本发明公开了一种基于二维激光扫描仪的林木信息测量系统及数据处理方法，包括处理系统、地面测量系统和无人机测量系统；包括：获取地面测量系统和无人机测量系统的GPS数据、IMU数据、激光扫描数据以及时间信息，获取GPS参考基站的GPS数据；将GPS数据均转换为GPB格式，并对转换后的GPS数据进行处理得到差分全球定位系统数据；将差分全球定位系统数据、IMU数据和激光扫描数据整合到同一坐标系下；利用坐标旋转矩阵将激光扫描数据均匹配到UTM坐标中，建立三维点云坐标信息；进而得到完整的林区树木的三维点云信息。本发明能够适应高大林木及郁闭度大的林区树木的点云信息测量，能够极大的节省人力，测量精度高。
1.一种基于二维激光扫描仪的林木信息测量系统的数据处理方法，其特征在于：所述林木信息测量系统包括采集系统和处理系统，所述采集系统包括地面测量系统和无人机测量系统；
所述地面测量系统包括可移动车辆、车载二维激光扫描仪、车载GPS定位单元、车载IMU惯性测量单元、车载数据采集箱和车载电源，所述车载二维激光扫描仪、车载GPS定位单元、车载IMU惯性测量单元、车载数据采集箱和车载电源均安装在所述可移动车辆上，所述车载二维激光扫描仪、车载GPS定位单元和车载IMU惯性测量单元均与车载数据采集箱电连接，所述车载二维激光扫描仪、车载GPS定位单元、车载IMU惯性测量单元、车载数据采集箱均和车载电源电连接；
所述无人机测量系统包括无人机、机载二维激光扫描仪、机载GPS定位单元、机载IMU惯性测量单元、机载数据采集箱和机载电源，所述机载二维激光扫描仪、机载GPS定位单元、机载IMU惯性测量单元、机载数据采集箱和机载电源均安装在所述无人机上，所述机载二维激光扫描仪、机载GPS定位单元和机载IMU惯性测量单元均与机载数据采集箱电连接，所述机载二维激光扫描仪、机载GPS定位单元、机载IMU惯性测量单元、机载数据采集箱均和机载电源电连接；
所述地面测量系统和无人机测量系统分别采集数据至处理系统，处理系统对数据进行处理从而得到林区树木的三维点云坐标信息；
(1)处理系统获取地面测量系统的GPS数据、IMU数据、激光扫描数据以及分别与该GPS数据、IMU数据和激光扫描数据对应的时间信息，获取无人机测量系统的GPS数据、IMU数据、激光扫描数据以及分别与该GPS数据、IMU数据和激光扫描数据对应的时间信息，获取GPS参考基站的GPS数据以及与该GPS数据对应的时间信息；
(2)将地面测量系统的GPS数据、无人机测量系统的GPS数据和GPS参考基站的GPS数据均转换为GPB格式，并对转换后的GPS数据进行处理得到地面测量系统的差分全球定位系统数据和无人机测量系统的差分全球定位系统数据；
(3)利用时间节点将地面测量系统的IMU数据和差分全球定位系统数据进行整合，利用时间节点将无人机测量系统的IMU数据和差分全球定位系统数据进行整合；
(4)将地面测量系统和无人机测量系统的差分全球定位系统数据、IMU数据和激光扫描数据整合到同一坐标系下；利用坐标旋转矩阵将地面测量系统和无人机测量系统的激光扫描数据均匹配到UTM坐标中，建立三维点云坐标信息；
(5)对得到的三维点云坐标信息进行整体配准，剔除噪声点以及冗余的点，用聚类算法对其进行点云的压缩得到完整的林区树木的三维点云信息；
(a)处理系统将地面测量系统和无人机测量系统的差分全球定位系统数据、IMU数据和激光扫描数据整合到同一坐标系下；
(b)根据地面测量系统的IMU数据以及公式(1)计算相应的坐标旋转矩阵，根据无人机测量系统的IMU数据以及公式(1)计算相应的坐标旋转矩阵；坐标旋转矩阵的计算方法为：其中Rx为绕X轴的旋转矩阵，θ为IMU惯性测量单元采集的X轴的旋转角度，Ry为绕Y轴的旋转矩阵，φ为IMU惯性测量单元采集的Y轴的旋转角度，Rz为绕Z轴的旋转矩阵，γ为IMU惯性测量单元采集的Z轴的旋转角度；
(c)在两个相邻的GPS点中插入有若干个差分点，计算插入的差分点到初始GPS点的向量
其中 为初始GPS点P1的GPS坐标， 为与点P1相邻的GPS点P2的GPS坐标，tP1是记录初始GPS点P1的GPS坐标数据时的时间节点信息；tP2是记录GPS点P2的GPS坐标数据时的时间节点信息；tL是记录激光扫描数据时的时间节点信息；
其中DL-c为二维激光扫描仪记录的冠层到二维激光扫描仪间的距离，α为激光的角度，为二维激光扫描仪的坐标与GPS坐标的偏移量；
(e)利用坐标旋转矩阵校正原始坐标向量得到向量 即利用地面测量系统的坐标旋转矩阵校正地面测量系统的原始坐标向量，利用无人机测量系统的坐标旋转矩阵校正无人机测量系统的原始坐标向量；
(f)按照公式(5)分别计算车载二维激光扫描仪和机载二维激光扫描仪探测的冠层点的三维坐标，公式(5)为：其中 为二维激光扫描仪探测的冠层点的三维坐标，所述的二维激光扫描仪为车载二维激光扫描仪或机载二维激光扫描仪。
2.根据权利要求1所述的基于二维激光扫描仪的林木信息测量系统的数据处理方法，其特征在于，其中步骤(1)具体包括：车载数据采集箱通过车载GPS定位单元、车载IMU惯性测量单元和车载二维激光扫描仪分别采集地面测量系统的GPS数据、IMU数据和激光扫描数据，并生成分别与该GPS数据、IMU数据和激光扫描数据对应的时间信息，车载数据采集箱传输数据至处理系统；机载数据采集箱通过机载GPS定位单元、机载IMU惯性测量单元和机载二维激光扫描仪分别采集无人机测量系统的GPS数据、IMU数据和激光扫描数据，并生成分别与该GPS数据、IMU数据和激光扫描数据对应的时间信息，机载数据采集箱传输数据至处理系统；GPS参考基站将GPS参考基的GPS数据以及对应的时间信息传输至处理系统。
基于二维激光扫描仪的林木信息测量系统及数据处理方法
技术领域
[0001] 本发明涉及林木信息测量领域，具体涉及一种基于二维激光扫描仪的林木信息测量系统及数据处理方法。
背景技术
[0002] 区别于农业作物低矮且种植规范的特点，林业作物通常非常高大，一些年限较长的林区生物机构及生长姿态十分复杂。一般的测量技术很难获得完整的林木点云信息，不便对其进行生产管理等作业。
发明内容
[0003] 本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足提供一种基于二维激光扫描仪的林木信息测量系统及数据处理方法，本基于二维激光扫描仪的林木信息测量系统及数据处理方法能够适应高大林木及郁闭度大的林区树木的点云信息测量，能够极大的节省人力，测量精度高。
[0004] 为实现上述技术目的，本发明采取的技术方案为：
[0005] 一种基于二维激光扫描仪的林木信息测量系统，包括采集系统和处理系统，所述采集系统包括地面测量系统和无人机测量系统；
[0006] 所述地面测量系统包括可移动车辆、车载二维激光扫描仪、车载GPS定位单元、车载IMU惯性测量单元、车载数据采集箱和车载电源，所述车载二维激光扫描仪、车载GPS定位单元、车载IMU惯性测量单元、车载数据采集箱和车载电源均安装在所述可移动车辆上，所述车载二维激光扫描仪、车载GPS定位单元和车载IMU惯性测量单元均与车载数据采集箱电连接，所述车载二维激光扫描仪、车载GPS定位单元、车载IMU惯性测量单元、车载数据采集箱均和车载电源电连接；
[0007] 所述无人机测量系统包括无人机、机载二维激光扫描仪、机载GPS定位单元、机载IMU惯性测量单元、机载数据采集箱和机载电源，所述机载二维激光扫描仪、机载GPS定位单元、机载IMU惯性测量单元、机载数据采集箱和机载电源均安装在所述无人机上，所述机载二维激光扫描仪、机载GPS定位单元和机载IMU惯性测量单元均与机载数据采集箱电连接，所述机载二维激光扫描仪、机载GPS定位单元、机载IMU惯性测量单元、机载数据采集箱均和机载电源电连接；
[0008] 所述地面测量系统和无人机测量系统分别采集数据至处理系统，处理系统对数据进行处理从而得到林区树木的三维点云坐标信息。
[0009] 为实现上述技术目的，本发明采取的另一个技术方案为：
[0010] 一种基于二维激光扫描仪的林木信息测量系统的数据处理方法，包括：
[0011] (1)处理系统获取地面测量系统的GPS数据、IMU数据、激光扫描数据以及分别与该GPS数据、IMU数据和激光扫描数据对应的时间信息，获取无人机测量系统的GPS数据、IMU数据、激光扫描数据以及分别与该GPS数据、IMU数据和激光扫描数据对应的时间信息，获取GPS参考基站的GPS数据以及与该GPS数据对应的时间信息；
[0012] (2)将地面测量系统的GPS数据、无人机测量系统的GPS数据和GPS参考基站的GPS数据均转换为GPB格式，并对转换后的GPS数据进行处理得到地面测量系统的差分全球定位系统数据和无人机测量系统的差分全球定位系统数据；
[0013] (3)利用时间节点将地面测量系统的IMU数据和差分全球定位系统数据进行整合，利用时间节点将无人机测量系统的IMU数据和差分全球定位系统数据进行整合；
[0014] (4)将地面测量系统和无人机测量系统的差分全球定位系统数据、IMU数据和激光扫描数据整合到同一坐标系下；利用坐标旋转矩阵将地面测量系统和无人机测量系统的激光扫描数据均匹配到UTM坐标中，建立三维点云坐标信息；
[0015] (5)对得到的三维点云坐标信息进行整体配准，剔除噪声点以及冗余的点，用聚类算法对其进行点云的压缩得到完整的林区树木的三维点云信息。
[0016] 作为本发明进一步改进的技术方案，所述的步骤(1)具体包括：
[0017] 车载数据采集箱通过车载GPS定位单元、车载IMU惯性测量单元和车载二维激光扫描仪分别采集地面测量系统的GPS数据、IMU数据和激光扫描数据，并生成分别与该GPS数据、IMU数据和激光扫描数据对应的时间信息，车载数据采集箱传输数据至处理系统；机载数据采集箱通过机载GPS定位单元、机载IMU惯性测量单元和机载二维激光扫描仪分别采集无人机测量系统的GPS数据、IMU数据和激光扫描数据，并生成分别与该GPS数据、IMU数据和激光扫描数据对应的时间信息，机载数据采集箱传输数据至处理系统；GPS参考基站将GPS参考基的GPS数据以及对应的时间信息传输至处理系统。
[0018] 作为本发明进一步改进的技术方案，所述的步骤(4)具体包括：
[0019] (a)处理系统将地面测量系统和无人机测量系统的差分全球定位系统数据、IMU数据和激光扫描数据整合到同一坐标系下；
[0020] (b)根据地面测量系统的IMU数据以及公式(1)计算相应的坐标旋转矩阵，根据无人机测量系统的IMU数据以及公式(1)计算相应的坐标旋转矩阵；坐标旋转矩阵的计算方法为：
[0021]
[0022] 其中Rx为绕X轴的旋转矩阵，θ为IMU惯性测量单元采集的X轴的旋转角度，Ry为绕Y轴的旋转矩阵，φ为IMU惯性测量单元采集的Y轴的旋转角度，Rz为绕Z轴的旋转矩阵，γ为IMU惯性测量单元采集的Z轴的旋转角度；
[0023] (c)在两个相邻的GPS点中插入有若干个差分点，计算插入的差分点到初始GPS点的向量
[0024]
[0025] 其中 为初始GPS点P1的GPS坐标， 为与点P1相邻的GPS点P2的GPS坐标，tP1是记录初始GPS点P1的GPS坐标数据时的时间节点信息；tP2是记录GPS点P2的GPS坐标数据时的时间节点信息；tL是记录激光扫描数据时的时间节点信息；
[0026] (d)计算地面测量系统的原始坐标向量为：
[0027]
[0028] 计算无人机测量系统的原始坐标向量为：
[0029]
[0030] 其中DL-c为二维激光扫描仪记录的冠层到二维激光扫描仪间的距离，α为激光的角度， 为二维激光扫描仪的坐标与GPS坐标的偏移量；
[0031] (e)利用坐标旋转矩阵校正原始坐标向量得到向量 即利用地面测量系统的坐标旋转矩阵校正地面测量系统的原始坐标向量，利用无人机测量系统的坐标旋转矩阵校正无人机测量系统的原始坐标向量；
[0032] (f)按照公式(5)分别计算车载二维激光扫描仪和机载二维激光扫描仪探测的冠层点的三维坐标，公式(5)为：
[0033]
[0034] 其中 为二维激光扫描仪探测的冠层点的三维坐标，所述的二维激光扫描仪为车载二维激光扫描仪或机载二维激光扫描仪。
[0035] 本发明的有益效果为：本发明通过地面的车载二维激光扫描仪得到的林木的点云数据结合车载GPS定位单元的位置信息生成空间点云数据，与空中的机载二维激光扫描仪的点云信息相匹配，从而得到林木的完整的点云信息，进而可以生成完整的林区树木三维点云信息地图，通过点云提取、点云分割，获得单棵树的直径、树高、冠层厚度等信息，获得的可靠信息可能便于开发决策支持系统，用于灌溉，施肥或树冠管理。能够适应高大林木及郁闭度大的林区树木的点云信息测量，能够极大的节省人力，测量精度高。
附图说明
[0036] 图1为本发明的总结构示意图。
[0037] 图2为本发明的地面测量系统的结构示意图。
[0038] 图3为本发明的无人机测量系统的结构示意图。
[0039] 图4为差分示意图。
[0040] 图5为IMU角度转换示意图。
[0041] 图6为地面测量系统点云坐标转换示意图。
[0042] 图7为无人机测量系统点云坐标转换示意图。
具体实施方式
[0043] 下面根据图1至图7对本发明的具体实施方式作出进一步说明：
[0044] 参见图1，一种基于二维激光扫描仪的林木信息测量系统，包括采集系统和处理系统，所述采集系统包括地面测量系统1、无人机测量系统2和GPS参考基站3。
[0045] 参见图2，所述地面测量系统1包括可移动车辆4、车载二维激光扫描仪5、车载GPS定位单元6、车载IMU惯性测量单元7、车载数据采集箱8和车载电源，所述车载二维激光扫描仪5、车载GPS定位单元6、车载IMU惯性测量单元7、车载数据采集箱8和车载电源9均安装在所述可移动车辆4上，所述车载二维激光扫描仪5、车载GPS定位单元6和车载IMU惯性测量单元7均与车载数据采集箱8电连接，所述车载二维激光扫描仪5、车载GPS定位单元6、车载IMU惯性测量单元7、车载数据采集箱8均和车载电源9电连接。其中车载GPS定位单元6用于采集地面测量系统1的GPS数据，车载IMU惯性测量单元7用于采集地面测量系统1的IMU数据，车载二维激光扫描仪5采集冠层的激光扫描数据。
[0046] 参见图3，所述无人机测量系统2包括无人机10、机载二维激光扫描仪13、机载GPS定位单元11、机载IMU惯性测量单元12、机载数据采集箱14和机载电源，所述机载二维激光扫描仪13、机载GPS定位单元11、机载IMU惯性测量单元12、机载数据采集箱14和机载电源均安装在所述无人机10上，所述机载二维激光扫描仪13、机载GPS定位单元11和机载IMU惯性测量单元12均与机载数据采集箱14电连接，所述机载二维激光扫描仪13、机载GPS定位单元11、机载IMU惯性测量单元12、机载数据采集箱14均和机载电源电连接。其中机载GPS定位单元11用于采集无人机测量系统2的GPS数据，机载IMU惯性测量单元12用于采集无人机测量系统2的IMU数据，机载二维激光扫描仪13采集冠层的激光扫描数据。
[0047] 所述GPS参考基站3用于执行相对定位，提高定位精度。
[0048] 所述地面测量系统1和无人机测量系统2分别采集数据至处理系统，处理系统对数据进行处理从而得到林区树木的三维点云坐标信息。
[0049] 本实施例还提供一种用于上述的基于二维激光扫描仪的林木信息测量系统的数据处理方法，包括：
[0050] (1)处理系统获取地面测量系统1的GPS数据、IMU数据、激光扫描数据以及分别与该GPS数据、IMU数据和激光扫描数据对应的时间信息，获取无人机测量系统2的GPS数据、IMU数据、激光扫描数据以及分别与该GPS数据、IMU数据和激光扫描数据对应的时间信息，获取GPS参考基站3的GPS数据以及与该GPS数据对应的时间信息；
[0051] (2)将地面测量系统1的GPS数据、无人机测量系统2的GPS数据和GPS参考基站3的GPS数据均转换为GPB格式，并对转换后的GPS数据进行处理得到地面测量系统1的差分全球定位系统数据和无人机测量系统2的差分全球定位系统数据；
[0052] (3)利用时间节点将地面测量系统1的IMU数据和差分全球定位系统数据进行整合，利用时间节点将无人机测量系统2的IMU数据和差分全球定位系统数据进行整合；
[0053] (4)将地面测量系统1和无人机测量系统2的差分全球定位系统数据、IMU数据和激光扫描数据整合到同一坐标系下；利用坐标旋转矩阵将地面测量系统1和无人机测量系统2的激光扫描数据均匹配到UTM坐标中，建立三维点云坐标信息；
[0054] (5)对得到的三维点云坐标信息进行整体配准，剔除噪声点以及冗余的点，用聚类算法对其进行点云的压缩得到完整的林区树木的三维点云信息。
[0055] (6)利用林木的三维信息提取树木的高度、胸径及冠层信息。
[0056] 进一步地，所述的步骤(1)具体包括：
[0057] 车载数据采集箱8通过车载GPS定位单元6、车载IMU惯性测量单元7和车载二维激光扫描仪5分别采集地面测量系统1的GPS数据、IMU数据和激光扫描数据，并生成分别与该GPS数据、IMU数据和激光扫描数据对应的时间信息，车载数据采集箱8传输数据至处理系统；机载数据采集箱14通过机载GPS定位单元11、机载IMU惯性测量单元12和机载二维激光扫描仪13分别采集无人机测量系统2的GPS数据、IMU数据和激光扫描数据，并生成分别与该GPS数据、IMU数据和激光扫描数据对应的时间信息，机载数据采集箱14传输数据至处理系统；GPS参考基站3将GPS参考基的GPS数据以及对应的时间信息传输至处理系统。
[0058] 进一步地，所述的步骤(4)具体包括：
[0059] (a)处理系统将地面测量系统1和无人机测量系统2的差分全球定位系统数据、IMU数据和激光扫描数据整合到同一坐标系下；
[0060] (b)获取IMU惯性测量单元采集的角度信息，用一个3X3的坐标旋转矩阵补偿扫描期间系统运动，将系统坐标(地面测量系统1和无人机测量系统2)旋转到UTM坐标(全局系统)中。具体地，根据地面测量系统1的车载IMU惯性测量单元7的IMU数据以及公式(1)计算相应的坐标旋转矩阵，根据无人机测量系统2的机载IMU惯性测量单元12的IMU数据以及公式(1)计算相应的坐标旋转矩阵；坐标旋转矩阵的计算方法为：
[0061]
[0062] 参见图5，其中Rx为绕X轴的旋转矩阵，Ry为绕Y轴的旋转矩阵,Rz为绕Z轴的旋转矩阵,θ为IMU惯性测量单元(即车载IMU惯性测量单元7或机载IMU惯性测量单元12)采集的X轴的旋转角度，γ为IMU惯性测量单元采集的Z轴的旋转角度，φ为IMU惯性测量单元采集的Y轴的旋转角度；
[0063] (c)针对地面测量系统1，在地面测量系统1的差分全球定位系统数据的两个GPS点间插入车载二维激光扫描仪5进行测量时的绝对坐标值，利用IMU信息，即地面测量系统1对应的坐标旋转矩阵校正车载二维激光扫描仪5激光扫描的数据；同理，针对无人机测量系统2，在无人机测量系统2的差分全球定位系统数据的两个GPS点间插入机载二维激光扫描仪
13进行测量时的绝对坐标值，利用IMU信息，即无人机测量系统2对应的坐标旋转矩阵校正机载二维激光扫描仪13激光扫描的数据。
[0064] 具体地，参见图4，在两个相邻的GPS点(点P1和P2)中插入有若干个差分点，计算插入的差分点到初始GPS点的向量
[0065]
[0066] 其中 为初始GPS点P1的GPS坐标， 为与点P1相邻的GPS点P2的GPS坐标，tP1是记录初始GPS点P1的GPS坐标数据时的时间节点信息；tP2是记录GPS点P2的GPS坐标数据时的时间节点信息；tL是记录激光扫描数据时的时间节点信息；
[0067] 参见图6，地面测量系统1对应的向量 通过公式(2)计算得到，此时公式(2)中的初始GPS点P1的GPS坐标和GPS点P2的GPS坐标为地面测量系统1采集的数据，tL为记录车载二维激光扫描仪5扫描数据时的时间节点信息。参见图7，无人机测量系统2对应的向量通过公式(2)计算得到，此时公式(2)中的初始GPS点P1和GPS点P2为无人机测量系统2采集的数据，tL为记录机载二维激光扫描仪13扫描数据时的时间节点信息。
[0068] 计算地面测量系统1的原始坐标向量为：
[0069]
[0070] 公式(3)中的DL-c为车载二维激光扫描仪5记录的冠层到车载二维激光扫描仪5间的距离，公式(3)中的α为车载二维激光扫描仪5的激光的角度，公式(3)中的 为车载二维激光扫描仪5的坐标与GPS坐标的偏移量；
[0071] 计算无人机测量系统2的原始坐标向量为：
[0072]
[0073] 公式(4)中的DL-c为机载二维激光扫描仪13记录的冠层到机载二维激光扫描仪13间的距离，公式(4)中的α为机载二维激光扫描仪13的激光的角度，公式(4)中的 为机载二维激光扫描仪13的坐标与GPS坐标的偏移量；
[0074] (e)利用坐标旋转矩阵校正原始坐标向量得到向量 即利用地面测量系统1对应的坐标旋转矩阵校正地面测量系统1的原始坐标向量，利用无人机测量系统2的对应坐标旋转矩阵校正无人机测量系统2的原始坐标向量：
[0075]
[0076]
[0077] 其中公式(5)中的R为地面测量系统1对应的坐标旋转矩阵，公式(5)中的 为地面测量系统1对应的向量 公式(6)中的R为无人机测量系统2对应的坐标旋转矩阵，公式(5)中的 为无人机测量系统2对应的向量
[0078] (f)按照公式(7)计算车载二维激光扫描仪5探测的冠层点的三维坐标，此时公式(7)中的 为地面测量系统1对应的向量 公式(7)中的 为地面测量系统1对应的向量公式(7)中的 为地面测量系统1对应的初始GPS点P1的GPS坐标。
[0079] 按照公式(7)计算机载二维激光扫描仪13探测的冠层点的三维坐标，此时公式(7)中的 为无人机测量系统2对应的向量 公式(7)中的 为无人机测量系统2对应的向量公式(7)中的 为无人机测量系统2对应的初始GPS点P1的GPS坐标。
[0080] 公式(7)为：
[0081]
[0082] 其中 为二维激光扫描仪探测的冠层点的三维坐标，所述的二维激光扫描仪为车载二维激光扫描仪5或机载二维激光扫描仪13。
[0083] 本实施例能够适应高大林木及郁闭度大的林区树木的点云信息测量，能够极大的节省人力，测量精度高。
[0084] 本发明的保护范围包括但不限于以上实施方式，本发明的保护范围以权利要求书为准，任何对本技术做出的本领域的技术人员容易想到的替换、变形、改进均落入本发明的保护范围。
