面向激光点云数据的阔叶树真实叶片建模与形变方法技术

本发明专利技术公开了一种面向激光点云数据的阔叶树真实叶片建模与形变方法，首先从扫描获取的叶子点云中采用多项式拟合的方法获取精确的树叶边界，并结合计算机图形学的方法计算叶面的主叶脉；其次采用双三次广义张量积Bezier曲面对叶面点云数据进行拟合，进而去除由于风吹抖动造成的扫描误差并消除噪声点云；再次，根据固体力学受力模型，定义叶脉与叶肉不同的力学属性，并构造非线性有限元的受力形变方程，计算施加不同载荷力后的叶子形态，进而模拟树叶在自然环境中真实的形变。本发明专利技术利用计算机自动分析获取林学指标，能准确描述不同林分条件下的活立木动态生长变化的叶面积指数有一定使用价值。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种面向激光点云数据的阔叶树真实叶片建模与形变方法，尤其涉及一种基于LTS(TransportLayerSecurity，激光扫描)点云数据的阔叶树叶面建模和形变方法。
技术介绍
阔叶树一般指双子叶植物类的树木，具有扁平、较宽阔叶片，叶脉成网状，叶常绿或落叶，一般叶面宽阔，叶形随树种不同而有多种形状的多年生木本植物。有的常绿，落叶类大多在秋冬季节叶从枝上脱落。阔叶树的经济价值大，不少为重要用材树种，其中有些为名贵木材、景观植物、各种水果等，还有一些阔叶树用作行道树或庭园绿化树种。本专利技术研究是景观植物含笑和樱花树叶面重建和形变。数据获取借助地面激光扫描仪。地面激光扫描仪不会对被测物造成任何损伤，且能以点云的形式精确还原出目标体的三维数据，而且三维激光扫描仪在计测学中具有无可比拟的优势，因此国外许多林业科研工作者就地面三维激光扫描技术在林业中的应用进行了深入研究和探讨。但目前为止尚未发现利用离散点云叶片数据进行建模，这主要是因为树木外形特征无规律且形态复杂，并且外界环境对树木的状态产生着持续的影响，获取没有外界环境影响的点云数据技术很难；因此考虑使用计算机自动对阔叶树叶片进行建模和变形需要解决许多问题：1)地面激光扫描在采集数据时，树木受到外部环境如风吹抖动及遮挡的影响；2)树木枝繁叶茂，叶子的形态及方位角度不固定，如何从激光扫描的树木点云中识别分辨不同叶子的点云数据是需要解决的难题；>3)激光扫描是由于外界环境扰动和遮挡，扫描的数据存在偏差和抖动，如何去除偏差并得到真实的形变的叶面数据是需要考虑的问题；4)激光扫描获取的是离散的点云数据，而树叶是由三维曲面构成，设计合理的点道面的拟合算法是需要解决的难题。上述外在因素都是使用计算机研究林木的阻力，因此如何从离散的激光点云中自动获取精确林学指标是亟待解决的问题。
技术实现思路
专利技术目的：为了克服现有技术中存在的不足，本专利技术提供一种面向激光点云数据的阔叶树真实叶片建模与形变方法，旨在借助激光扫描仪技术，搭建一个精确可行的三维活立木数据采集分析平台，融合图形图像学的最新方法，通过计算机自动分析获取精确林学指标，从而准确描述不同林分条件下的活立木动态生长变化的叶面积指数。技术方案：为实现上述目的，本专利技术采用的技术方案为：一种面向激光点云数据的阔叶树真实叶片建模与形变方法，首先运用高精度的激光扫描仪获取不同阔叶树种的三维叶面点云；其次从扫描获取的叶子点云中采用多项式拟合的方法获取精确的树叶边界，并结合计算机图形学的方法计算叶面的主叶脉；接着采用双三次广义张量积Bezier曲面对叶面点云数据进行拟合，进而去除由于风吹抖动造成的扫描误差并消除噪声点云；再次，根据固体力学受力模型，定义叶脉与叶肉不同的力学属性，并构造非线性有限元的受力形变方程，计算施加不同载荷力后的叶子形态，进而模拟树叶在自然环境中真实的形变。上述方法的具体实施包括如下步骤：(1)数据获取(11)扫描获取整株树木，提取叶面点云的两个端点，pe＝(xe，ye，ze)T，ps＝(xs，ys，zs)T，分别认为pe是叶尾点，ps是叶脉的顶端，通过计算pe和ps之间的连线L1来确定主叶脉上的点，L1：p＝pe+t×(ps-pe)，t为连线的自变量，同时确定与矢量相垂直的法向量将主叶脉L1等间隔n等份后取线上面的n+1个等分点，这些等分点与法向量构成了叶子宽度的n+1条扫描线，其中i＝1，2，3...，n+1，定位求取L2，i左右两端的端点p2，li和p2，ri，即可以获取叶面在不同部分的边缘点；(12)对步骤(11)的多条L2，i扫描线，取每条扫描线的左右两端的端点p2，li和p2，ri，分别记为p2，li：(xli，yli，zli)和p2，ri：(xri，yri，zri)，其中i＝1，2，3...，n；除去两侧的两条扫描线，若某条扫描线的左端点相对于相邻两条扫描线的左端点向主叶脉内凹，且右端点相对于相邻两条扫描线的右端点也向主叶脉内凹，则认为该扫描线存在遮挡或由误差造成，剔除该扫描线；(13)基于步骤(12)，剔除完所有存在遮挡或由误差造成的扫描线后，对所有扫描线按序重新编号为p2，lj和p2，rj，左右两端的端点分别记为p2，lj：(xlj，ylj，zlj)和p2，rj：(xrj，yrj，zrj)；最终得到：左端点的集合为p2l＝{(xl1，yl1，zl1)，(xl2，yl2，zl2)，...，(xlj，ylj，zlj)，...本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种面向激光点云数据的阔叶树真实叶片建模与形变方法，其特征在于：首先运用高精度的激光扫描仪获取不同阔叶树种的三维叶面点云；其次从扫描获取的叶子点云中采用多项式拟合的方法获取精确的树叶边界，并结合计算机图形学的方法计算叶面的主叶脉；接着采用双三次广义张量积Bezier曲面对叶面点云数据进行拟合，进而去除由于风吹抖动造成的扫描误差并消除噪声点云；再次，根据固体力学受力模型，定义叶脉与叶肉不同的力学属性，并构造非线性有限元的受力形变方程，计算施加不同载荷力后的叶子形态，进而模拟树叶在自然环境中真实的形变。

【技术特征摘要】
1.一种面向激光点云数据的阔叶树真实叶片建模与形变方法，其特征在于：首先
运用高精度的激光扫描仪获取不同阔叶树种的三维叶面点云；其次从扫描获取的叶子点
云中采用多项式拟合的方法获取精确的树叶边界，并结合计算机图形学的方法计算叶面
的主叶脉；接着采用双三次广义张量积Bezier曲面对叶面点云数据进行拟合，进而去除
由于风吹抖动造成的扫描误差并消除噪声点云；再次，根据固体力学受力模型，定义叶
脉与叶肉不同的力学属性，并构造非线性有限元的受力形变方程，计算施加不同载荷力
后的叶子形态，进而模拟树叶在自然环境中真实的形变。
2.根据权利要求1所述的面向激光点云数据的阔叶树真实叶片建模与形变方法，
其特征在于：包括如下步骤：
(1)数据获取
(11)扫描获取整株树木，提取叶面点云的两个端点，pe＝(xe，ye，ze)T，
ps＝(xs，ys，zs)T，分别认为pe是叶尾点，ps是叶脉的顶端，通过计算pe和ps之间的连
线L1来确定主叶脉上的点，L1：p＝pe+t×(ps-pe)，t为连线的自变量，同时确定与矢量
相垂直的法向量将主叶脉L1等间隔n等份后取线上...

【专利技术属性】
技术研发人员：薛联凤，云挺，嵇俊，
申请(专利权)人：薛联凤，云挺，嵇俊，
类型：发明
国别省市：江苏;32