一种基于地面特征与树木位置关系的无人机和地基LiDAR点云配准方法

作     者：丁志文 邢艳秋 杨书航 尹伯卿 郭振 DING Zhiwen;XING Yanqiu;YANG Shuhang;YIN Boqing;GUO Zhen

作者机构：东北林业大学森林作业与环境研究中心黑龙江哈尔滨150040 

出 版 物：《中南林业科技大学学报》 (Journal of Central South University of Forestry & Technology)

年 卷 期：2024年第44卷第1期

页      面：14-27页

核心收录：

学科分类：09[农学] 0903[农学-农业资源与环境] 

基　　金：国家重点研发计划项目(2021YFE0117700-6) 

主　　题：FPFH 树木位置关系 不规则三角网 无人机点云 地基点云 

摘      要：【目的】无人机激光雷达与地基激光雷达的工作方式不同,导致无人机点云缺乏林内信息,地基点云缺乏林冠信息,单一平台的LiDAR点云难以完整描述森林三维垂直结构,将这两者点云融合有利于消除各自的扫描盲区,估测更为准确的森林结构参数。基于此,提出了一种基于地面特征与树木位置关系的无标识自动化配准方法。【方法】选取哈尔滨城市林业示范基地内的蒙古栎和樟子松作为研究对象,采用大疆禅思L1激光雷达设备与FARO Focus3D X330三维激光扫描仪分别获取样地内的无人机和地基LiDAR点云。首先,利用改进的渐进式加密三角网滤波算法分别从无人机点云和地基点云中提取地面点云,基于两者相似的快速点特征直方图(FPFH)特征,使用随机采样一致性算法得到初始配准参数,完成初始配准。然后,从初始配准后的无人机点云和地基点云中提取相同高度处的树干点云的水平投影位置作为配准基元,分别构建不规则三角网,并基于三角形的角度相似性原理寻找同名三角形对。最后,使用奇异值分解法得到旋转平移参数,从而完成精细配准。【结果】蒙古栎样地内对应树木水平偏移距离的平均值为0.173 m,樟子松样地内对应树木水平偏移距离的平均值为0.283 m,2个样地的树木点云均取得了较高的配准精度。【结论】提出的点云配准方法有效实现了林区无人机点云数据和地基点云数据的配准,二者的融合可为快速完整地获取林木构型信息提供数据基础,从而推动多源激光雷达技术联合应用于林木三维重建和森林资源精细调查等方面。