[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

摘要

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。

主权项

1.一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，其特征在于，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；步骤8、孔隙率求取：计算活立木的孔隙率；步骤9、叶片归属度分析：根据主枝干和次级枝干的数量将活立木的枝干分为多类，统计各类分支的点云数据和叶片总数，对各类分支的叶片归属度进行分析从而计算各类分支的叶团簇体积、各类分支的叶子点云密度和各类分支的叶密度，测量树高和各类分支的胸径；步骤10：模型构建与风力加载下的参数分析：根据林分参数建立树体三维模型，所述林分参数包括树高、主枝干与次级枝干的夹角、各类分支的点云数据、各类分支的叶片总数、各类分支的胸径、各类分支的叶团簇体积、各类分支的叶密度和各类分支的叶团簇孔隙度，由单株活立木的树体三维模型组合成多株活立木的林分模型，将林分模型加载风力，根据湍流模型和流固耦合模型分析冠内动力学参量变化以及流固耦合过程，从而得到林分内部动态压力、风速度以及湍流动能强度分布。