[发明专利]基于激光点云与空气动力学的活立木抗风性能分析方法

说明书

本发明公开了一种基于激光点云与空气动力学的活立木抗风性能分析方法，包括获取林木点云数据并枝叶分离；采用拉普拉斯算法对枝干点云进行收缩；将枝干点云数据自下而上切分为不同的层；求取每个高度分层的聚类中心点，根据聚类中心点拟合每一个高度分层的枝干；将活立木不同枝干骨架分类为主枝干和次级枝干；完成对活立木叶子点云数据的归属；建立林分模型，将林分模型加载风力，根据湍流模型和流固耦合模型分析林分内部动态压力、风速度以及湍流动能强度分布，本发明计算复杂度适中，能更好地描述活立木的空间结构特征与生长参数变化，实现活立木在台风下抗风性能的定性定量化评估，准确度高，为树木的栽培种植与防风营造提供准确的理论依据。

技术领域

本发明涉及活立木抗风性能分析技术领域，具体涉及一种基于激光点云与空气动力学的活立木抗风性能分析方法。

背景技术

中国是世界上受到台风影响最大的国家之一,强台风不但会造成人员的伤亡、摧毁建筑物和桥梁外,还会导致树木的断裂倒伏。在海南省,每次台风登陆都会导致橡胶树林出现大量的根倒、弯曲和干折现象,可能造成数十亿元的经济损失,因此开展橡胶树抗风的研究具有重要的意义。

现今，对树木抗风性研究的主要方法分为：

1.从林分角度讲，如：通过将林分看成的多孔介质模型，结合大涡模拟方法，研究大气稳定度和树冠阻力对风力的综合作用。该方法虽然在宏观尺度下可快速模拟计算大范围内不同林分在台风下的空气流场参数，但准确度低，很难描述林分内精细参数的变化以及风力场气动耦合之间的变迁。

2.在微观尺度下，进行单株活立木的精细建模，例如一些学者采样一定的树叶和树枝并结合空气动力学，研究其在风力作用下的摆动。该方法希望将树木仿真重建与抗风性研究相结合。然而，由于树木自身枝干树叶的数量繁杂及形态多样，很难精细重建单棵树中每片树叶与其对应的枝干。因此，加载风力后，不能准确分析各分支和各树叶受风力后形变的运动状态，同时难以研究树叶受不同攻角风力对树枝的作用力，导致此方法效率低，复杂度高，难以实现。

发明内容

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激光点云与空气动力学的活立木抗风性能分析方法，本基于激光点云与空气动力学的活立木抗风性能分析方法计算复杂度适中，能更好地描述活立木的空间结构特征与生长参数变化，通过计算机仿真技术，实现活立木在台风下抗风性能的定性定量化评估，准确度高，为树木的栽培种植与防风营造提供准确的理论依据。

为实现上述技术目的，本发明采取的技术方案为：

一种基于激光点云与空气动力学的活立木抗风性能分析方法，包括：

步骤1、枝叶分离：获取林木点云数据，对林木点云数据进行计算，实现枝叶分离；

步骤2、去噪操作：对获得的单株活立木的n个枝干点云进行去除噪声点操作；

步骤3、枝干点云骨架收缩：采用拉普拉斯算法对枝干点云进行收缩；

步骤4、枝干高度分层与聚类中心点求取：根据单株活立木的垂直高度将收缩后的枝干点云数据自下而上切分为不同的层；根据欧式距离进行聚类，设定距离阈值，每一个高度分层中的枝干点云根据距离阈值进行聚类归属，即将每一个高度分层的枝干点云之间距离少于距离阈值的点云集归属为一类；求取每类的中心点，即每一个高度分层的局部枝干的聚类中心点；

步骤5、圆柱体拟合与骨架重建：遍历每一个高度分层的聚类中心点，根据聚类中心点并采用带有空间方向性的圆柱体进行拟合每一个高度分层的枝干骨架，从而实现单株活立木的完整骨架的重建；

步骤6、枝干骨架分类：通过遍历聚类中心点中的根节点、父节点、分支结点、边缘节点和儿子节点将整株活立木不同枝干骨架分类为主枝干和次级枝干；

步骤7、叶子点云归属：基于分类好的枝干骨架并结合空间分水岭算法完成对活立木叶子点云数据的归属；