[發(fā)明專(zhuān)利]基于激光點(diǎn)云與空氣動(dòng)力學(xué)的活立木抗風(fēng)性能分析方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201811322277.0
• 申請(qǐng)日: 2018-11-08
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN109446691B
• 公開(kāi)（公告）日: 2022-12-20
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 云挺;黃笑;黃智先;曹林;薛聯(lián)鳳
• 申請(qǐng)（專(zhuān)利權(quán)）人: 南京林業(yè)大學(xué)
• 主分類(lèi)號(hào): G06F30/20
• 分類(lèi)號(hào): G06F30/20;G06T17/00;G06F119/14
• 代理公司: 北京科億知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所(普通合伙) 11350
• 代理人: 王清義

本發(fā)明公開(kāi)了一種基于激光點(diǎn)云與空氣動(dòng)力學(xué)的活立木抗風(fēng)性能分析方法，包括獲取林木點(diǎn)云數(shù)據(jù)并枝葉分離；采用拉普拉斯算法對(duì)枝干點(diǎn)云進(jìn)行收縮；將枝干點(diǎn)云數(shù)據(jù)自下而上切分為不同的層；求取每個(gè)高度分層的聚類(lèi)中心點(diǎn)，根據(jù)聚類(lèi)中心點(diǎn)擬合每一個(gè)高度分層的枝干；將活立木不同枝干骨架分類(lèi)為主枝干和次級(jí)枝干；完成對(duì)活立木葉子點(diǎn)云數(shù)據(jù)的歸屬；建立林分模型，將林分模型加載風(fēng)力，根據(jù)湍流模型和流固耦合模型分析林分內(nèi)部動(dòng)態(tài)壓力、風(fēng)速度以及湍流動(dòng)能強(qiáng)度分布，本發(fā)明計(jì)算復(fù)雜度適中，能更好地描述活立木的空間結(jié)構(gòu)特征與生長(zhǎng)參數(shù)變化，實(shí)現(xiàn)活立木在臺(tái)風(fēng)下抗風(fēng)性能的定性定量化評(píng)估，準(zhǔn)確度高，為樹(shù)木的栽培種植與防風(fēng)營(yíng)造提供準(zhǔn)確的理論依據(jù)。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及活立木抗風(fēng)性能分析技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于激光點(diǎn)云與空氣動(dòng)力學(xué)的活立木抗風(fēng)性能分析方法。

背景技術(shù)

中國(guó)是世界上受到臺(tái)風(fēng)影響最大的國(guó)家之一,強(qiáng)臺(tái)風(fēng)不但會(huì)造成人員的傷亡、摧毀建筑物和橋梁外,還會(huì)導(dǎo)致樹(shù)木的斷裂倒伏。在海南省,每次臺(tái)風(fēng)登陸都會(huì)導(dǎo)致橡膠樹(shù)林出現(xiàn)大量的根倒、彎曲和干折現(xiàn)象,可能造成數(shù)十億元的經(jīng)濟(jì)損失,因此開(kāi)展橡膠樹(shù)抗風(fēng)的研究具有重要的意義。

現(xiàn)今，對(duì)樹(shù)木抗風(fēng)性研究的主要方法分為：

1.從林分角度講，如：通過(guò)將林分看成的多孔介質(zhì)模型，結(jié)合大渦模擬方法，研究大氣穩(wěn)定度和樹(shù)冠阻力對(duì)風(fēng)力的綜合作用。該方法雖然在宏觀尺度下可快速模擬計(jì)算大范圍內(nèi)不同林分在臺(tái)風(fēng)下的空氣流場(chǎng)參數(shù)，但準(zhǔn)確度低，很難描述林分內(nèi)精細(xì)參數(shù)的變化以及風(fēng)力場(chǎng)氣動(dòng)耦合之間的變遷。

2.在微觀尺度下，進(jìn)行單株活立木的精細(xì)建模，例如一些學(xué)者采樣一定的樹(shù)葉和樹(shù)枝并結(jié)合空氣動(dòng)力學(xué)，研究其在風(fēng)力作用下的擺動(dòng)。該方法希望將樹(shù)木仿真重建與抗風(fēng)性研究相結(jié)合。然而，由于樹(shù)木自身枝干樹(shù)葉的數(shù)量繁雜及形態(tài)多樣，很難精細(xì)重建單棵樹(shù)中每片樹(shù)葉與其對(duì)應(yīng)的枝干。因此，加載風(fēng)力后，不能準(zhǔn)確分析各分支和各樹(shù)葉受風(fēng)力后形變的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，同時(shí)難以研究樹(shù)葉受不同攻角風(fēng)力對(duì)樹(shù)枝的作用力，導(dǎo)致此方法效率低，復(fù)雜度高，難以實(shí)現(xiàn)。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題是針對(duì)上述現(xiàn)有技術(shù)的不足提供一種基于激光點(diǎn)云與空氣動(dòng)力學(xué)的活立木抗風(fēng)性能分析方法，本基于激光點(diǎn)云與空氣動(dòng)力學(xué)的活立木抗風(fēng)性能分析方法計(jì)算復(fù)雜度適中，能更好地描述活立木的空間結(jié)構(gòu)特征與生長(zhǎng)參數(shù)變化，通過(guò)計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)，實(shí)現(xiàn)活立木在臺(tái)風(fēng)下抗風(fēng)性能的定性定量化評(píng)估，準(zhǔn)確度高，為樹(shù)木的栽培種植與防風(fēng)營(yíng)造提供準(zhǔn)確的理論依據(jù)。

為實(shí)現(xiàn)上述技術(shù)目的，本發(fā)明采取的技術(shù)方案為：

一種基于激光點(diǎn)云與空氣動(dòng)力學(xué)的活立木抗風(fēng)性能分析方法，包括：

步驟1、枝葉分離：獲取林木點(diǎn)云數(shù)據(jù)，對(duì)林木點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，實(shí)現(xiàn)枝葉分離；

步驟2、去噪操作：對(duì)獲得的單株活立木的n個(gè)枝干點(diǎn)云進(jìn)行去除噪聲點(diǎn)操作；

步驟3、枝干點(diǎn)云骨架收縮：采用拉普拉斯算法對(duì)枝干點(diǎn)云進(jìn)行收縮；

步驟4、枝干高度分層與聚類(lèi)中心點(diǎn)求取：根據(jù)單株活立木的垂直高度將收縮后的枝干點(diǎn)云數(shù)據(jù)自下而上切分為不同的層；根據(jù)歐式距離進(jìn)行聚類(lèi)，設(shè)定距離閾值，每一個(gè)高度分層中的枝干點(diǎn)云根據(jù)距離閾值進(jìn)行聚類(lèi)歸屬，即將每一個(gè)高度分層的枝干點(diǎn)云之間距離少于距離閾值的點(diǎn)云集歸屬為一類(lèi)；求取每類(lèi)的中心點(diǎn)，即每一個(gè)高度分層的局部枝干的聚類(lèi)中心點(diǎn)；

步驟5、圓柱體擬合與骨架重建：遍歷每一個(gè)高度分層的聚類(lèi)中心點(diǎn)，根據(jù)聚類(lèi)中心點(diǎn)并采用帶有空間方向性的圓柱體進(jìn)行擬合每一個(gè)高度分層的枝干骨架，從而實(shí)現(xiàn)單株活立木的完整骨架的重建；

步驟6、枝干骨架分類(lèi)：通過(guò)遍歷聚類(lèi)中心點(diǎn)中的根節(jié)點(diǎn)、父節(jié)點(diǎn)、分支結(jié)點(diǎn)、邊緣節(jié)點(diǎn)和兒子節(jié)點(diǎn)將整株活立木不同枝干骨架分類(lèi)為主枝干和次級(jí)枝干；

步驟7、葉子點(diǎn)云歸屬：基于分類(lèi)好的枝干骨架并結(jié)合空間分水嶺算法完成對(duì)活立木葉子點(diǎn)云數(shù)據(jù)的歸屬；