一种树洞三维模型合并的方法技术

一种树洞三维模型合并的方法，属于野生动植物保护技术领域。本发明专利技术包括以下步骤：步骤一、利用计算机断层扫描需要合并的两个带有树洞的树干；步骤二、输出步骤一需要合并的两个带有树洞树干的扫描文件，并将扫描文件进行分类；步骤三、找出树洞内、外径的独立质心；步骤四、找出需要合并树洞的纵轴线；步骤五、找出需要合并树洞的横轴线；步骤六、将两个需要合并的树洞序号一致的两个单独层合并；步骤七、完成了需要合并的两个树洞三维模型的合并。本发明专利技术可以对无限多个树洞的立体形状进行合并处理，最后三维可视化输出，然后利用输出结果制作人工树洞，使得人工树洞参照该模型做出的设计改进更贴近天然树洞，满足特定动物特定生活史中的特定需求。

【技术实现步骤摘要】
一种树洞三维模型合并的方法
本专利技术涉及一种树洞合并方法，属于野生动植物保护

技术介绍
树洞是森林生态系统中重要的生物因子，许多动物利用树洞栖息、躲避天敌、生育、觅食、维持体温或者规避不良气候。全世界有至少360多种脊椎动物严格依赖树洞生活，在这些动物里，小型的体重只有6g，大型的，如熊可以达到300kg。翼手目中有很大一部分物种使用树洞，鸟纲中更有260多种鸟严格依赖树洞。一般而言，自然的树洞产生由外界因子造成，如生物因子中的真菌、昆虫和鸟类或非生物因子中的森林大火或强风；有研究表明，在加拿大，85％的树洞由啄木鸟开凿形成，啄木鸟一般选择在大树上开凿树洞，这就需要漫长的形成周期，通常，几十年的大树才有可能形成被动物利用的树洞，而在澳大利亚大陆，由于没有啄木鸟分布，树洞的自然发生甚至需要上百年。遗憾的是，在人类非正常干扰和商业需求的压力下，粗直径的立木正在大量失去，随着这些承载着天然树洞的大树消失，将会对依赖树洞生存的动物产生不良影响。目前，针对这类栖息地丧失的问题，大致分为长期解决方案和短期解决方案，长期方案是人为加速树洞的形成，如用特制的枪把真菌射入健康的树木使其逐渐心腐，进而形成带有空心结构的站干(Snag)；也有利用装有木屑的盒子外挂在树干上为食木虫创造生境，进而扩大食木虫种群以制造更多朽木生境；或者通过有计划的火烧和锯断树头来创造潜在的站杆进而等待真菌和食木虫侵入形成树洞，这类方案的优点是创造的树洞与天然树洞形态接近，缺点是周期过长；短期解决方案是把人工巢箱固定在高处以替代树洞，但传统的人工巢箱形态上与天然树洞差异较大，很大一部分原因表现在长方体的形状在受到太阳辐射时不如圆柱形的树干均匀进而导致箱内温度波动过大。其次，人工巢箱的外壁厚度相对树洞的厚壁而言过薄，热惰性差的缺点使得人工巢箱在昼夜更替中易于受箱外温度影响。这些因为几何形状或材料原因导致了人工巢箱的绝热性能不如天然树洞。未来人工树洞的优势体现在，可短期内为动物提供大量适宜的微栖息地，尤其是对于严格依赖树洞的濒危物种而言，这可能是陷入灭绝螺旋前最后的“止滑器”；针对目前人工巢箱招引动物效率不高的现象，有研究者指出，需要把传统的人工巢箱设计改进的更像天然树洞，在这样要求下，对不同物种在不同季节对躲避天敌和规避不良气候等生态需求的研究提出了更高、更复杂的要求，这其中就包括对树洞做精确测量与进一步的三维合并，最后，在满足统计学上对样本数量的前提下，找出特定物种在特定季节所使用的树洞在三维模型合并后的几何规律。目前全世界研究树洞的文献中绝大多数使用的技术是使用卷尺或者钓鱼线拴着铅锤伸入树洞测量内径的长宽高等数据，由于多数被动物利用的树洞内被垫有巢材，使得测量工具无法触及底部。同时，部分树洞可能因为不是具有完全垂直的形状，这将为铅锤测量法带来很大的误差。综上所述，这些由测量误差带来的不良后果，会不可避免的为后期研究与设计带来偏差；此外，这些描述树洞的模型，其数据大多都是采用在对多个样本长宽高测量后的均值，无法准确描述树洞的壁厚、壁面粗糙度、内径偏心率与内部的几何形状等问题，只是做了简化模型，默认为树洞是顶部带有侧向进出口的圆柱体。而自然界中，树洞的形状差异会很大，简单的圆柱体未必能够很好地描述树洞形状。在进一步的人工树洞的设计中应该考虑到树洞内的几何形状会影响到洞内的流场与不同温度层的分布状况，这也会对动物在不同季节保温、通风、除湿的需求产生影响。树洞内的空气运动在不考虑洞口外的风压情况下，内部空气会在动物代谢产热与树木呼吸作用的热动力驱动下运动。此时，洞内壁面的起伏强度在微观尺度上会影响到洞内气流的运动速度，近壁面的流速会影响到洞壁与气流之间的对流换热系数进而影响到壁面与外界环境的热交换。把以上这些因素的综合考量到新的人工树洞的设计中去，将会比以简单的圆柱形为模型的设计指导更有代表性，尤其是在不同物种对微空间的利用上，应该更精确地用有针对性的模型来描述该物种在不同生命史中对躲避天敌、规避不良气候等生态需求。因此，现有技术急需提出一种树洞合并的方法，以合并后的几何形状做为特定物种在特定季节的树洞模型，使得人工巢箱参照该模型做出更接近天然树洞的人工树洞，满足动物栖息条件。从而避免人工巢箱的诸项性能不如天然树洞，导致依赖树洞生存的动物无法选用人工巢箱，进而产生资金与资源浪费、生态恢复低效等不佳后果。
技术实现思路
本专利技术为了解决上述技术问题，提出了一种树洞三维模型合并的方法。本专利技术的技术方案是：为实现上述目的所采用的技术方案在于包括以下步骤：步骤一、利用计算机断层扫描需要合并的两个带有树洞的树干；将需要合并的两个树洞的树干，以洞口向上的方式水平放置在CT床，以床平面为基准平面，把每个树洞自上顶到下底，保持每层的间距均匀的基础上，扫描成n个独立扫描层，并命名。步骤二、输出步骤一需要合并的两个带有树洞树干的扫描文件，并将扫描文件进行分类；将利用CT床扫描的文件输出，扫描文件以DICOM格式输出后，并将文件分类，第一类是对树洞上顶以上树干和下底以下树干的扫描文件；第二类非洞口扫描图像；第三类是洞口扫描图像：将分类后的DICOM格式扫描文件转化成JPG格式，并导入CAD软件进行矢量化处理，转化成DWG格式，使用AutoCAD的插件进行编程。步骤三、找出树洞内、外径的独立质心；根据步骤二中分类后的树洞，分别找出树洞内、外径的独立质心；步骤四、找出需要合并树洞的纵轴线；把所有扫描图层依照序号，以基准线平行的方式排列，保持每层的间距均匀的基础上，做成一个基准面，由于每一根基准线都对应有第二步提取出的质心，于是在垂直于基准面的一侧的空间内，会形成一条不连续的曲线，使用“最小包围盒”的方法找出这条由质心形成的不连续曲线的包围盒，该包围盒具有轴对称的性质，而此轴即可代表由质心形成的不连续曲线，作为树洞的纵轴线。步骤五、找出需要合并树洞的横轴线；在带有树洞开口的若干洞口扫描层上，以基准线做参照物计算树洞开口的方向作为该树洞的横轴线；方法如下，利用步骤三方法中找到P1和P2，分别连接质心C1与P1，C1与P2，形成两条直线，这两条直线的夹角的角平分线就是该层的横轴，假设是带有树洞开口的第一个扫描层，那么该层的横轴就是H1；此时，该层横轴的反向延长线会与该层基准线有一个交角。如设定基准线与该层横轴的反向延长线的交点的某一方向为0度角的话，那么该层横轴的反向延长线会在0-180度的值域内会有一个对应值，该值便是该层的横轴与基准线的角度值。求得所有带有树洞开口层横轴与基准线的角度均值，该均值就是独立树洞的横轴方向。步骤六、需要合并两个树洞单独层合并；将需要合并的两个树洞分别命名为A树洞和B树洞；将A、B各树洞的纵轴合并成一条直线，横轴方向一致，此时各取两个独立树洞的第一层，叠加在同一个平面，以俯视图视角来看，从轴心向0°角方向射出一条射线，该射线会遇到4个交点，这四个交点分别是与A树洞的内径交点NAi；与A树洞的外径交点NAe；以及B树洞的内径交点NBi；与B树洞的外径交点NBe；接着求出NAi与NBi的中心NABi，同理求出的NAe与NBe中心NABe；NABi与NABe这两个点为需要合并的A、B树洞第一层合并后，新合并层内径和外径在0度方向上的点；以上述方本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种树洞三维模型合并的方法，其特征在于：包括以下步骤：步骤一、利用计算机断层扫描需要合并的两个带有树洞的树干；将需要合并的两个树洞的树干，以洞口向上的方式水平放置在CT床，以床平面为基准平面，把每个树洞自上顶到下底，保持每层的间距均匀的基础上，扫描成n个独立扫描层，并命名。步骤二、输出步骤一需要合并的两个带有树洞树干的扫描文件，并将扫描文件进行分类；将利用CT床扫描的文件输出，扫描文件以DICOM格式输出后，并将文件分类，第一类是对树洞上顶以上树干和下底以下树干的扫描文件；第二类是非洞口扫描图像；第三类是洞口扫描图像：将分类后的DICOM格式扫描文件转化成JPG格式，并导入CAD软件进行矢量化处理，转化成DWG格式，使用AutoCAD的插件进行编程。步骤三、找出树洞内、外径的独立质心；根据步骤二中分类后的树洞，分别找出树洞内、外径的独立质心；步骤四、找出需要合并树洞的纵轴线；把所有扫描图层依照序号，以基准线平行的方式排列，保持每层的间距均匀的基础上，做成一个基准面，由于每一根基准线都对应有第二步提取出的质心，于是在基准面的一侧的空间内，会形成一条不连续的曲线，使用“最小包围盒”的方法找出这条由质心形成的不连续曲线的包围盒，该包围盒具有轴对称的性质，而此轴即可代表由质心形成的不连续曲线，作为树洞的纵轴线。步骤五、找出需要合并树洞的横轴线；在带有树洞开口的若干洞口扫描层上，以基准线做参照物计算树洞开口的方向作为该树洞的横轴线；方法如下，利用步骤三方法中找到P1和P2，分别连接质心C1与P1，C1与P2，形成两条直线，这两条直线的夹角的角平分线就是该层的横轴，假设是带有树洞开口的第一个扫描层，那么该层的横轴就是H1；此时，该层横轴的反向延长线会与该层基准线有一个交角。如设定基准线与该层横轴的反向延长线的交点的某一方向为0度角的话，那么该层横轴的反向延长线会在0‑180度的值域内会有一个对应值，该值便是该层的横轴与基准线的角度值。求得所有带有树洞开口层横轴与基准线的角度均值，该均值就是独立树洞相对于基准线的横轴方向。步骤六、对需要合并的两个树洞序号一致的两个单独层合并；将需要合并的两个树洞分别命名为A树洞和B树洞；将A、B各树洞的纵轴合并成一条直线，将两个树洞的基准面重合，并使两个横轴与基准面的角度保持一致，此时各取两个独立树洞的第一层，叠加在同一个平面，以俯视图视角来看，从轴心向0°角方向射出一条射线，该射线会遇到4个交点，这四个交点分别是与A树洞的内径交点NAi；与A树洞的外径交点NAe；以及B树洞的内径交点NBi；与B树洞的外径交点NBe；接着求出NAi与NBi的中心NABi，同理求出的NAe与NBe中心NABe；NABi与NABe这两个点为需要合并的A、B树洞第一层合并后，新合并层内径和外径在0度方向上的点；以上述方法，当从轴心射出的360条线都按照如上方式计算，形成360个NABi点与360个NABe点，把360个NABi点连接起来便是合并后第一层的内径，把360个NABe点连接起来便是合并后第一层的外径，此时确立了新合并层第一层的图形，以此类推计算出n个新合并图层的形状。步骤七、完成了需要合并的两个树洞三维模型的合并；合并后的纵轴与横轴作为三维坐标的参考系，由于两个树洞高度不同，按同一层数扫描时，扫描间距不同，所以在用纵轴线做骨架把n个新图层叠加起来时，需要用2个树洞扫描间距的均值，作为新的3D图像的图层间距，连接所有内径表面和外径表面，便完成了两个树洞三维模型的合并。...

【技术特征摘要】
1.一种树洞三维模型合并的方法，其特征在于：包括以下步骤：步骤一、利用计算机断层扫描需要合并的两个带有树洞的树干；将需要合并的两个树洞的树干，以洞口向上的方式水平放置在CT床，以床平面为基准平面，把每个树洞自上顶到下底，保持每层的间距均匀的基础上，扫描成n个独立扫描层，并命名。步骤二、输出步骤一需要合并的两个带有树洞树干的扫描文件，并将扫描文件进行分类；将利用CT床扫描的文件输出，扫描文件以DICOM格式输出后，并将文件分类，第一类是对树洞上顶以上树干和下底以下树干的扫描文件；第二类是非洞口扫描图像；第三类是洞口扫描图像：将分类后的DICOM格式扫描文件转化成JPG格式，并导入CAD软件进行矢量化处理，转化成DWG格式，使用AutoCAD的插件进行编程。步骤三、找出树洞内、外径的独立质心；根据步骤二中分类后的树洞，分别找出树洞内、外径的独立质心；步骤四、找出需要合并树洞的纵轴线；把所有扫描图层依照序号，以基准线平行的方式排列，保持每层的间距均匀的基础上，做成一个基准面，由于每一根基准线都对应有第二步提取出的质心，于是在基准面的一侧的空间内，会形成一条不连续的曲线，使用“最小包围盒”的方法找出这条由质心形成的不连续曲线的包围盒，该包围盒具有轴对称的性质，而此轴即可代表由质心形成的不连续曲线，作为树洞的纵轴线。步骤五、找出需要合并树洞的横轴线；在带有树洞开口的若干洞口扫描层上，以基准线做参照物计算树洞开口的方向作为该树洞的横轴线；方法如下，利用步骤三方法中找到P1和P2，分别连接质心C1与P1，C1与P2，形成两条直线，这两条直线的夹角的角平分线就是该层的横轴，假设是带有树洞开口的第一个扫描层，那么该层的横轴就是H1；此时，该层横轴的反向延长线会与该层基准线有一个交角。如设定基准线与该层横轴的反向延长线的交点的某一方向为0度角的话，那么该层横轴的反向延长线会在0-180度的值域内会有一个对应值，该值便是该层的横轴与基准线的角度值。求得所有带有树洞开口层横轴与基准线的角度均值，该均值就是独立树洞相对于基准线的横轴方向。步骤六、对需要合并的两个树洞序号一致的两个单独层合并；将需要合并的两个树洞分别命名为A树洞和B树洞；将A、B各树洞的纵轴合并成一条直线，将两个树洞的基准面重合，并使两个横轴与基准面的角度保持一致，此时各取两个独立树洞的第一层，叠加在同一个平面，以俯视图视角来看，从轴心向0°角方向射出一条射线，该射线会遇到4个交点，这四个交点分别是与A树洞的内径交点NAi；与A树洞的外径交点NAe；以及B树洞的内径交点NBi；与B树洞的外径交点NBe；接着求...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈亮，马建章，方建生，
申请(专利权)人：东北林业大学，
类型：发明
国别省市：黑龙江,23