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    一種稀疏點(diǎn)云環(huán)境下的單株樹骨架提取算法

    2014-08-01 10:07:52李巍岳劉春吳杭彬孫偉偉
    遙感信息 2014年6期
    關(guān)鍵詞:方法模型

    李巍岳,劉春,吳杭彬,孫偉偉

    (1.同濟(jì)大學(xué) 測(cè)繪與地理信息學(xué)院,上海 200092;2.現(xiàn)代工程測(cè)量國家測(cè)繪地理信息局 重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,上海 200092;3.礦山空間信息技術(shù)國家測(cè)繪地理信息局重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,焦作 454000)

    1 引 言

    樹木三維建模一直是計(jì)算機(jī)圖形圖像學(xué)及仿真學(xué)研究的熱點(diǎn)之一,其模型重構(gòu)技術(shù)已在虛擬現(xiàn)實(shí)、林業(yè)調(diào)查、生態(tài)環(huán)境建設(shè)、古樹名木保護(hù)以及農(nóng)林業(yè)等方面有著廣泛的應(yīng)用。多數(shù)學(xué)者主要用生物形態(tài)法及幾何構(gòu)造法兩種方法來構(gòu)建模型。前者主要是從植物學(xué)的角度模擬樹木形成、生長及衰敗的過程[1],但該方法沒有考慮樹木的形態(tài)及結(jié)構(gòu)信息,所以很難構(gòu)建出真實(shí)樹木的三維模型;后者通過計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的手段,參照樹木的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)信息來生成模型[2],彌補(bǔ)了前者在建模上的不足,但該方法沒有嚴(yán)格遵循植物學(xué)的規(guī)律。樹木重構(gòu)首先要提取樹木的骨架信息[3],樹木的骨架信息對(duì)描述形狀具有重要的意義,不僅能夠保持樹木拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、方向及局部特征,而且可以以直觀、緊湊的形式有效地表示3D模型,是樹木建模的關(guān)鍵問題之一[4-6]。骨架提取目前沒有嚴(yán)格的概念定義,無法確定提取算法的優(yōu)劣,這是因?yàn)楣羌芴崛♂槍?duì)不同的研究領(lǐng)域,質(zhì)量的評(píng)價(jià)目前還沒有一個(gè)統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)[7]。在樹木骨架提取的研究中,應(yīng)滿足骨架的拓?fù)湟恢滦?、居中性及?xì)性等特點(diǎn)。已有的研究[8-10]多數(shù)基于圖像及手工繪制草圖的交互式建模,提取樹木的骨架信息。這部分研究中,除了基于圖像的建模外,大部分的研究都是建立虛擬三維樹木,沒有實(shí)現(xiàn)真實(shí)樹木的數(shù)字化。由于許多樹木形體高大,枝條眾多,樹葉與枝干間存在遮擋,單純的利用圖像很難實(shí)現(xiàn)樹木準(zhǔn)確的骨架提取。

    激光掃描測(cè)距技術(shù)(Light Detection and Ranging,LiDAR)是一種快速、直接地獲取地形表面模型的技術(shù);與傳統(tǒng)的光學(xué)及微波遙感不同,LiDAR能夠快速、精確地獲取地面特征在水平和垂直方向上的位置,克服了傳統(tǒng)觀測(cè)手段中樹木部分結(jié)構(gòu)枝葉間遮擋的問題,是目前能測(cè)定森林覆蓋地區(qū)地面高程的可行技術(shù)之一[11-12]。近些年來,利用點(diǎn)云信息提取樹木骨架的研究逐漸增多,Pyysalo等采用矢量多邊形的方法,在點(diǎn)云中識(shí)別出云杉、松樹、樺樹三類樹種,分別計(jì)算點(diǎn)云的算數(shù)中心及各點(diǎn)與中心點(diǎn)的連線、夾角,按照逐漸增大的角度順次連接各點(diǎn)形成單木樹的骨架[13];Gorte等基于點(diǎn)云與柵格影像,分別選擇濾波、數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)、最短路徑等算法,在構(gòu)建的體素模型中提取3D樹木骨架[14];Delagrange等在垂直方向上將點(diǎn)云按照1cm間隔進(jìn)行水平切片,找出每一層數(shù)據(jù)點(diǎn)構(gòu)成的中心,然后從下向上通過最小生成樹將這些中心點(diǎn)連接得到樹木骨架[15];Bucksch等利用八叉樹數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)來組織點(diǎn)云數(shù)據(jù),通過體素模型標(biāo)注物體的延伸方向,再結(jié)合圖論方法及約束規(guī)則來提取骨架[16];Raumonen等采用圓柱體模型,在收集到的地面LiDAR數(shù)據(jù)中,快速自動(dòng)地構(gòu)建出單株樹的樹枝及樹干[17]。目前針對(duì)激光掃描數(shù)據(jù)提取樹木骨架的方法中,多數(shù)建立在三維網(wǎng)絡(luò)模型或體素化模型的基礎(chǔ)上。由于點(diǎn)云模型獲取困難,噪聲多,缺少模型的連接信息,在提取過程中,需要進(jìn)行點(diǎn)云去噪,體素剖分等處理,過程費(fèi)時(shí),結(jié)果較難預(yù)料[18];特別是在稀疏點(diǎn)云的條件下,影響的因素更多,嚴(yán)重地影響到樹木的三維重建,因此有必要尋找一種方法能夠解決上面提到的問題。本文根據(jù)樹木的生長規(guī)律,分別闡述了單株樹的主干、節(jié)點(diǎn)及枝條信息的獲取方法,總結(jié)出在稀疏點(diǎn)云(地面及機(jī)載)條件下提取樹木骨架的最優(yōu)化方法。

    2 單株樹骨架提取算法

    樹木信息一般較為復(fù)雜,采用激光掃描技術(shù)所獲得的點(diǎn)云受到漫反射和其他信息的干擾,點(diǎn)云比較稀疏且精度有限。雖然所獲取的點(diǎn)云數(shù)據(jù)分布稀疏離散,但點(diǎn)云之間存在密度關(guān)聯(lián)與較好的層次性。鑒于此,本文主要的思想是:大多數(shù)的激光點(diǎn)反映的是樹木不同位置的葉子信息,葉子點(diǎn)云內(nèi)具有團(tuán)聚的特點(diǎn),將每一個(gè)聚類中心取代周圍的葉子點(diǎn)云,作為樹木骨架的末端;還有部分點(diǎn)云信息反映了樹木的主干及枝條,采用自由型曲線進(jìn)行模擬,可以最佳的還原樹木自身的結(jié)構(gòu),同時(shí),控制自由型曲線走向的法向量得到了樹木枝條的節(jié)點(diǎn);最終得到單株樹的骨架(圖1)。

    圖1 樹木骨架提取流程

    2.1 模糊c-均值聚類

    葉子點(diǎn)云數(shù)據(jù)較為離散,不同的樣本類屬存在不確定性,模糊c-均值分類方法使用目標(biāo)函數(shù)將數(shù)據(jù)分成互相分離的類別,其主要算法為:

    設(shè)數(shù)據(jù)集X={x1,x2,…,xn}?Rr,每個(gè)數(shù)據(jù)樣本xi由m個(gè)特征定義,m選擇根據(jù)諸克軍等提出的遺傳-迭代自組織分析技術(shù)(GA-ISODATA)來進(jìn)行優(yōu)選[19]。

    對(duì)數(shù)據(jù)集X進(jìn)行模糊分區(qū),主要算法如下:

    (1)

    (2)

    vi由m個(gè)特征來表述,對(duì)于點(diǎn)云中每個(gè)類的中心坐標(biāo)按照下面公式計(jì)算:

    (3)

    j是特征空間中的一個(gè)變量,即j=1,2,…,m。通過經(jīng)典模糊聚類方法,可以識(shí)別出三維離散點(diǎn)云中密度相對(duì)集中的區(qū)域(圖2),將離散的點(diǎn)組織為若干個(gè)組別。在樹木識(shí)別中,通過距離的選擇,可以初步判斷骨架點(diǎn)云與葉子點(diǎn)云的分布。葉子點(diǎn)云中每個(gè)類的中心能夠反映枝條的末端。

    圖2 基于模糊c-均值點(diǎn)云聚類

    2.2 B樣條曲線擬合

    樹木主干及枝干結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜,單純采用直線段來模擬,不美觀也不符合自然規(guī)律,常采用帶有弧段變化的曲線來表現(xiàn)。同時(shí),選取的曲線需要滿足控制樹木形態(tài)及易于實(shí)現(xiàn)的特點(diǎn)。B樣條方法能夠表示與設(shè)計(jì)物體自由型的曲線與曲面(圖3),是逆向工程中廣泛應(yīng)用的數(shù)學(xué)描述方法[20],其曲線方程可寫為:

    (4)

    其中,pi(i=0,1,…,n)為控制頂點(diǎn),順序連接成的折線成為B樣條控制多邊形;Ni,k(u)(i=0,1,…,n)稱為k次規(guī)范B樣條基函數(shù)[21]。

    B樣條基是多項(xiàng)式樣條空間具有最小支承的一組基,可通過改變控制點(diǎn)個(gè)數(shù)設(shè)計(jì)一條曲線,不需要改變多項(xiàng)式的次數(shù)。鑒于上述B樣條的優(yōu)勢(shì),選用其作為主干及枝干重建曲線。

    2.3 法矢變化

    點(diǎn)云根據(jù)B樣條擬合得到的任一點(diǎn)p(u,w)處,構(gòu)造一個(gè)垂直與樣條曲面的矢量,該矢量稱為法矢。單位法矢可以根據(jù)該點(diǎn)處切矢pu和pw的矢量積得到。

    單位法矢在幾何造型中是不可缺少的,在本研究中主要用其方向衡量B樣條曲線的彎曲程度,點(diǎn)云法矢方向變化率(Δn)大,曲線波動(dòng)大。主干及枝干在分支或者節(jié)點(diǎn)處,Δn較大;根據(jù)給定的初始閾值,可識(shí)別出法矢方向變化率較大的位置(圖4)。此外,規(guī)定法線方向在樣條曲線走向的順時(shí)針方向上。

    圖3 離散點(diǎn)B樣條曲線擬合

    圖4 法矢變化及節(jié)點(diǎn)識(shí)別

    3 試驗(yàn)及其結(jié)果分析

    3.1 試驗(yàn)1:地面稀疏點(diǎn)云樹木骨架提取

    3.1.1 數(shù)據(jù)獲取及處理

    試驗(yàn)采用FARO公司的Focus 3D高精度三維激光掃描儀,該儀器以每秒最大976000點(diǎn)的速率可掃描最長為153.49m,具有三維虛擬重現(xiàn)、速度控制、高精確度及視野范圍大等特點(diǎn)[22]。首先,設(shè)計(jì)各掃描站及標(biāo)靶的位置,滿足每測(cè)站之間至少有3個(gè)標(biāo)靶重合,使點(diǎn)云數(shù)據(jù)能夠統(tǒng)一到相同的儀器坐標(biāo)系下;然后,對(duì)各標(biāo)靶進(jìn)行精確掃描,統(tǒng)一每個(gè)標(biāo)靶的標(biāo)識(shí),滿足相同的標(biāo)靶在不同測(cè)站中的標(biāo)識(shí)必須相同。通過這幾個(gè)原則,對(duì)實(shí)地樹木進(jìn)行采集,得到點(diǎn)云圖(圖5)。數(shù)據(jù)中包括大量冗余,采用系統(tǒng)抽稀的方法,間隔50個(gè)點(diǎn)作為抽樣間隔,其原理是在50個(gè)樣本點(diǎn)中隨機(jī)選擇一個(gè)樣本數(shù)據(jù)點(diǎn),圖6為壓縮后的點(diǎn)云數(shù)據(jù)。通過這種方法來隨機(jī)模擬稀疏點(diǎn)云的環(huán)境。

    圖5 地面LiDAR樹木點(diǎn)云圖

    圖6 抽稀后的樹木點(diǎn)云圖

    圖7 聚類后的樹木點(diǎn)云圖

    3.1.2 骨架提取

    利用模糊c-均值聚類方法對(duì)抽稀后的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行分割,根據(jù)式(3),當(dāng)距離取為2cm,GA-ISODATA算法葉子點(diǎn)云被分為50類時(shí),得到較為理想的分割密度(圖7,不同的顏色表示不同的聚類團(tuán))。其中,骨架點(diǎn)云與葉子點(diǎn)云通過不同的顏色初步得以區(qū)分;另外,不同葉子點(diǎn)云表現(xiàn)出一定的團(tuán)聚特點(diǎn)。不同的聚類團(tuán)由相應(yīng)的枝條相串聯(lián),根據(jù)樹木生理特點(diǎn),其枝條的末端應(yīng)分布在葉子點(diǎn)云聚類團(tuán)的質(zhì)心處(圖8,質(zhì)心用紅色點(diǎn)表示),提取每個(gè)聚類團(tuán)的質(zhì)心點(diǎn)為枝條節(jié)點(diǎn),最外圍的質(zhì)心數(shù)據(jù)作為枝條末端。

    圖8 聚類團(tuán)質(zhì)心

    將提取出的部分骨架點(diǎn)云,利用1.2節(jié)及1.3節(jié)的辦法,進(jìn)行法矢方向變化率判斷及B樣條曲線擬合。由于地面LiDAR主要以近水平方式掃描樹木,樹木枝干點(diǎn)云存在大量的冗余,骨架起始節(jié)點(diǎn)選擇樹木點(diǎn)云最下端形成的流形曲面中心(圖9中A點(diǎn))。調(diào)整曲線法向量變化的閾值,在搜索中遵循點(diǎn)與點(diǎn)之間的最短距離,選擇進(jìn)行B樣條曲線擬合的點(diǎn),完成該部分點(diǎn)云樹木骨架的提取(圖9),在節(jié)點(diǎn)處(圖9中B、C、D、E、F、G、H、I點(diǎn)),法矢方向變化率較大。按照同樣的方法,將部分點(diǎn)云樹木骨架的末端與聚類團(tuán)的質(zhì)心進(jìn)行法矢方向變化率判斷及B樣條曲線擬合,形成完整的樹木骨架(圖10)。該方法能夠解決點(diǎn)云數(shù)據(jù)冗余及遮擋的問題,提取出的骨架能夠真實(shí)地反映樹木的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

    圖9 部分點(diǎn)云樹木骨架提取

    圖10 完整的樹木骨架

    3.2 試驗(yàn)2:機(jī)載點(diǎn)云樹木骨架提取

    3.2.1 數(shù)據(jù)獲取及處理

    機(jī)載LiDAR數(shù)據(jù)采用LiteMapper 5600系統(tǒng)獲取,其中激光掃描儀為Riegl LMS-Q560,波長為1550nm,激光脈沖的長度為3.5ns,激光脈沖發(fā)散角小于等于0.5mrad。獲取的離散點(diǎn)云數(shù)據(jù)采用WGS84坐標(biāo)系,UTM投影北半球6度帶第50分帶。其中,點(diǎn)云之間的平均點(diǎn)間隔為0.15m,平均點(diǎn)密度為6.5個(gè)/m2。機(jī)載點(diǎn)云數(shù)據(jù)反映了物體垂直范圍的情況,在樹木信息提取中,主要可以獲取單木樹高、冠幅、林區(qū)的平均數(shù)高、體積、密度等。

    通過點(diǎn)云數(shù)據(jù)的濾波處理,分離出地面點(diǎn)與非地面點(diǎn);根據(jù)植被與人工地物的反射特性及空間幾何關(guān)系,利用數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)方法將植被及人工地物區(qū)分開;同時(shí)利用分水嶺算法,分割了樹木冠層高度模型,提取出表述單株樹的點(diǎn)云數(shù)據(jù)。

    3.2.2 骨架提取

    機(jī)載LiDAR通過較遠(yuǎn)的距離及垂直掃描方式獲取樹木信息,其點(diǎn)云數(shù)據(jù)普遍稀少,且由于葉子的遮擋,缺少對(duì)枝干特征的點(diǎn)云數(shù)據(jù)描述。試驗(yàn)中利用相關(guān)文獻(xiàn)[23-24]里提到的樹木位置、樹干的提取方法:通過低通濾波處理的樹木冠層高度模型中觀察局部最大點(diǎn),從而得到樹木的位置;每棵樹的樹冠由平行的水平多邊形包圍,樹干由地面到樹頂?shù)拇怪笔噶勘硎?圖11)。利用模糊c-均值對(duì)提取的樹木點(diǎn)云進(jìn)行聚類,當(dāng)距離取50cm葉子點(diǎn)云被分為30類得到較為理想的分割結(jié)果(圖12)。

    圖11 樹木位置、樹干識(shí)別

    圖12 聚類后的樹木點(diǎn)云分布圖

    選擇離樹干最近的4個(gè)點(diǎn)A、B、C、D作為B樣條曲線模擬的起始點(diǎn),參照1.3節(jié)的方法追蹤法矢方向變化率,在搜索中遵循點(diǎn)與點(diǎn)之間的最短距離,與聚類團(tuán)的質(zhì)心擬合得到樹木一級(jí)枝條;然后從一級(jí)枝條的下一個(gè)節(jié)點(diǎn)再進(jìn)行法矢方向變化率及最短距離搜索,與聚類團(tuán)的質(zhì)心擬合次一級(jí)枝條,最終遍歷整個(gè)點(diǎn)云數(shù)據(jù),得到了機(jī)載條件下的樹木骨架(圖13)。

    圖13 機(jī)載條件下提取的樹木骨架

    3.3 定性分析

    通過地面及機(jī)載方式獲取的樹木信息方式不同,前者以近水平的方式掃描樹木,激光波長較小,樹木的骨架信息比較完整,但存在數(shù)據(jù)冗余及部分點(diǎn)云信息遮擋的問題;后者以近垂直的方式掃描樹木,激光波長較大,主要可以反映樹木的高度、冠幅信息,骨架信息嚴(yán)重缺失,影響到后期的樹木建模。

    樹木骨架提取目前較為成熟的方法是參數(shù)化L-系統(tǒng)[25],傳統(tǒng)的參數(shù)化L-系統(tǒng)是根據(jù)樹木的類型選定合理的公理和產(chǎn)生式,設(shè)計(jì)不同的初始狀態(tài)與樹木描述規(guī)則,通過不斷地迭代產(chǎn)生一系列字符串,然后逐一讀取字符,按照?qǐng)?zhí)行規(guī)則的不同逐一對(duì)讀取的字符串進(jìn)行解釋。針對(duì)機(jī)載LiDAR樹木建模,Pyysalo[13]等在2002年提出了一種構(gòu)建樹木矢量模型的方法,依次按照樹冠之間的1m間隔將整個(gè)點(diǎn)云分成若干層,在每個(gè)高度層內(nèi)的點(diǎn)按遞增的方位角排列,從而得到樹木的水平多邊形,該方法已經(jīng)投入到了大范圍林木林地模型的生產(chǎn)中。將本文提出的方法與這兩種方法進(jìn)行比較,結(jié)果如表1所示。本文的方法在算法上簡單、易于實(shí)現(xiàn);支持地面及機(jī)載LiDAR數(shù)據(jù)的樹木骨架提取,骨架具有一定的彎曲度,接近真實(shí)樹木的情況;適用于壓縮后的數(shù)據(jù),可以為單木樹及大范圍樹木建模提供一定的理論基礎(chǔ)。

    表1 不同樹木骨架提取方法比較

    4 結(jié)束語

    骨架提取在圖形可視化及建模的應(yīng)用中是一個(gè)比較基本的問題,它能夠反映物體的結(jié)構(gòu)特征及拓?fù)湫畔?。稀疏點(diǎn)云數(shù)據(jù)的精度較低,存在樹木數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)缺失的情況,選擇一種方法最大限度地提取出樹木骨架信息至關(guān)重要。

    本文首先基于模糊c-均值聚類的方法,對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行分割,根據(jù)樹木的枝葉分布特性,選取聚類團(tuán)的質(zhì)心擬合枝干形狀的自由型結(jié)構(gòu),并通過曲線的法矢變化率判斷樹木的節(jié)點(diǎn),最終實(shí)現(xiàn)了樹木骨架的提取,并分別通過地面及機(jī)載LiDAR數(shù)據(jù)的試驗(yàn),驗(yàn)證了該方法適用于稀疏點(diǎn)云條件。

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