jié)合觀測方案和 ILMSVP(In-situ LAI Measurement Simulationg And Validation Platform)軟件開展點云數(shù)據(jù)模擬。實地選取典型單株樹木作為觀測目標,基于點云數(shù)據(jù)觀測方案和Rigel-VZ400掃描儀開展茂盛期和落葉期單株樹木點云數(shù)據(jù)收集。收集單株樹木樹高、胸徑、枝干半徑等幾何結(jié)構(gòu)參數(shù),選擇典型樹葉測量樹葉幾何結(jié)構(gòu)參數(shù)及樹葉點云數(shù)據(jù)收集。針對實地收集的點云數(shù)據(jù)開展配準、去噪等預(yù)處理,最后計算單株樹木點云數(shù)據(jù)主方向,計算點云軸向分布密度實現(xiàn)分類。(2)落葉期單株樹木枝干幾何建模�；陬A(yù)處理后的單株樹木點云數(shù)據(jù)構(gòu)建鄰域圖,采用Dijkstra算法求解測地圖最大路徑長度,將單株樹木點云在測地圖路徑方向進行分層,并計算各分層點云數(shù)據(jù)的算術(shù)平均值作為骨架點。當(dāng)同一層存在分支時,采用歐式聚類方法確定分支個數(shù)并計算各分支骨架點。論文針對孤立點云集,即與單株樹木冠層枝干點云集不銜接的點云集單獨處理,其樹木枝干骨架點提取方法與單株樹木冠層骨架點提取方法一致。利用最小生成樹構(gòu)建骨架點拓撲結(jié)構(gòu),并基于最小二乘算法估算骨架點處枝條半徑。針對部分骨架點部位點云質(zhì)量較低,從而難以精確估算枝條半徑的部位(如末級枝條、枝條分叉及轉(zhuǎn)折部位等),本文采用管道模型估算枝條半徑。單株樹木主干及枝條采用廣義圓柱體方式作為標準幾何體構(gòu)建其單株樹木幾何模型。研究表明,角分辨率為0.04°的單株樹木點云數(shù)據(jù)能滿足單株樹木幾何建模的精度要求,不同分層間隔只影響模型的細節(jié),且四種觀測方案對模型效果及幾何參數(shù)的影響較小,重建的落葉期單株樹木幾何模型精度較高。(3)茂盛期單株樹木冠層幾何建模。茂盛期單株樹木枝干幾何建模與落葉期單株樹木枝干幾何建模法相同。對于茂盛期單株樹木冠層樹葉幾何建模,其建模以分類后的樹葉點云為基礎(chǔ),采用間隙率模型測量單株樹木冠層葉面積,并以各體元葉面積測量結(jié)果作為單株樹木冠層樹葉幾何建模的約束條件,最終實現(xiàn)茂盛期單株樹木冠層樹葉幾何建模。研究表明,本文采用的點云分類方法能較好地實現(xiàn)單株樹樹木點云分類;以1°天頂角剖分間隔測量得到的單株樹木冠層葉面積測量結(jié)果精度最高;不同觀測方案對單株樹木冠層葉面積測量結(jié)果影響較小;以最大樹葉長度作為體元剖分大小得到的模型效果較好,精度較高;且本文采用的單株樹木冠層葉面積指數(shù)得到的模型精度較高。通過以上分析討論得出,本文采用的顧及單株樹木葉面積指數(shù)分布特征的單株樹木幾何建模方法重建的模型精度較高,從而驗證了建模方法的可行性。
【學(xué)位授予單位】：福州大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號】：S758
【圖文】：

圖２－１邋Ｋｄ樹平面分割示意圖逡逑ｅｅ數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)開展點云鄰域圖構(gòu)建可大幅提高鄰近點查找和范圍查找兩種，其中最近鄰查找通過事先設(shè)而范圍查找則通過設(shè)定查找范圍進行近鄰點查找。逡逑

邐顧及冠層葉面積指數(shù)分布特征的單株樹木幾何建模研究邐表３－２單株樹木模型光譜信息表邐＾邐葉片反射率邐葉片透射率邐木質(zhì)組分反射率逡逑小葉椴邐０．４４４７５邐０．４６７７５邐０．４３２５９逡逑挪威槭樹邐０．４６１９９邐０．５２１４５邐０．４３２５９逡逑銀樺樹邐０．４７２８２邐０．４８７７３邐０．４３２５９逡逑白蠟樹邐０．５２１８９邐０．３９０３０邐０．４３２５９逡逑邐＾邐０．４９７５５邐０．３９８３８邐０．４３２５９逡逑

【參考文獻】

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本文編號：2715962