基于地面激光雷达点云数据的单木三维建模综述

第4 9卷第 4期 2 0 1 3年 4月

林

业

科

学

Vo 1 . 49. No . 4 Ap r ., 2 0 1 3

S CI ENTI A

S I L VAE

S I NI CAE

基于地面激光雷达点云数据的单木三维建模综述术 黄洪宇陈崇成邹杰林定 (福州大学福建省空间信息工程研究中心空间数据挖掘与信息共享教育部重点实验室福州 3 5 0 0 0 2 )

摘要： 对利用野外树木激光扫描获取的海量点云数据来提取树木几何与拓扑特征并以此来构建树木三维模型的方法进行综述。在总结基于激光点云的树木建模基本原理和步骤的基础上，围绕单树点云数据的分割、树枝骨

架的提取与优化、单木模型的表面重建等主要过程，对各种具体实现技术或方法进行分类、分析和评价，最后对生 成的树木模型的精度和未来的技术发展趋势进行简要分析。

关键词： 激光扫描仪；激光雷达；点云；树木形态；三维树木建模；信息提取 中图分类号：TN 9 5 8 . 5 8 文献标识码：A 文章编号：1 0 0 1—7 4 8 8( 2 0 1 3 ) 0 4—0 1 2 3—0 8

Tr e e Ge o me t r i c a l 3 D M o d e l i ng f r o m Te r r e s t r i a l La s e r S c a nn e d Po i n t Cl o ud s:A Re v i e w Hu a n g Ho n g y u Ch e n C h o n g c h e n g Z o u J i e L i n Di n g K e y L a b o r a t o r y o f S p a t i a l D a t a Mi n i n g a n d I n f o r m a t i o n S h a r i n g o f MO E s p a t i a l I n f o r ma t i o n R e s e a r c h C e n t e r F u j i a n,F u z h o u U n i v e r s i t y Fu z h o u 3 5 0 0 0 2 ) Abs t r a c t: T h r e e— d i me n s i o n a l v e g e t a t i o n s t r u c t u r a l i n f o r ma t i o n i s c r i t i c a l t

b r ma n y e c o l o g i c a l s t u d i e s a n d a p p l i c a t i o n s i n

f o r e s t r y. I t i s a n o n— t r i v i a l i o b t o r e c o n s t r u c t a c c u r a t e a n d r e a l i s t i c 3 D t r e e mo d e l b a s e d o n t h e p o i n t c l o u d d a t a c o l l e c t e d f r o m t e r r e s t r i a l l a s e r s c a n n e r s . Al t h o u g h t h e p o i n t c l o u d d a t a r e p r e s e n t t h e a c c u r a t e s u r f a c e i n f o r ma t i o n, d u e t o c o mp l e x s t r u c t u r e o f t r e e s a n d o c c l u s i o n,t h e d a t a c a n b e n o i s y a n d mi s s i n g . We r e v i e w t h e a l g o r i t h ms t o e x t r a c t g e o me t r i c a n d

t o p o l o g i c a l i n f o r ma t i o n f r o m t h e u n o r g a n i z e d p o i n t c l o u d,a n d p r o c e d u r e f o r p o i n t c l o u d s e g me n t a t i o n,s k e l e t o n e x t r a c t i o n f r o m p o i n t c l o u d o f t r e e b r a n c h e s a n d i n d i v i d u a l 3 D t r e e mo d e l r e c o n s t r u c t i o n . We a l s o c o mp a r e t h e e x i s t i n g a l g o r i t h ms

a n d s u g g e s t t h e f u t u r e d i r e c t i o n t o e f f i c i e n t l y a n d r e l i a b l y e x t r a c t i n f o r ma t i o n ro f m L i DAR p o i n t c l o u d . Ke y

wo r d s: t e r r e s t r i a l l a s e r s c a n n e r; L i DAR; p o i n t c l o u d; t r e e mo r p h o l o g y; t r e e 3 D r e c o n s t uc r t i o n;

j n f o r ma t i o n e x t r a c t i o n

2 0世纪 8 O年代以来，随着虚拟现实、计算机图

a 1 ., 2 0 0 9 ),例如种问的竞争作用如何影响树冠的三维外形 ( S e i d e l e t a 1 ., 2 0 1 1 )。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。

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 ( L i n t e r m a n n e t a 1 .,1 9 9 9; P r us i nk i e wi c z,2 0 0 0; Uu s i t a l o e t a 1 .,2 00 1; Be n e￥e t

a 1 ., 2 0 0 2;陈崇成等，2 0 0 5;唐丽玉等， 2 0 0 6 )。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 ( O m a s a e t a 1 ., 2 0 0 7; R o s e l l e t a 1 ., 2 0 0 9 );植物的结构一功能模型有助于了解生长 过程及环境的影响 ( A l l e n e t a l。,2 0 0 5;S i e v￣ i n e n e t 收稿日期： 2 0 1 1—1 2— 0 l;修回E t期： 2 0 1 3— 0 1~ 0 4。

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， 2 0 1 1 )。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

基金项目：国家自然科学基金项目 ( 3 0 9 7 2 2 9 9, 4 1 0 0 1 2 0 3 );福建省自然科学基金项目 ( 2 0 1 0 J 0 1 2 0 3;2 0 1 1 J 0 5 1 0 8 );欧盟第七框架项目 ( F i r/ - P E O P L E - 2 0 0 9一 I R S E S,N o . 2 4 7 6 0 8 )。

陈崇成为通讯作者。

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