一种基于无人机点云的沙棘冠层测量系统及方法

本发明涉及无人机测量，具体为一种基于无人机点云的沙棘冠层测量系统及方法。

背景技术：

1、随着低空遥感平台、激光雷达、倾斜摄影测量和三维重建技术的发展，无人机点云已经逐步由地形测绘扩展到果园、葡萄园和林分单木结构参数提取等农业与林业场景，用于获取冠层高度、冠幅、覆盖度、体积及空间位置等信息，并服务于精细化喷施、长势评估和单株管理。

2、现有无人机点云沙棘冠层测量技术，在山地等高带状密植场景中，容易把自然偏伏、自然透空和自然压缩误判为缺失区域，也容易把背风遮蔽、坡折盲区和行间交叠造成的观测失效误判为真实冠层收缩；在此基础上，异常区域形成原因难以继续分清，导致后续补测往往缺少对应失效来源的补测方向和补测方式，补测结束后又缺少对边界闭合状态和高度稳定状态的有效控制，最终容易出现重复补测、边界提取不稳定和冠层高度可信度不足的问题。

技术实现思路

1、针对现有技术的不足，本发明提供了一种基于无人机点云的沙棘冠层测量系统及方法，解决了背景技术中提到的问题。

2、为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现：包括以下步骤：

3、s1、读取目标沙棘样株所在测区的种植带带向、坡面坡向、侧风主导方向、相邻种植带间距和相邻种植带高差，形成场景识别结果scn；控制无人机执行首轮点云采集，结合场景识别结果scn对首轮观测点云执行单株分离，获得初始观测点云pcd，并形成冠层主体参考区域ref和异常观测区域结果aor；

4、s2、读取异常观测区域结果aor和场景识别结果scn，对各异常观测区域执行自然形态真实性判定和测量影响筛选，形成真实性判定结果aut和影响筛选结果imp；

5、s3、读取影响筛选结果imp和场景识别结果scn，对待重构影响区域执行观测失效归因，形成观测失效源结果sor；

6、s4、读取观测失效源结果sor，生成反向观测重构结果rcr，并按照反向观测重构结果rcr执行补测点云采集、区域回接和边界收敛，形成补测收益结果ben；

7、s5、读取补测收益结果ben，在继续补测条件满足时继续补测，在继续补测条件不满足时停止补测，将满足测量写入条件的区域写入可测冠层结果cnr并输出冠层测量结果msr，将未满足测量写入条件的区域写入待补测区域结果pnd。

8、优选的，在s1中，场景识别结果scn至少包括种植带带向结果dir、坡面坡向结果slp、侧风主导方向结果wnd、相邻种植带间距结果spa和相邻种植带高差结果dif；

9、先依据种植带带向结果dir和相邻种植带间距结果spa对首轮观测点云执行分带切分，再依据坡面坡向结果slp和相邻种植带高差结果dif对分带切分后的点云执行坡位分层，随后依据侧风主导方向结果wnd对同一坡位分层中的侧风偏伏延伸方向执行校正，并将校正后的目标沙棘样株点云确定为初始观测点云pcd。

10、优选的，在s1中，先从初始观测点云pcd中提取空间连通，且沿冠层高度方向保持连续分布的主体点云区，并将主体点云区确定为冠层主体参考区域ref；

11、再围绕冠层主体参考区域ref检查外缘连接状态、内部封闭空白状态、侧向延伸状态、顶部高度衔接状态和行间邻接压接状态；

12、将出现外缘断开并继续向外延伸的位置确定为外缘断裂区，将处于冠层主体参考区域ref内部，且被连续点云围绕的位置确定为内部空白区，将沿单一侧向方向外伸且与周围点云不能连续过渡的位置确定为侧向外伸区，将顶部出现突阶式高度变化的位置确定为顶部突跳区，将位于相邻种植带之间并受相邻冠层压接的位置，确定为行间压接区；

13、并将外缘断裂区、内部空白区、侧向外伸区、顶部突跳区和行间压接区写入异常观测区域结果aor。

14、优选的，在s2中，逐一读取异常观测区域结果aor中的各异常观测区域；

15、当异常观测区域位于侧风主导方向结果wnd对应的背风延展侧，且异常观测区域与冠层主体参考区域ref之间保持连续外伸连接时，将异常观测区域确定为自然偏伏区域；

16、当异常观测区域位于冠层主体参考区域ref内部，且异常观测区域沿种植带带向结果dir对应方向形成贯通式稀疏间隔时，将异常观测区域确定为自然透空区域；

17、当异常观测区域位于冠层顶部，且异常观测区域沿侧风主导方向结果wnd对应的受风压缩方向形成连续压缩带，并在坡面坡向结果slp对应的坡面过渡方向上保持连续分布时，将异常观测区域确定为自然压缩区域；

18、将自然偏伏区域、自然透空区域和自然压缩区域汇总为自然形态区域，并将未被确定为自然形态区域的异常观测区域写入疑似观测失效区域；再将疑似观测失效区域写入真实性判定结果aut。

19、优选的，在s2中，读取真实性判定结果aut中的疑似观测失效区域，围绕冠层主体参考区域ref外缘的邻接过渡范围构建冠层边界候选带，围绕冠层主体参考区域ref顶部的高度邻接范围构建顶部高度候选带；

20、当疑似观测失效区域与冠层边界候选带发生位置重叠时，将疑似观测失效区域确定为边界影响区域；

21、当疑似观测失效区域与顶部高度候选带发生位置重叠时，将疑似观测失效区域确定为高度影响区域；

22、当疑似观测失效区域属于边界影响区域和高度影响区域时，将疑似观测失效区域确定为待重构影响区域并写入影响筛选结果imp；

23、当疑似观测失效区域既不属于边界影响区域，也不属于高度影响区域时，将疑似观测失效区域保持为非测量影响区域。

24、优选的，在s3中，逐一读取影响筛选结果imp中的各待重构影响区域，并按照背风侧遮蔽失效类别、行间交叠遮挡失效类别、坡折遮蔽失效类别和侧风摆动时序失配类别的顺序执行观测失效归因；

25、当待重构影响区域被确定为前序类别时，不再执行后续类别判定；

26、当待重构影响区域位于侧风主导方向结果wnd对应的背风侧，且迎风侧保持连续覆盖、背风侧形成连续缺失时，将待重构影响区域确定为背风侧遮蔽失效类别；

27、当待重构影响区域位于相邻种植带之间，且外侧存在沿种植带带向结果dir连续延伸的压接遮挡带时，将待重构影响区域确定为行间交叠遮挡失效类别；

28、当待重构影响区域位于坡面坡向结果slp对应的坡折低侧，且沿坡折低侧方向形成收缩缺失时，将待重构影响区域确定为坡折遮蔽失效类别；

29、读取首轮点云采集过程中按飞行顺序形成的相邻采集片段，当相邻采集片段在交叠范围内出现轮廓错位，且错位方向与侧风主导方向结果wnd对应方向一致时，将待重构影响区域确定为侧风摆动时序失配类别；

30、并将背风侧遮蔽失效类别、行间交叠遮挡失效类别、坡折遮蔽失效类别和侧风摆动时序失配类别写入观测失效源结果sor。

31、优选的，在s4中，逐一读取观测失效源结果sor中的各观测失效源类别；

32、当观测失效源类别为背风侧遮蔽失效类别时，将背风侧外向切入方向确定为补测方位，将沿冠层背风弧面展开并指向背风缺失观测面的贴边复采路径确定为补测航段，将面向背风缺失观测面的侧向俯采方式确定为补测姿态；

33、当观测失效源类别为行间交叠遮挡失效类别时，将相邻种植带之间的行间穿行方向确定为补测方位，将沿种植带带向结果dir延伸的斜向穿行复采路径确定为补测航段，将面向压接遮挡带内侧的斜向上视采集方式确定为补测姿态；

34、当观测失效源类别为行间交叠遮挡失效类别时，将相邻种植带之间的行间穿行方向确定为补测方位，将沿种植带带向结果dir延伸并穿过压接遮挡带内侧观测空区的斜向穿行复采路径确定为补测航段，将面向压接遮挡带内侧观测空区的斜向上视采集方式确定为补测姿态；

35、当观测失效源类别为侧风摆动时序失配类别时，将与首轮点云采集飞行航向一致的复采方向确定为补测方位，将覆盖轮廓错位区的短窗复采路径确定为补测航段，将与首轮点云采集保持一致的姿态配置确定为补测姿态；

36、并结合各待重构影响区域的位置边界确定区域回接范围和边界收敛范围，写入反向观测重构结果rcr。

37、优选的，在s4中，按照由冠层主体参考区域ref向外递进的顺序读取反向观测重构结果rcr，先对与冠层主体参考区域ref直接邻接的待重构影响区域执行补测点云采集、区域回接和边界收敛，再对与已完成补测写入区域直接邻接的下一层待重构影响区域执行补测点云采集、区域回接和边界收敛；

38、在完成当前轮补测后，读取冠层边界缺口长度变化状态和顶部连续点云段高度离散变化状态；

39、当冠层边界缺口长度继续缩短时，确定冠层边界闭合改善状态满足继续补测条件；

40、当顶部连续点云段高度离散程度继续减小时，确定顶部高度稳定改善状态满足继续补测条件；

41、当冠层边界闭合改善状态和顶部高度稳定改善状态均不满足继续补测条件时，确定当前区域为停止补测区域，并形成补测收益结果ben。

42、优选的，在s5中，读取补测收益结果ben，将边界闭合且顶部连续点云段保持连续的区域写入可测冠层结果cnr；

43、沿可测冠层结果cnr中各可测区域的外缘提取闭合边界，并将闭合边界确定为目标沙棘样株的冠层边界；

44、在闭合边界限定区域内读取顶部连续点云段，并将顶部连续点云段上缘对应的稳定高度确定为目标沙棘样株的冠层高度；

45、将冠层边界和冠层高度写入冠层测量结果msr，将未被写入冠层测量结果msr的区域写入待补测区域结果pnd，并在待补测区域结果pnd中记录对应位置范围、未满足的测量写入条件类型、对应观测失效源类别和对应停止补测原因。

46、一种基于无人机点云的沙棘冠层测量系统，包括点云场景识别模块、异常真实性筛选模块、观测失效归因模块、反向补测重构模块和测量判停输出模块；

47、所述点云场景识别模块通过读取目标沙棘样株所在测区的种植带带向、坡面坡向、侧风主导方向、相邻种植带间距和相邻种植带高差，形成场景识别结果scn；控制无人机执行首轮点云采集，结合场景识别结果scn对首轮观测点云执行单株分离，获得初始观测点云pcd，并形成冠层主体参考区域ref和异常观测区域结果aor；

48、所述异常真实性筛选模块通过读取异常观测区域结果aor和场景识别结果scn，对各异常观测区域执行自然形态真实性判定和测量影响筛选，形成真实性判定结果aut和影响筛选结果imp；

49、所述观测失效归因模块通过读取影响筛选结果imp和场景识别结果scn，对待重构影响区域执行观测失效归因，形成观测失效源结果sor；

50、所述反向补测重构模块通过读取观测失效源结果sor，生成反向观测重构结果rcr，并按照反向观测重构结果rcr执行补测点云采集、区域回接和边界收敛，形成补测收益结果ben；

51、所述测量判停输出模块通过读取补测收益结果ben，在继续补测条件满足时继续补测，在继续补测条件不满足时停止补测，将满足测量写入条件的区域写入可测冠层结果cnr并输出冠层测量结果msr，将未满足测量写入条件的区域写入待补测区域结果pnd。

52、本发明提供了一种基于无人机点云的沙棘冠层测量系统及方法。具备以下有益效果：

53、（1）该方法通过在首轮点云采集后引入场景识别结果scn，并结合异常观测区域结果aor执行自然形态真实性判定、测量影响筛选和观测失效归因，能够先把自然偏伏区域、自然透空区域和自然压缩区域从异常观测区域中区分出来，再把真正影响冠层边界和冠层高度测量的区域筛选出来。采用这种方式后，可以减少把真实冠层形态误判为观测失效的情况，也可以减少把非关键异常区域错误纳入后续补测流程的情况，从而提高待重构影响区域和观测失效源结果sor的判定准确性。

54、（2）该方法通过依据观测失效源结果sor生成反向观测重构结果rcr，并按不同观测失效源类别分别确定补测方位、补测航段和补测姿态，再结合补测收益结果ben执行继续补测条件和停止补测条件判断，能够使补测过程由统一复采转变为定向补测，由固定轮次补测转变为收益受控补测。采用这种方式后，可以提高首轮补测对缺失观测面的命中效率，减少无效补测和重复补测，并且能够把已经达到稳定状态的区域优先写入可测冠层结果cnr和冠层测量结果msr。

55、（3）该方法通过解决了复杂山地密植沙棘园中异常区域是否值得补、异常区域因何失效的判断问题，进一步解决了失效区域如何补、补到何时停止、哪些结果可以写入的执行控制问题；二者结合后，形成了从场景识别、真实性筛选、失效归因，到反向补测、收益判停和结果输出的机制，使冠层边界和冠层高度的测量结果不仅具有更高的准确性，而且具有更好的可信度，尤其适用于侧风扰动、行间压接、坡折遮蔽共同存在的沙棘冠层测量场景。