基于激光点云的树木骨架重建和抗风性分析
发布时间：2022-01-01 17:53
近年来,飓风灾害发生频繁,森林作为抵挡灾害的天然屏障,而遭受的破坏越来越多,从大规模的树叶脱落、树枝的折断到树木连根拔起,飓风带来的灾害给国民经济造成了巨大损失,因此定性定量化地探究强风荷载下森林内部流场的分布特征是目前的热点问题。风力下的树木抗风性的研究主要涉及:树木的三维几何建模和对树木模型加载风力场这两个部分。通过分析风力相关参数的分布变化特征,了解树木在飓风下的内部流场的运动,可以为树木的抗风性能提供了理论依据,同时也为森林管理开辟了新的思路。基于以上背景,本文结合计算机建模以及流体力学相关知识实现树木的三维几何建模,并获取和分析了飓风状态下林内的风力相关参数的变化。主要进行了以下研究:1.树木枝干的三维几何模型构建。本文根据陆地激光雷达所采集的点云数据,分别针对樱花树、苹果树和橡胶树进行研究。对原始点云数据进行标靶配准拼接和点云噪声点去除;将处理后的点云数据分层处理,根据最短路径距离进行聚类,寻找每一层的不同聚类中心点;构建聚类中心点的连通性矩阵,采用圆柱体拟合方式实现树木枝干模型重建;根据树木的构成属性,将树木的枝干自动分类为主枝干、一级分枝和二级分枝,最终得到完整的树木枝...
【文章来源】：南京林业大学江苏省
【文章页数】：59 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
本章实验的步骤图
置鳎?臼笛檠∪⌒Ｔ澳谟；ㄊ骱推还?髯魑?笛槎韵螅?恐质鞣直鹧≡窳娇檬鳌?研究区二位于海南儋州（海南岛西北部，东经109°43′-109°51′0；北纬19°28′-19°38′）的中国热带橡胶树种植园内。研究区地形为丘陵高原，中部海拔188米。高原周围是海拔20-160米的平地。海南岛作为中国最大的橡胶生产基地，橡胶树的种植范围不断增加。该种植园自1957年建成以来，已改造耕地和热带雨林5000多公顷。在这些土地中，近3000公顷种植了天然橡胶[34]。种植园种植了多个品种的橡胶树，本研究选择了两个典型树种：PR107和CATAS7-20-59。图3-2中，（a）和（b）的图片背景是从谷歌地球获取到的遥感图像，其绿色矩形标记种植橡胶树品种PR107的林地，蓝色矩形标记种植橡胶树品种CATAS7-20-59的林地，（c）和（d）照片为橡胶树品种PR107和CATAS7-20-59的真实森林环境。。根据之前的观察，CATAS7-20-59比PR107更能抵抗飓风，但还没有进行定性定量化的分析。本研究选用的两种橡胶树均为中国热带农业科学院试验场的树种，并实行统一管理。图3-2研究区二位于中国海南岛儋州市橡胶树实验农场中。Fig.3-2LocationofthestudyareaandthetwoforestplotsofrubbertreeswithintheChineseAcademyofTropicalAgriculturalSciences(CATAS)experimentalfarminDanzhou,HainanIsland,China.3.2点云数据的获取使用LeicaScanstationC10型号三维激光扫描仪，樱花树和苹果树的点云数据采集时间为2019年12月13日-15日，橡胶树的点云数据采集时间为2016年11月10日。由于地面激光雷达受到视野范围的限制，一般不可能一次性完整的获取树木的全部激光点云数据，因此我们必须从多个角度多方位进行多次扫描以完成对研究对象的点云数据收集[65]。考虑到树木的冠层内部结构复杂、树叶相互遮挡，在本?
16所示。图3-3地面激光扫描仪架设示意图Fig.3-3Laserscannersetupdiagram3.3点云数据标靶拼接为了得到研究对象全部整体的点云数据，研究人员需要在现场工作后，手动将从不同站点收集的数据进行配准，以在统一坐标系中获取完整数据。如今，大多数最常见的配准方法都是基于标靶的。根据不同站点的扫描数据中每个标靶的实际位置不变原理，将标靶的位置用作公共控制点来计算坐标转换参数，基于标靶的拼接是现今目前点云数据拼接当中，使用最为广泛、精度最高的拼接方式[66]。本研究对于每棵树都进行了3站扫描，每个站点采集得到的点云数据是独立的，因此必须进行点云拼接，本文采用的是Cyclone软件，对原始点云数据进行了手动标靶处理，从而可以得到完整的樱花树、苹果树和橡胶树枝干点云数据，如下图所示。
【参考文献】：
期刊论文
[1]The steady and vibrating statuses of tulip tree leaves in wind[J]. Yuanyuan Zhu,Chuanping Shao. Theoretical & Applied Mechanics Letters. 2017(01)
[2]基于图像处理的骨架提取算法的应用研究[J]. 刁智华,吴贝贝,毋媛媛,魏玉泉. 计算机科学. 2016(S1)
[3]基于Landsat-8 OLI数据的遥感蚀变信息提取与分析——以金塔大红山地区为例[J]. 李浩杰,常晓珂. 甘肃科技. 2015(13)
[4]巴西橡胶树抗风研究进展[J]. 王祥军,张源源,张华林,李维国,黄华孙. 热带农业科学. 2015(03)
[5]用地基激光雷达提取单木结构参数——以白皮松为例[J]. 刘鲁霞,庞勇,李增元,徐光彩,李丹,郑光. 遥感学报. 2014(02)
[6]地面三维激光扫描技术及其在国内的应用现状[J]. 马晓泉. 科技信息. 2012(29)
[7]基于形态特征的芒果树L系统建模及其可视化[J]. 吴瑞姣,陈崇成,马亨冰,唐丽玉,Janscó Tamas. 系统仿真学报. 2008(S1)
[8]地面三维激光扫描测量技术及其应用分析[J]. 宋宏. 测绘技术装备. 2008(02)
[9]不同生境中辽东栎的构型差异[J]. 孙书存,陈灵芝. 生态学报. 1999(03)
[10]热带树木构筑学研究概述[J]. 臧润国,蒋有绪. 林业科学. 1998(05)
硕士论文
[1]基于地面激光扫描数据的树木参数提取研究[D]. 刘金鹏.中国林业科学研究院 2016
[2]地面三维激光扫描技术及其在古建筑测绘中的应用研究[D]. 张维强.长安大学 2014
[3]基于TLiDAR点云数据建立三维树木模型[D]. 刘红伟.北京林业大学 2011
本文编号：3562539
【文章来源】：南京林业大学江苏省
【文章页数】：59 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
本章实验的步骤图
置鳎?臼笛檠∪⌒Ｔ澳谟；ㄊ骱推还?髯魑?笛槎韵螅?恐质鞣直鹧≡窳娇檬鳌?研究区二位于海南儋州（海南岛西北部，东经109°43′-109°51′0；北纬19°28′-19°38′）的中国热带橡胶树种植园内。研究区地形为丘陵高原，中部海拔188米。高原周围是海拔20-160米的平地。海南岛作为中国最大的橡胶生产基地，橡胶树的种植范围不断增加。该种植园自1957年建成以来，已改造耕地和热带雨林5000多公顷。在这些土地中，近3000公顷种植了天然橡胶[34]。种植园种植了多个品种的橡胶树，本研究选择了两个典型树种：PR107和CATAS7-20-59。图3-2中，（a）和（b）的图片背景是从谷歌地球获取到的遥感图像，其绿色矩形标记种植橡胶树品种PR107的林地，蓝色矩形标记种植橡胶树品种CATAS7-20-59的林地，（c）和（d）照片为橡胶树品种PR107和CATAS7-20-59的真实森林环境。。根据之前的观察，CATAS7-20-59比PR107更能抵抗飓风，但还没有进行定性定量化的分析。本研究选用的两种橡胶树均为中国热带农业科学院试验场的树种，并实行统一管理。图3-2研究区二位于中国海南岛儋州市橡胶树实验农场中。Fig.3-2LocationofthestudyareaandthetwoforestplotsofrubbertreeswithintheChineseAcademyofTropicalAgriculturalSciences(CATAS)experimentalfarminDanzhou,HainanIsland,China.3.2点云数据的获取使用LeicaScanstationC10型号三维激光扫描仪，樱花树和苹果树的点云数据采集时间为2019年12月13日-15日，橡胶树的点云数据采集时间为2016年11月10日。由于地面激光雷达受到视野范围的限制，一般不可能一次性完整的获取树木的全部激光点云数据，因此我们必须从多个角度多方位进行多次扫描以完成对研究对象的点云数据收集[65]。考虑到树木的冠层内部结构复杂、树叶相互遮挡，在本?
16所示。图3-3地面激光扫描仪架设示意图Fig.3-3Laserscannersetupdiagram3.3点云数据标靶拼接为了得到研究对象全部整体的点云数据，研究人员需要在现场工作后，手动将从不同站点收集的数据进行配准，以在统一坐标系中获取完整数据。如今，大多数最常见的配准方法都是基于标靶的。根据不同站点的扫描数据中每个标靶的实际位置不变原理，将标靶的位置用作公共控制点来计算坐标转换参数，基于标靶的拼接是现今目前点云数据拼接当中，使用最为广泛、精度最高的拼接方式[66]。本研究对于每棵树都进行了3站扫描，每个站点采集得到的点云数据是独立的，因此必须进行点云拼接，本文采用的是Cyclone软件，对原始点云数据进行了手动标靶处理，从而可以得到完整的樱花树、苹果树和橡胶树枝干点云数据，如下图所示。
【参考文献】：
期刊论文
[1]The steady and vibrating statuses of tulip tree leaves in wind[J]. Yuanyuan Zhu,Chuanping Shao. Theoretical & Applied Mechanics Letters. 2017(01)
[2]基于图像处理的骨架提取算法的应用研究[J]. 刁智华,吴贝贝,毋媛媛,魏玉泉. 计算机科学. 2016(S1)
[3]基于Landsat-8 OLI数据的遥感蚀变信息提取与分析——以金塔大红山地区为例[J]. 李浩杰,常晓珂. 甘肃科技. 2015(13)
[4]巴西橡胶树抗风研究进展[J]. 王祥军,张源源,张华林,李维国,黄华孙. 热带农业科学. 2015(03)
[5]用地基激光雷达提取单木结构参数——以白皮松为例[J]. 刘鲁霞,庞勇,李增元,徐光彩,李丹,郑光. 遥感学报. 2014(02)
[6]地面三维激光扫描技术及其在国内的应用现状[J]. 马晓泉. 科技信息. 2012(29)
[7]基于形态特征的芒果树L系统建模及其可视化[J]. 吴瑞姣,陈崇成,马亨冰,唐丽玉,Janscó Tamas. 系统仿真学报. 2008(S1)
[8]地面三维激光扫描测量技术及其应用分析[J]. 宋宏. 测绘技术装备. 2008(02)
[9]不同生境中辽东栎的构型差异[J]. 孙书存,陈灵芝. 生态学报. 1999(03)
[10]热带树木构筑学研究概述[J]. 臧润国,蒋有绪. 林业科学. 1998(05)
硕士论文
[1]基于地面激光扫描数据的树木参数提取研究[D]. 刘金鹏.中国林业科学研究院 2016
[2]地面三维激光扫描技术及其在古建筑测绘中的应用研究[D]. 张维强.长安大学 2014
[3]基于TLiDAR点云数据建立三维树木模型[D]. 刘红伟.北京林业大学 2011
本文编号：3562539
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