[發明專利]面向激光點云數據的闊葉樹真實葉片建模與形變方法

有效

• 申請號: 201410436293.8
• 申請日: 2014-09-25
• 公開（公告）號: CN105654543B
• 公開（公告）日: 2019-01-22
• 發明（設計）人: 薛聯鳳;云挺;嵇俊
• 申請（專利權）人: 南京林業大學
• 主分類號: G06T17/00
• 分類號: G06T17/00
• 代理公司: 北京匯捷知識產權代理事務所(普通合伙) 11531
• 代理人: 李宏偉

本發明公開了一種面向激光點云數據的闊葉樹真實葉片建模與形變方法，首先從掃描獲取的葉子點云中采用多項式擬合的方法獲取精確的樹葉邊界，并結合計算機圖形學的方法計算葉面的主葉脈；其次采用雙三次廣義張量積Bezier曲面對葉面點云數據進行擬合，進而去除由于風吹抖動造成的掃描誤差并消除噪聲點云；再次，根據固體力學受力模型，定義葉脈與葉肉不同的力學屬性，并構造非線性有限元的受力形變方程，計算施加不同載荷力后的葉子形態，進而模擬樹葉在自然環境中真實的形變。本發明利用計算機自動分析獲取林學指標，能準確描述不同林分條件下的活立木動態生長變化的葉面積指數，從實驗結果看，此方法是切實可行并且高效的，并為林學參數的精確求取打下基礎。

技術領域

本發明涉及一種面向激光點云數據的闊葉樹真實葉片建模與形變方法，尤其涉及一種基于LTS(Transport Layer Security，激光掃描)點云數據的闊葉樹葉面建模和形變方法。

背景技術

闊葉樹一般指雙子葉植物類的樹木，具有扁平、較寬闊葉片，葉脈成網狀，葉常綠或落葉，一般葉面寬闊，葉形隨樹種不同而有多種形狀的多年生木本植物。有的常綠、落葉類大多在秋冬季節葉從枝上脫落。闊葉樹的經濟價值很大，不少為重要用材樹種，而且其中有些為名貴木材、景觀植物、各種水果等，還有一些闊葉樹用作行道樹或庭園綠化樹種。本發明研究是闊葉樹的景觀植物含笑和櫻花樹作為葉面重建和形變的研究對象。

數據獲取借助地面激光掃描儀，地面激光掃描儀不會對被測物造成任何損傷，且能以點云的形式精確還原出目標體的三維數據，而且三維激光掃描儀在計測學中具有無可比擬的優勢，因此國外許多林業科研工作者就地面三維激光掃描技術在林業中的應用進行了深入研究和探討。但目前為止尚未發現利用離散點云葉片數據進行建模，這主要是因為樹木外形特征無規律且形態復雜，并且外界環境對樹木的狀態產生著持續的影響，獲取沒有外界環境影響的點云數據技術很難；因此考慮使用計算機自動對闊葉樹葉片進行建模和變形外，需要解決樹木受到外部環境如風吹抖動及遮擋的影響；樹木枝繁葉茂，葉子的形態及方位角度不固定；如何去除偏差并得到真實的形變的葉面數據是需要考慮的問題；上述外在因素都是使用計算機研究林木的阻力，因此如何從離散的激光點云中自動獲取精確林學指標是亟待解決的問題。

發明內容

發明目的：為了克服現有技術中存在的不足，本發明提供一種面向激光點云數據的闊葉樹真實葉片建模與形變方法，旨在借助激光掃描儀技術，搭建一個精確可行的三維活立木數據采集分析平臺，融合圖形圖像學的最新方法，通過計算機自動分析獲取精確林學指標，從而準確描述不同林分條件下的活立木動態生長變化的葉面積指數。

技術方案：為實現上述目的，本發明采用的技術方案為：

一種面向激光點云數據的闊葉樹真實葉片建模與形變方法，首先運用高精度的激光掃描儀獲取不同闊葉樹種的三維葉面點云；其次從掃描獲取的葉子點云中采用多項式擬合的方法獲取精確的樹葉邊界，并結合計算機圖形學的方法計算葉面的主葉脈；接著采用雙三次廣義張量積Bezier曲面對葉面點云數據進行擬合，進而去除由于風吹抖動造成的掃描誤差并消除噪聲點云；再次，根據固體力學受力模型，定義葉脈與葉肉不同的力學屬性，并構造非線性有限元的受力形變方程，計算施加不同載荷力后的葉子形態，進而模擬樹葉在自然環境中真實的形變。

上述方法的具體實施包括如下步驟：

(1)數據獲取